Файл: Состав и свойства вычислительных систем. Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем (Состав и свойства вычислительных систем).pdf
Добавлен: 31.03.2023
Просмотров: 78
Скачиваний: 2
4) Прикладной уровень. Программное обеспечение прикладного уровня - комплекс прикладных программ, при помощи которых выполняются на данном рабочем месте конкретные задания. Спектр таких заданий необычайно широк — от производственных до развлекательно-обучающих и творческих. Огромный функциональный диапазон возможных приложений средств вычислительной техники объясняется наличием прикладных программ для различных видов деятельности.
Поскольку между системным и прикладным программным обеспечением существует непосредственная взаимосвязь (опирается второе на первое), то можно утверждать, что доступность прикладного программного обеспечения, универсальность вычислительной системы и широта функциональных возможностей компьютера зависят напрямую от типа используемой операционной системы, от того, какие содержит ее ядро системные средства, как обеспечивает она взаимодействие триединого комплекса человек — программа — оборудование [10, с.76].
1.2. Свойства вычислительных систем
Вычислительные системы обладают следующими наиболее важными свойствами (стоит отметить, что в той или иной реализации вычислительной системы все ее свойства могут не проявляться полностью):
1) Масштабируемость.
Масштабируемость вычислительных систем понимается как их способность увеличивать и уменьшать ресурсы, возможность варьировать производительность. Сложность (трудоемкость) задач, решаемых вычислительными средствами, постоянно растет. Чтобы сохранить способность вычислительных систем в течение длительного времени адекватно решать сложные задачи, необходимо, чтобы они обладали архитектурным свойством масштабируемости. Это означает, в частности, что производительность, достигаемую вычислительной системой на данном количестве калькуляторов, может быть увеличена путем добавления одного или нескольких калькуляторов. Выполнение этой собственности гарантируется принципами модульности, локальности, децентрализации и распределения.
2) Универсальность. Вычислительные системы являются алгоритмически и структурно универсальными. Общепринято, что компьютеры (основанные на компьютерной модели) являются алгоритмически универсальными, если они имеют возможность (без изменения своих структур) реализовывать алгоритм для решения любой проблемы. С другой стороны, компьютерные системы представляют собой команду калькуляторов, каждый из которых обладает алгоритмической универсальностью, поэтому система является универсальной (в общепринятом смысле).
Вычислительные системы сочетают в себе преимущества цифровой технологии, где процесс расчета в основном определяется алгоритмически (точнее, программно), и аналоговой технологии, где процесс расчета предопределяется структурными схемами.
Структурная универсальность позволяет говорить о специализации вычислительных систем: для каждой задачи допустимо автоматически настраивать такую конфигурацию из ресурсов вычислительных систем, наиболее адекватных алгоритму решения задачи. Таким образом, вычислительные системы являются средством, в котором диалектически сочетаются противоположные свойства универсальности и специализации.
Алгоритмическая и структурная универсальность вычислительных систем проявляется также в возможности организации «виртуальных» конфигураций с произвольной архитектурой (на уровне команд и потоков данных) и реализации в ней известных режимов обработки информации [1, с.17].
3) Производительность. В отличие от компьютеров, построенных на основе компьютерной модели, компьютерные системы не имеют фундаментальных ограничений в повышении производительности. Увеличение производительности в них достигается не только за счет увеличения физической скорости микроэлектронных элементов, но в основном за счет увеличения количества калькуляторов. Следует подчеркнуть, что благодаря свойству однородности масштабируемость вычислительных систем осуществляется путем простого подключения дополнительных вычислений без конструктивных изменений исходного состава системы. В то же время в системе легко настроить программное обеспечение для заданного количества калькуляторов. На основании последнего обеспечивается совместимость вычислительных систем различной мощности.
4) Реконфигурируемость. Структурная и функциональная гибкость вычислительных систем обусловлена широкими возможностями систем для статической и динамической реконфигурации. Статическая реконфигурация вычислительных систем обеспечивается за счет: изменения количества калькуляторов, их структуры и состава; выбор дня работы калькуляторов по количеству полюсов для связи с другими калькуляторами; умение строить структуры в виде графов, принадлежащих к разным классам; допустимость использования каналов различного типа, различной физической природы и различной длины и т. д. в связи с возможностью адаптации вычислительных систем к статической реконфигурации, система адаптирована к области применения на этапе ее формирования ,
Динамическая реконфигурация вычислительных систем поддерживается возможностью формирования в системах таких (виртуальных) подсистем, структуры и функциональные организации которых адекватны входной многопрограммной ситуации и структурам решаемых задач. Следовательно, способность вычислительных систем к динамической реконфигурации приводит к ее высокой универсальности, при которой достигается заданный уровень производительности при решении широкого класса задач; режимы работы, известные в компьютерной технике (коллективное использование, пакетная обработка и т.д.), методы управления вычислительным процессом (централизованный, децентрализованный и т.д.), структурные схемы (изолированные компьютеры, системы от нескольких процессоров и один компьютер, системы от одного компьютера) Реализуются и несколько запоминающих устройств и т. д.) и методы обработки информации (конвейерная, матричная, распределенная и т. д.).
