Файл: Состав и свойства вычислительных систем. Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем (Состав и свойства вычислительной системы).pdf

1) Принцип однородности памяти. Команды и данные хранятся в одной и той же памяти и внешне неразличимы в памяти. Они могут быть распознаны только методом использования, т. Е. Одно и то же значение в ячейке памяти может использоваться как данные, как команда и как адрес, в зависимости только от способа доступа к нему. Это позволяет выполнять те же операции над командами, что и над числами, и, соответственно, открывает ряд возможностей. Итак, циклически изменяя адресную часть команды, вы можете предоставить доступ к последовательным элементам массива данных. Эта техника называется модификацией команд и не приветствуется с точки зрения современного программирования. Более полезным является другое следствие принципа однородности, когда команды одной программы могут быть получены в результате выполнения другой программы. Эта функция является основой перевода - перевод программного текста с языка высокого уровня на язык конкретного компьютера.

2) Принцип таргетирования. Конструктивно основная память состоит из пронумерованных ячеек, и любая ячейка доступна для процессора в любое время. Двоичные коды команд и данных делятся на единицы информации, называемые словами, и хранятся в ячейках памяти, а номера соответствующих ячеек - адресов - используются для доступа к ним [42].

3) Принцип управления программой. Все расчеты, предусмотренные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов - команд. Каждая команда предписывает конкретную операцию из набора операций, выполняемых компьютером. Программные инструкции хранятся в последовательных ячейках памяти компьютера и выполняются в естественной последовательности, то есть в том порядке, в котором они расположены в программе. При необходимости, используя специальные команды, эту последовательность можно изменить. Решение об изменении порядка выполнения программных инструкций принимается либо на основе анализа результатов предыдущих расчетов, либо безоговорочно [42].

4) Принцип двоичного кодирования [31]. Согласно этому принципу вся информация (как данные, так и команды) кодируется двоичными цифрами 0 и 1. Каждый тип информации представлен двоичной последовательностью и имеет свой собственный формат. Последовательность битов в формате, который имеет смысл, называется полем. В числовой информации обычно различают поле знака и поле значащих цифр. В формате команды можно различить два поля: поле кода операции и поле адреса.

---

Большим преимуществом архитектуры Фон Неймана является ее простота, поэтому эта концепция легла в основу большинства компьютеров общего назначения. Однако совместное использование шины для памяти программ и данных приводит к так называемому узкому месту архитектуры фон Неймана. Термин «узкое место архитектуры фон Неймана» был введен Джоном Бакусом в 1977 году в его лекции «Может ли программирование быть свободным от стиля фон Неймана?», Который он прочитал, вручая ему премию Тьюринга [33].

Архитектура Фон Неймана - не единственный вариант построения компьютеров; Есть другие, которые не соответствуют этим принципам (например, потоковые машины). Однако подавляющее большинство современных компьютеров основано на этих принципах, включая сложные многопроцессорные системы, которые можно рассматривать как комбинацию машин фон Неймана.

1.2. Программное обеспечение

Программа – это упорядоченная последовательность команд [7]. Конечная цель любой компьютерной программы - управление оборудованием.

Программное и аппаратное обеспечение работают в непрерывной коммуникации и в постоянном взаимодействии [35]. Состав программного обеспечения вычислительной системы называется конфигурацией программного обеспечения. Существует связь между программами, а также между физическими узлами и блоками - многие программы работают на основе других программ более низкого уровня, то есть мы можем говорить о межпрограммном интерфейсе. Такой интерфейс основан на соответствующих технических спецификациях и протоколах взаимодействия. На практике это обеспечивается распределением программного обеспечения на несколько взаимодействующих уровней.

Существует 4 уровня компьютерного программного обеспечения [45]: базовый, системный, сервисный и прикладной, которые образуют пирамидальную конструкцию.

Базовый уровень. Это самый низкий уровень программного обеспечения. Этот уровень обеспечивает совместимость с базовым оборудованием.

Как правило, базовые программные средства являются частью базового оборудования и хранятся в специальных микросхемах, называемых ПЗУ только для чтения или ПЗУ (ReadOnlyMemory). Соответствующие программы и данные записываются («вспыхивают») в микросхемы ПЗУ на этапе производства и не могут быть изменены во время работы.

В тех случаях, когда изменение базового программного обеспечения во время работы технически осуществимо, вместо микросхем ПЗУ используются перепрограммируемые запоминающие устройства только для чтения EPROM (EPROM - ErasableandProgrammableReadOnlyMemory). В этом случае изменение содержимого может быть выполнено непосредственно как часть компьютерной системы (технология флэш-памяти) или снаружи на специальных устройствах (программистах).

---

Уровень системы является переходным [40]. Программы, работающие на этом уровне, выполняют «посреднические» функции, обеспечивая взаимодействие программ других компьютерных систем с базовыми программами и непосредственно с аппаратным обеспечением.

Эксплуатационные характеристики вычислительной системы зависят от программного обеспечения на этом уровне [35]. Так, например, при подключении нового оборудования на системном уровне должна быть установлена ​​программа, которая обеспечивает связь с этим оборудованием для других программ. Программы, которые взаимодействуют с конкретными устройствами, называются драйверами устройств.

