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

Введение

От момента создания до сегодняшнего дня вычислительные машины прошли путь стремительного развития и преобразования. За короткий промежуток времени сменилось уже несколько поколений электронных вычислительных машин.

Вычислительная система – это совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или электронных вычислительных машин (далее ЭВМ), периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенная для сбора, хранения, обработки и распределения информации.

Вычислительные системы создаются с целью повышения производительности системы за счет ускорения процессов обработки данных; повышения надежности и достоверности вычислений; предоставления пользователям дополнительных сервисных услуг.

Актуальность выбранной темы связана со стремительным развитием науки. Суперкомпьютеры необходимы для электро- и гидродинамики, сейсморазведки и прогноза погоды, моделирования химических соединений, исследования виртуальной реальности и других областей науки, где используется каждая возможность ускорить выполнение программ.

Основная тенденция развития вычислительных систем – это рост производительности и интеллектуальности вычислительных средств. Наиболее перспективным направлением увеличения скорости решения прикладных задач является внедрение идей параллелизма в работу вычислительных систем.

Одним из приоритетов государственной политики России на современном этапе развития является развитие суперкомпьютерных технологий. Такие технологии являются основой для развития перспективных технологий, таких как биотехнологии, нанотехнологии, решения для энергетики будущего и т.п. Также с помощью суперкомпьютеров создаются современные изделия высокой сложности (аэрокосмическая техника, суда, энергетические блоки электростанций различных типов).

Таким образом, суперкомпьютерные технологии выступают в качестве важнейшего фактора обеспечения конкурентоспособности экономики страны.

Объектом исследования данной курсовой работы являются вычислительные системы.

Предмет исследования: состав и свойства вычислительных систем, их информационное и математическое обеспечение.

Цель курсовой работы заключается изучении вычислительных систем и определения направления их дальнейшего развития.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• изучить понятие вычислительных систем, цели их создания, основные виды;
• изучить состав вычислительных систем, их информационное и математическое обеспечение;
• определить направления развития вычислительных систем.

При написании курсовой работы были использованы учебники и учебные пособия по технологиям программирования.

1 Вычислительные системы И ИХ МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Понятие вычислительных систем, их виды

Вычислительная система – это совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или электронных вычислительных машин (далее ЭВМ), периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенная для сбора, хранения, обработки и распределения информации [1].

Различают два основных типа вычислительных систем: системы, построенные на основе целых компьютеров, называются многомашинными, а на отдельных процессорах – многопроцессорными [1].

Цели создания вычислительных систем приведены на рисунке 1.

Рисунок 1 – Цели создания вычислительных систем

Вычислительные системы отличаются от классических ЭВМ тем, что в них присутствуют несколько вычислителей, которые обеспечивают параллельную обработку информации. Благодаря этому существенно повышается быстродействие системы [12].

Также повышается уровень надежности, так как в случае выхода из строя одного компонента системы, его функции передаются другому. Еще одним преимуществом вычислительных систем является высокий уровень достоверности вычислений, так как операции могут дублироваться, что позволяет сравнить результаты их выполнения.

Однако параллелизм в вычислениях приводит к усложнению управления вычислительным процессом, использованию технических и программных ресурсов. Поэтому эти функции выполняет операционная система вычислительных систем [8].

Виды вычислительных систем приведены на рисунках 2 и 3 [8].

Рисунок 2 – Виды вычислительных систем

Рисунок 3 – Виды вычислительных систем

Многомашинная вычислительная система получила широкое распространение. В такой системе имеется несколько процессоров, которые не имеют общей оперативной памяти (каждый процессор имеет свою локальную память).

Каждый компьютер имеет классическую архитектуру. Эффект от применения многомашинной вычислительной системы может быть получен только при решении задач, имеющих специальную структуру: задача должна разбиваться на столько подзадач, сколько компьютеров в системе 5].

В многомашинных вычислительных системах каждый компьютер работает под управлением своей операционной системы. Так как обмен информацией между компьютерами управляется разными операционными системами, происходит ухудшение, динамические характеристики процедур обмена несколько ухудшаются [5].

Информационное взаимодействие компьютеров в многомашинной вычислительной системе может быть организовано на уровне:

• процессоров: взаимодействие процессоров реализуется через регистры процессорной памяти и требует наличия в операционных системах специальных программ;
• оперативной памяти: взаимодействие на уровне оперативной памяти заключается в программной реализации общего поля оперативной памяти, что также требует модификации операционных систем;
• каналов связи: наиболее простой способ взаимодействия, реализуется с помощью внешних по отношению к ОС программам-драйверов, которые обеспечивают доступ от каналов связи одной машины к внешним устройствам других (формируется общее поле внешней памяти и общий доступ к устройствам ввода-вывода).

