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

ВВЕДЕНИЕ

Курсовая работа посвящена изучению состава и свойства вычислительных систем и информационному и математическому обеспечению вычислительных систем.

Актуальность рассматриваемой темы продиктована необходимостью более тщательного изучения структуры вычислительных систем.

Целью работы является изучение вычислительных системы, ее структуры, свойства, а аппаратного, программного, информационного и математического обеспечения.

Исходя из поставленной цели, мной были сформулированы следующие задачи:

1. Разобрать понятие вычислительной системы.

2. Обозначить предпосылки ее появления.

3. Дать классификацию ВС.

4. Изучить ее структуру и свойства.

5. Описать варианты обеспечения ВС.

Предметом изучения являются вычислительные системы.

По структуре курсовая работа состоит из введения, двух глав, заключения и списка использованной литературы.

При написании работы были использованы на известные учебники и учебные пособия в предметной области такие, как: «Информатика Базовый курс» под редакцией С.В. Симоновича; учебник Храпского С. Ф. «Вычислительные системы, сети и телекоммуникации»; учебное пособие Попова Ф.А. «Вычислительные машины: общие принципы построения и архитектуры»; Каган В.М. «Электронные вычислительные машины и системы» и другие.

Глава 1.Общая характеристика вычислительных систем

1.1 Понятие и определение вычислительных систем

Появившись позднее понятия «вычислительная машина», термин «вычислительная система» (ВС) имеет большое количество различных определений. Например: «набор устройств автоматической или автоматизированной обработки информации», «одиночная вычислительная машина (компьютер) с ее программным обеспечением и внешним (периферийным) оборудованием», «совокупность нескольких взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или вычислительных машин (компьютеров), организованная для совместного выполнения процессов обработки информации». Формальное отличие вычислительной системы от вычислительной машины состоит в количестве процессоров или машин. ^[1]

---

Появление первого поколения электронно-вычислительных машин (ЭВМ) датировано 50-ми годами XX века. Процесс работы был очень трудоемок и требовал высокого профессионализма специалистов, работающих с ними. В 60-х годах 20 века появились ЭВМ III поколения. В это время произошел переход на интегральные микросхемы. Появился термин «вычислительная система». Это явление послужило началом новых технических решений:

1. Разделение процессов обработки информации, и ее ввода-вывода.

2.Множественный доступ к вычислительным ресурсам.

3.Коллективное использование вычислительных ресурсов в пространстве и во времени.

4. Появление многопользовательской и многопрограммной обработки.

Таким образом, вычислительная система (ВС) — это совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного обо­рудования и программного обеспечения, предназначенная для сбо­ра, хранения, обработки и распределения информации.^[2]

Создание вычислительных систем преследует следующие основные цели:

1.Повышение производительности системы за счет ускорения
процессов обработки данных.

2. Повышение надежности и достоверности вычислений

3.Предоставление пользователям дополнительных сервисных ус­луг.

Основной особенностью вычислительной системы является наличие в ней нескольких вычислителей, которые реализуют параллельную обработку. Это повышает быстродействие, надежность и достоверность функционирования системы.^[3]

1.2 Структура и классификация вычислительных систем

Структура ВС – это есть совокупность комплексируемых элементов и их связей, где элементами являются отдельные ЭВМ и процессоры.

Существует несколько признаков, по которым проводят классификацию вычислительных систем. Например, по типам и числу ЭВМ или процессоров, по целевому назначению и выполняемым функциям, по режимам работы, по методам управления элементами системы, по архитектуре системы. Основными же выделяют признаки структурной и функциональной организации вычислительной системы.

Так, по назначению вычислительные системы делят на универсальные и специализированные и проблемно-ориентированные.

Универсальные ВМ и ВС предназначены для решения самых разнообразных научных, инженерно-технических, экономических, информационных и других задач. Этот класс ВС является наиболее распространенным. Характерными чертами таких вычислительных систем являются:

---

• высокая производительность;
• разнообразие форм обрабатываемых данных (двоичных, десятичных, символьных) при большом диапазоне их изменения и высокой точности их представления;
• обширная номенклатура выполняемых операций (как арифметических и логических, так и специальных);
• большая емкость оперативной памяти;
• развитая организация подсистем ввода/вывода информации, обеспечивающая подключение разнообразных видов внешних устройств.

Специализированные ВМ и ВС предназначены для решения определенного узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности работы. К специализированным ВМ можно отнести, например, программируемые микропроцессоры специального назначения; адаптеры и контроллеры, выполняющие логические функции управления отдельными несложными техническими устройствами, агрегатами и процессами; устройства согласования и сопряжения работы узлов вычислительных систем. Специализация ВС может устанавливаться различными средствами: • во-первых, сама структура системы (количество параллельно работающих элементов, связи между ними и т.д.) может быть ориентирована на определенные виды обработки информации: матричные вычисления, решение алгебраических, дифференциальных и интегральных уравнений и т.п.; • во-вторых, специализация ВС может закладываться включением в их состав специального оборудования и специальных пакетов обслуживания техники.

