Файл: Состав и свойства вычислительных систем. Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем(Понятие и свойства вычислительной системы ).pdf
Добавлен: 31.03.2023
Просмотров: 119
Скачиваний: 2
Прежде всего выполняют постановку задачи моделирования:
• определение требований к исходной информации, ее сбор;
• выдвижение гипотез и предположений;
• определение параметров и переменных модели;
• обоснование выбора показателей и критериев эффективности системы;
• определение содержания и описание модели (основной документ).
Одна из классификаций математического обеспечения предполагает деление его на подпрограммы, пакеты программ, библиотеки программ, системы математического обеспечения.
Подпрограммы. Это наиболее известный и часто используемый раздел математического обеспечения. Он состоит из отдельных подпрограмм или программ, содержащих небольшой набор подпрограмм.
В настоящее время подпрограммы научно-технического характера публикуются в основном на языке Си.
Пакеты программ. Пакетом программ называют комплекс программ для решения серийных задач в конкретной области наук и техники. Пакет прикладных программ (ППП), частный случай пакетов, – это система взаимосвязанных программ и средств организации процесса вычислений. При помощи этих средств, в рамках реализованной в пакете стратегии организации вычислений, автоматически генерируется цепочка прикладных вычислительных программ для проведения конкретного вычислительного эксперимента. Примером ППП может служить пакет САФРА (Система Автоматизации Физических Расчетов), разработанный в ИПМ им. М.В. Келдыша РАН для решения класса задач математической физики. Программы, создаваемые при помощи пакета САФРА, используют программы из архивного фонда пакета, содержащего более тысячи программ. Системная часть пакета обеспечивает подбор оптимальной последовательности программ для решения общей задачи.
Наиболее простой и широко используемый метод оптимизации программ пакета заключается в параметризации характеристик вычислителей и использовании этих данных на уровне трансляции приложений.
Другим способом оптимизации программ пакета является разработка кодового генератора. Основой такой технологии является возможность генерации нескольких вариантов объектного кода, а адаптация пакета заключается в определении его наилучшей версии для конкретной архитектуры ЭВМ и может производиться с учетом времени счета эталонных задач.
Библиотеки программ. Данный вид математического обеспечения состоят из набора пакетов программ (пакет пакетов), предназначенных для решения широкого круга задач, например задач численного анализа, математической статистики и др. Прототипами библиотек можно считать программы общего назначения, поставляемые производителями ЭВМ для своих машин.
Системы математического обеспечения. Система математического обеспечения – это библиотека программ широкого назначения с проблемно-ориентированным языком, обеспечивающим дружественный интерфейс с пользователями.
Одной из старейших систем математического обеспечения ЭВМ является MATLAB. В расчетах допускается использования таких мощных типов данных, как многомерные массивы чисел, символов, структур, задаваемых пользователями. Пакет MATLAB работает на большинстве современных операционных систем, включая Linux, Mac OS и Windows.
MATLAB предоставляет пользователю большое количество (несколько сотен) функций для анализа данных, покрывающие практически все области математики, в частности:
- Матрицы и линейная алгебра – алгебра матриц, линейные уравнения, собственные значения и векторы, сингулярности, факторизация матриц и другие.
- Многочлены и интерполяция – корни многочленов, операции над многочленами и их дифференцирование, интерполяция и экстраполяция кривых и другие.
- Математическая статистика и анализ данных – статистические функции, статистическая регрессия, цифровая фильтрация, быстрое преобразование Фурье и другие.
- Обработка данных – набор специальных функций, включая построение графиков, оптимизацию, поиск нулей, численное интегрирование (в квадратурах) и другие.
- Дифференциальные уравнения – решение дифференциальных и дифференциально-алгебраических уравнений, дифференциальных уравнений с запаздыванием, уравнений с ограничениями, уравнений в частных производных и другие.
- Разреженные матрицы – специальный класс данных пакета MATLAB, использующийся в специализированных приложениях.
- Целочисленная арифметика – выполнение операций целочисленной арифметики в среде MATLAB.
MATLAB предоставляет удобные средства для разработки алгоритмов, включая высокоуровневые с использованием концепций объектно-ориентированного программирования. В нём имеются все необходимые средства интегрированной среды разработки, включая отладчик и профайлер. Функции для работы с целыми типами данных облегчают создание алгоритмов для микроконтроллеров и других приложений, где это необходимо.
В составе пакета MATLAB имеется большое количество функций для построения графиков, в том числе трёхмерных, визуального анализа данных и создания анимированных роликов.
Встроенная среда разработки позволяет создавать графические интерфейсы пользователя с различными элементами управления, такими как кнопки, поля ввода и другими.
Математические библиотеки в прикладном программировании. Прогресс технологии производства оборудования ЭВМ значительно опережает темпы роста производства программного обеспечения. В программировании не известен аналог закона Мура – удвоение производительности ЭВМ каждые полтора года. Поэтому очень велико значение систем математического обеспечения как элемента индустриальной технологии производства программ приложений.
Современное математическое обеспечение, кроме программ элементарных математических функций для вычисления синусов и логарифмов и др., содержит обширный набор стандартных программ для реализации массовых вычислительных алгоритмов. Техника сборки программы из готовых вычислительных компонент снижает трудоемкость программирования приложений. Значительное усложнение программирования из-за появления многопроцессорных кластеров и графических процессоров повышает роль такой техники. Для программирования библиотечных программ можно привлекать узких специалистов в прикладных областях и обеспечивать очень высокую эффективность реализации.
Одним из главных критериев качества математического обеспечения считается надежность вычислений, которая обеспечивается, в частности, сертификацией библиотечных программ.
Список использованной литературы
- Банк лекций [Электронный ресурс]. – URL: https://siblec.ru/
- Бройдо, В. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. – СПб.: Питер, 2011. – 560 c.
- Гусева, А.И. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: Учебник. – М.: Academia, 2016. – 640 c.
- Емельянов, С.В. Информационные технологии и вычислительные системы. – М.: Ленанд, 2015. – 96 c.
- Ершова, Н.Ю. Организация вычислительных систем. – М.: Интернет-Университет Информационных Технологий, 2006. – 343 с.
- Замятина, О.М. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации, моделирование сетей. Учебное пособие для магистратуры. – Люберцы: Юрайт, 2016. – 159 c.
- Информационные технологии и вычислительные системы: Обработка информации и анализ данных. Программная инженерия. Математическое моделирование. Прикладные аспекты информатики / Под ред. С.В. Емельянова. – М.: Ленанд, 2015. – 104 c.
- Мелехин, В.Ф. Вычислительные машины, системы и сети. – М.: Academia, 2017. – 304 c.
- Пятибратов, А.П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: Учебник. – М.: ФиС, Инфра-М, 2008. – 736 c.
- Рождествина, А.А. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации (для бакалавров). – М.: КноРус, 2013. – 376 c.
- Сенкевич, А.В. Архитектура ЭВМ и вычислительные системы: Учебник. – М.: Academia, 2018. – 320 c.
- Шевченко, В.П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации (для бакалавров). – М.: КноРус, 2014. – 224 c.