Схема взаимодействия компьютеров в двухмашинной вычислительной системе приведена на рисунке 4 [1].

Из-за сложности организации информационного взаимодействия на двух первых уровнях в многомашинных вычислительных системах обычно используется третий уровень, несмотря на то, что при этом быстродействие и надежность системы при этом снижается [1].

ОС 1

ОС 2

Процессор 1

Процессор 2

Оперативная память 1

Оперативная память 2

Каналы связи 1

Каналы связи 2

Внешние устройства 1

Внешние устройства 2

Уровень 1

Уровень 2

Уровень 3

Рисунок 4 – Схема взаимодействия
компьютеров в двухмашинной вычислительной системе

Состав вычислительных систем

Состав вычислительной системы называется конфигурация. Различают аппаратную и программную конфигурации вычислительных систем.

К аппаратной конфигурации относят устройства и приборы, которые в зависимости от способа расположения устройств относительно центрального процессорного устройства делятся на два вида: внешние и внутренние [5].

К внешним устройствам относят устройства ввода-вывода данных, а также устройства, предназначенные для длительного хранения данных. Для согласования отдельных узлов и блоков используются переходные аппаратно-логические устройства (аппаратный интерфейс). Стандарты на аппаратные интерфейсы в вычислительной технике называют протоколами – это совокупность технических условий, которые должны быть обеспечены разработчиками устройств для успешного согласования их работы с другими устройствами.

Виды аппаратного интерфейса приведены на рисунке 5 [3].

Рисунок 5 – Виды аппаратного интерфейса

Аппаратное обеспечение неразрывно связано с программной конфигурацией. Под программами понимаются упорядоченные последовательности команд, целью которых является управление аппаратными средствами. В связи с этим раздельное рассмотрение программ и аппаратуры носит условный характер.

Между программами существует взаимосвязь: многие программы при работе опираются на программы более низкого уровня – т.е. существует межпрограммный интерфейс. Уровни программного обеспечения представляют собой пирамидальную конструкцию: каждый следующий уровень опирается на программное обеспечение предшествующих уровней (рисунок 6). Каждый вышележащий уровень повышает функциональность всей системы [5].

Базовое программное обеспечение отвечает за взаимодействие с базовыми аппаратными средствами. Базовые программы входят в состав базового оборудования и хранятся в специальных микросхемаха, называемых постоянными запоминающими устройствами (ПЗУ— Read Only Memory, ROM). Программы и данные записываются («прошиваются») в микросхемы ПЗУ на этапе производства и не могут быть изменены в процессе эксплуатации [8].

Рисунок 6 – Уровни программного обеспечения

В случае необходимости изменения базовых программных средств во время эксплуатации, вместо микросхем постоянных запоминающих устройств (ПЗУ) используются перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства. Изменение содержания ПЗУ можно выполнить непосредственно в составе вычислительной системы (флэш-технология) либо вне ее, на специальных устройствах (программаторах) [10].

Системный уровень является переходным. Программы этого уровня обеспечивают взаимодействие прочих программ компьютерной системы с программами базового уровня и с аппаратным обеспечением, а также влияют на эксплуатационные показатели всей вычислительной системы в целом.

Другой класс программ системного уровня отвечает за взаимодействие с пользователем (программы пользовательского интерфейса): позволяют вводить данные в вычислительную систему, управлять ее работой и получать результат в удобной форме [12].

Совокупность программного обеспечения системного уровня образует ядро операционной системы компьютера. Наличие ядра операционной системы является обязательным условием возможности практической работы человека с вычислительной системой.

Программное обеспечение служебного уровня взаимодействует с программами базового и системного уровня. Служебные программы (утилиты) обеспечивают автоматизацию работ по проверке, наладке и настройке компьютерной системы и используются для расширения или улучшения функций системных программ. Большинство служебных программ являются для операционной системы внешними и служат для расширения ее функций.

Разработка и эксплуатация служебных программ возможна двумя способами (рисунок 7) [13].

Рисунок 7 – Виды аппаратного интерфейса

Программы прикладного уровня являются комплексом прикладных программ, с помощью которых на рабочем месте выполняются конкретные задания. Между прикладным и системным программным обеспечением существует непосредственная взаимосвязь, поэтому универсальность вычислительной системы, доступность прикладного программного обеспечения и широта функциональных возможностей компьютера напрямую зависят от типа используемой операционной системы, от того, какие системные средства содержит ее ядро, как она обеспечивает взаимодействие триединого комплекса человек — программа — оборудование [12].

Важнейшие свойства архитектуры вычислительной системы приведены в таблице 1 [10].

Таблица 1 – Свойства архитектуры вычислительной системы