5) Надежность и живучесть. Эти два понятия семантически близки, оба предназначены для характеристики архитектурных возможностей вычислительных систем при выполнении возложенных на них функций. Тем не менее каждый из них отражает специфические особенности вычислительных систем для использования исправных ресурсов при обработке информации.
Под надежностью вычислительных систем понимается способность автоматически (программировать) конфигурировать и организовывать функционирование таких структурных схем, которые обеспечивают отказы, а восстановление калькуляторов обеспечивает заданный уровень производительности или, другими словами, возможность использовать фиксированное число. правильных калькуляторов (при реализации параллельных программ для решения сложных задач). Эта концепция характеризует возможности вычислительных систем для обработки информации при наличии фиксированной структурной избыточности (представленной частью калькуляторов) и при использовании параллельных программ с заданным числом. филиалов.
Под живучестью компьютерных систем понимается свойство параметров программы и организация функционирования таких структурных схем, которые в условиях сбоев и восстановления компьютеров гарантируют производительность в указанных пределах или возможность использовать все рабочие компьютеры в параллельные программы. Концепция «живучести» вычислительных систем характеризует их способность организовывать отказоустойчивые вычисления или, другими словами, реализовывать параллельные программы, позволяющие варьировать число ветвей в определенных пределах [4, с.59].
6) Самоконтроль и самодиагностика. Организация надежного и долговечного функционирования вычислительных систем связана с контролем правильности их работы и с локализацией в них неисправностей. В коллективных системах компьютеров может применяться нетрадиционный подход к мониторингу и диагностике:
1) в качестве контрольного и диагностического ядра компьютерных систем могут использоваться любые работающие компьютеры и, в пределе, ядро любого случайно выбранного компьютера;
2) выбор ядра системы и определение его работоспособности может выполняться автоматически (с использованием компьютерных систем).
Предлагаемый подход позволяет говорить о самоконтроле и самодиагностике компьютерных систем. Вывод об исправности или неисправности отдельных калькуляторов системы принимается коллективно всеми калькуляторами на основе сравнения их индивидуальных выводов об исправности соседних калькуляторов.
Вышеупомянутое в отношении надежности, живучести, самоконтроля и самодиагностики компьютерных систем в равной степени относится к отдельным частям систем и их подсистемам. Следовательно, надежность и живучесть вычислительных систем могут быть достигнуты в случае мультипрограммирования.
7) Технико-экономическая эффективность. Структурная однородность может значительно сократить время разработки и производства систем, обеспечивает высокую технологичность, упрощает как статическую, так и динамическую реконфигурацию вычислительных систем и облегчает их техническую эксплуатацию. Это значительно упрощает процесс организации взаимодействия между компьютерными системами и облегчает создание программного обеспечения. Полнота реализации трех основных принципов команды калькуляторов позволяет значительно ослабить взаимосвязь между повышением производительности вычислительных систем и усложнением их проектирования и изготовления, а также созданием системного программного обеспечения [11, с.40].
Это открывает возможность создания высокопроизводительных экономически приемлемых вычислительных систем с существующей физической и технологической базой. Более того, возможность бесконечно увеличивать производительность позволяет использовать микроэлектронные элементы для построения компьютерных систем со скоростью, которая далека от предела и, следовательно, с более высокой надежностью и меньшим энергопотреблением.
Глава 2. Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем
2.1. Информационное обеспечение вычислительных систем
Информация - это информация о мире и происходящих в нем процессах, воспринимаемая человеком или специализированным устройством, например компьютером, для обеспечения целевой активности. Информация может быть числовой, текстовой, графической, звуковой и т.д. по своей физической природе. Он также может быть постоянным (не меняющимся), переменным, случайным, вероятностным. Наибольший интерес представляет переменная информация, поскольку она позволяет выявлять причинно-следственные связи в процессах и явлениях.
Наряду с аппаратным и программным обеспечением компьютерных технологий в некоторых случаях целесообразно рассмотреть информационное программное обеспечение, что означает комбинацию программ и предварительно подготовленных данных, необходимых для работы этих программ [8, с.104].
Рассмотрим, например, систему автоматической проверки правописания в редактируемом тексте. Ее работа заключается в том, что лексические единицы исходного текста сравниваются с заранее подготовленным массивом справочных данных (словарь). В этом случае для успешной работы системы, помимо аппаратного и программного обеспечения, необходимо иметь специальные наборы словарей, которые подключаются извне. Это пример информационной поддержки компьютерных технологий.
В специализированных компьютерных системах (бортовые компьютеры автомобилей, кораблей, ракет, самолетов, космических аппаратов и т.д.) комбинация программного и информационного программного обеспечения называется математическим программным обеспечением. Как правило, он «жестко запрограммирован» в микросхемах ПЗУ и может быть изменен только путем замены ПЗУ или перепрограммирования его на специальном оборудовании.
Информационная поддержка сети - это единый информационный фонд, ориентированный на решаемые в сети задачи и содержащий базы данных общего пользования, доступные для всех пользователей сети, базы данных индивидуального использования, предназначенные для индивидуальных абонентов, базы знаний общего и индивидуального применения, автоматизированные базы данных - местного и распределенного, общего и индивидуального назначения.