Проблемно-ориентированные ВМ и ВС предназначены для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по сравнительно несложным алгоритмам. Они обладают ограниченными (по сравнению с универсальными ВМ и ВС), аппаратными и программными ресурсами.^[4]

По типу вычислительные системы можно разделить на многомашинные и многопроцессорные.

Рис 1. а) многомашинные комплексы; б) многопроцессорные системы.

Многопроцессорные имеют общую оперативную память. Работа общей оперативной памяти и процессора обеспечивается общей операционной системой.

Многомашинные имеют два возможных варианта:

---

1. Обе машины решают одну и ту же задачу и периодически сверяют результаты решения.

2.Обе машины работают параллельно, но обрабатывают собственные  потоки заданий. 

По типу ЭВМ или процессоров, использующихся в построении ВС, существуют однородные и неоднородные системы.

Однородные системы предполагают комплексирование однотипных ЭВМ (процессоров). В них значительно упрощается разработка и обслуживание технических и программных средств и обеспечивается возможность стандартизации и унификации соединений и процедур взаимодействия элементов системы. Упрощается обслуживание систем, облегчается модернизация и их развитие.

В неоднородных ВС комплексируемые элементы сильно отличаются по техническим и функциональным характеристикам. Чаще всго это связывают с необходимостью параллельного выполнения многофункциональной обработки.

По методам управления элементами ВС различают централизованные, децентрализованные и со смешанным управлением. Помимо параллельных вычислений, производимых элементами системы, необходимо выделять ресурсы на обеспечение управления этими вычислениями. В централизованных ВС за это отвечает главная, или диспетчерская, ЭВМ (процессор). Ее задачей является распределение нагрузки между элементами, выделение ресурсов, контроль состояния ресурсов, координация взаимодействия. Централизованный орган управления в системе может быть жестко фиксирован, или эти функции могут передаваться другой ЭВМ (процессору), что способствует повышению надежности системы. Централизованные системы имеют более простые ОС. В децентрализованных системах функции управления распределены между ее элементами. Каждая ЭВМ (процессор) системы сохраняет известную автономию, а необходимое взаимодействие между элементами устанавливается по специальным наборам сигналов. С развитием ВС и, в частности, сетей ЭВМ интерес к децентрализованным системам постоянно растет. В системах со смешанным управлением совмещаются процедуры централизованного и децентрализованного управления. Перераспределение функций осуществляется в ходе вычислительного процесса, исходя из сложившейся ситуации.

По принципу закрепления вычислительных функций за отдельными ЭВМ (процессорами) различают системы с жестким и плавающим закреплением функций. В зависимости от типа ВС следует решать задачи статического или динамического размещения программных модулей и массивов данных, обеспечивая необходимую гибкость системы и надежность ее функционирования.

---

Различают также Программируемые системы и системы на «жесткой логике». Схема на «жесткой логике» - традиционная вычислительная система, особенность которой состоит в том, что алгоритмы обработки и хранения информации в ней жестко связаны со схемотехникой системы. Любая система на "жесткой логике" обязательно представляет собой специализированную систему, настроенную исключительно на одну задачу или (реже) на несколько близких, заранее известных задач.

Программируемые (универсальные) системы – универсальная вычислительная система, которая может адаптироваться под любую задачу, перестраиваться с одного алгоритма работы на другой без изменения аппаратуры.^[5]

ВС также могут классифицироваться по режиму работы, то есть по режиму обмена информацией по системной магистрали (шине). Практически любая развитая вычислительная (микропроцессорная) система поддерживает три основных режима обмена по системной магистрали:

• программный обмен информацией;
• обмен с использованием прерываний (Interrupts);
• обмен с использованием прямого доступа к памяти (ПДП, DMA –

Direct Memory Access).5

Наибольший интерес у исследователей всех рангов (проектировщиков, аналитиков и пользователей) вызывают структурные признаки ВС. От того, насколько структура ВС соответствует структуре решаемых на этой системе задач, зависит эффективность применения ЭВМ в целом. Структурные признаки, в свою очередь, отличаются многообразием: топология управляющих и информационных связей между элементами системы, способность системы к перестройке и перераспределению функций, иерархия уровней взаимодействия элементов. В наибольшей степени структурные характеристики определяются архитектурой системы.

Под архитектурой ВМ будем понимать совокупность ее основных функциональных блоков и схем их взаимодействия, определяющих функционально-логическую и структурную организацию вычислительной машины. Понятие архитектуры охватывает наиболее существенные принципы построения и функционирования ВМ. Фундаментальные основы структурной организации ВМ базируются на классических принципах, ключевой идеей которых является хранение в памяти вычислительной машины исполняемой ею программы. ^[6]

В отчете «Предварительное обсуждение логической конструкции электронной вычислительной машины», подготовленном в 1946 г. фон Нейманом были изложены основные принципы логической структуры ЭВМ (компьютера фон Неймана): двоичного кодирования, программного управления, однородности памяти, адресности.

---