Другие программы системного уровня отвечают за взаимодействие с пользователем. Благодаря им он получает возможность вводить данные в компьютерную систему, управлять ее работой и получать результат в удобной форме. Эти программные инструменты называются инструментами пользовательского интерфейса. От них напрямую зависит удобство работы с компьютером и производительность труда на рабочем месте.

Комбинация программного обеспечения системного уровня формирует ядро ​​операционной системы [46]. Если компьютер оснащен программным обеспечением системного уровня, то он подготовлен для установки программ более высокого уровня, для взаимодействия программного обеспечения с оборудованием и для взаимодействия с пользователем. Наличие ядра операционной системы является обязательным условием возможности практической работы человека с компьютерной системой.

Уровень обслуживания [35]. Программы этого уровня взаимодействуют с программами базового и системного уровня. Утилитами называются служебные программы, их основное назначение - автоматизировать работу по проверке и настройке компьютерной системы. Часто они используются для расширения или улучшения функций утилит.

Операционные утилиты делятся на две области: интеграция с операционной системой и автономное функционирование. В первом случае служебные программы включаются в операционную систему для изменения потребительских свойств системных программ [35], что делает их более удобными для практической работы. Во втором случае они слабо связаны с системным программным обеспечением, но предоставляют пользователю больше возможностей для персонализации взаимодействия с аппаратным и программным обеспечением. Примерами утилит являются архиваторы, файловые менеджеры, средства диагностики, мониторинга, средства связи [4].

---

Прикладной уровень. Программное обеспечение прикладного уровня – это набор прикладных программ, с помощью которых пользователь выполняет широкий спектр конкретных задач - от производства до творчества и развлечений [39]. Огромный функциональный спектр возможных приложений компьютерной техники обусловлен наличием прикладных программ для различных видов деятельности. Примерами прикладных программных средств являются текстовые и графические редакторы, системы управления базами данных, системы публикации, электронные таблицы, системы автоматизированного проектирования и многие другие.

Выводы к главе 1:

Электронно-вычислительная машина (сокращенно ЭВМ) - совокупность программного и аппаратного обеспечения, предназначенного для автоматической обработки информации, расчетов, автоматического управления. При этом основные функциональные элементы (логика, память, индикация и т.д.) выполнены на электронных элементах.

2. Информационное обеспечение

Информационное обеспечение является частью системы управления, которая представляет собой сбор данных о фактическом и возможном состоянии элементов производства и внешних условий для функционирования производственного процесса, а также о логике изменения и преобразования элементов производства [18].

При характеристике информации в системе управления различают две части:

1) Основные элементы информации (данных), которые могут быть присущи всем объектам определенного класса и различаются только в количественном отношении;

2) Схемы классификации ссылок, которые отражают логику изменений в производственном процессе и обосновывают направление преобразования информации (информационная модель) [18].

Они больше связаны со спецификой объекта. Это позволяет выделить два уровня характеристик информационной поддержки:

- элементал, т. е. совокупность данных, признаков, признаков [32];

- системный, то есть воспроизводящий взаимосвязи и зависимости между группами классификации информации, реализованные в виде информационных моделей.

Изучаются элементарные характеристики информации, состав информации, форма и виды носителей, их номенклатура. При характеристике информационной системы исследуются движение информационных потоков, их интенсивность и устойчивость, алгоритмы преобразования информации и схема рабочего процесса, соответствующие этим объективным условиям.

---

Совокупность информации, регистрируемой, передающейся и перерабатывающейся в системе управления, должна отражать все разнообразие фактических и возможных состояний, наблюдаемых и регулируемых системой управления.

Характеризуя информацию как предмет труда в процессе управления, необходимо учитывать ряд ее особенностей. Прежде всего, информация является предметом длительного труда. При использовании он не теряет своих потребительских свойств, хотя является частью готового продукта (управленческого решения), составляющего его сущность. Эта особенность информации предлагает определенную специфику ее формирования. Наибольший объем работ и затрат связан с первоначальным созданием информационных массивов - банков данных [6]. Впоследствии данные этих банков периодически обновляются, корректируются, но продолжают использоваться.

Поскольку содержимое банков данных может использоваться для разных подсистем и даже для различных объектов управления, они могут быть в значительной степени централизованы.

Информация относится к объектам особого вида еще и потому, что она способна к саморазвитию. Количественное накопление информации позволяет более четко установить тенденцию развития управляемого объекта и выявить новые взаимосвязи между отдельными классификационными группами информации. Это позволило в качестве одного из важнейших принципов построения информационной системы сформулировать получение максимальной производной с минимумом исходной информации.

Устаревание информации в некоторых случаях связано с потерей ее ценности для конкретных условий и целей, но ее можно омолодить и обрести ценность при изменении условий [15]. Даже ретроспективная информация как основа для анализа динамики сохраняет некоторую полезность.

Информация должна быть подготовлена ​​к использованию. В зависимости от степени его готовности можно выделить следующие:

- первичная информация в виде набора данных, показателей, описывающих отдельные аспекты процесса и его элементы;

- вторичная информация, прошедшая определенный заказ и классификацию для получения соответствующей производственной информации [24];

- информационные модели отдельных элементов и локальных процессов, описывающие статическое состояние объекта;

- информационные модели динамики, характеризующие изменение отдельных элементов и процессов;

- интегрированные информационные модели, которые описывают конкретные решения и имеют активную направленность.

---