Файл: Состав и свойства вычислительных систем. Информационное, математическое обеспечение вычислительных систем.pdf
Добавлен: 24.04.2023
Просмотров: 218
Скачиваний: 1
Согласно принципу двоичного кодирования, машина должна работать не в десятичной системе счисления (как механические арифмометры), а в двоичной (бинарной). Это означает, что программа и данные должны быть записаны в коде двоичной системы, где каждое число или символ представляется определенной комбинацией нулей и единиц.
В соответствии с принципом программного управления все вычисления, предусмотренные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов – команд. Команда осуществляет единичный акт преобразования информации; последовательность команд, необходимая для реализации алгоритма, является программой; все разновидности команд, использующиеся в конкретной ЭВМ, в совокупности являются языком машины или системой команд машины.
Согласно принципу однородности памяти команды, программа, которая управляет последовательностью выполнения операций, должна храниться в памяти машины. Там же должны храниться исходные данные и промежуточные результаты.
В соответствии с принципом адресности основная память структурно состоит из пронумерованных ячеек, причем процессору в произвольный момент доступна любая ячейка. Двоичные коды команд и данных разделяются на единицы информации, называемые словами, и хранятся в ячейках памяти, а для доступа к ним используются номера соответствующих ячеек – адреса.[7]
Таким образом, исходя из вышеперечисленных принципов, основа построения ВМ заключается в следующем:
1) в состав ВМ должны входить устройства арифметики, памяти, ввода-вывода информации, управления;
2) программа вычислений кодируется и хранится в памяти подобно числам;
3) для кодирования чисел и команд следует использовать двоичную систему счисления;
4) вычисления должны осуществляться автоматически на основе хранимой в памяти программы и операций над командами;
5) помимо арифметических операций вводятся также логические – сравнения, условного и безусловного перехода, конъюнкции, дизъюнкции, отрицания;
6) память строится по иерархическому принципу.
1.3. Состав и свойства вычислительных систем
Состав вычислительной системы называется конфигурацией. В конфигурацию вычислительных систем входят аппаратные и программные средства. Аппаратную и программную конфигурации принято рассматривать отдельно. Такой принцип разделения позволяет находить решение одних и тех же задач как аппаратными, так и программными средствами. Критериями же выбора того или иного решения являются производительность и эффективность.
Рис 2. Состав вычислительной системы.
Аппаратное обеспечение вычислительных систем – это устройства и приборы, образующие аппаратную конфигурацию.
По способу расположения центрального процессора различают внутренние и внешние устройства. К внутренним устройствам относятся:
1. Центральный процессор.
2. Оперативная память.
3.Устройства хранения информации.
4. Звуковая карта.
К внешним устройствам относятся:
1. Устройства ввода- вывода(клавиатура, манипулятор «мышь», принтер).
2.Сисмтемный блок.
3. Монитор.
4.Средства связи ( модем).
Современные компьютеры и вычислительные комплексы имеют блочно- модульную конструкцию. Такую аппраратную конфигурацию можно собирать из готовых узлов и блоков. Согласование между отдельными узлами и блоками выполняют с помощью аппаратных интерфейсов. [8]
По способу передачи данных аппаратные интерфейсы условно подразделяются на две группы:
1. Последовательные.
2. Параллельные.
Через последовательный интерфейс данные передаются последовательно, бит за битом. Их применяют для медленных устройств (например, для контрольных датчиков, малопроизводительных устройств связи), а таже в тех случаях, когда нет существенных ограничений по продолжительности обмена данными.
Параллельные интерфейсы имеют сложное устройство и обеспечивают более высокую производительность. Их применяют там, где нужна высокая скорость передачи данных. Например, для подключения принтеров, сканеров.
Таким образом, от аппаратного обеспечения зависит производительность и эффективность работы вычислительной системы.
Программное обеспечение представляет собой совокупность программ, управляющей работой компьютера и информационной системы. Состав программного обеспечения вычислительной системы называют программной конфигурацией.
По видам выполняемых функций программное обеспечание подразделяется на:
- Системное.
- Прикладное.
- Инструментальное.
Программное обеспечение распределяется на несколько взаимодействующих между собой уровней (Рис 3). Каждый следующий уровень опирается на программное обеспечение предшествующих уровней. Каждый вышележащий уровень повышает функциональность всей системы.[9]
Рис 3. Уровни програмного обеспечения вычислительной системы.
Базовое программное обеспечение является самым низким уровнем. Оно отвечает за взаимодействие с базовыми аппаратными средствами.
Системное программное обеспечение называют переходным. Программы, работающие на этом уровне, выполняют посреднические функции. Они обеспечивают взаимодействие других программ компьютерной системы с программами базового уровня с аппаратным обеспечением. От программного обеспечения этого уровня во многом зависят эксплуатационные показатели вычислительной системы в целом. Например, при подключении нового оборудования на системном уровне должна быть установлена программа, обеспечивающая для других программ взаимосвязь с этим оборудованием.
Программы системного уровня отвечают за взаимодействие с пользователем. Благодаря этим программам пользователь получает возможность вводить данные в вычислительную систему, управлять ее работой и получать результат в удобной для себя форме. Данные программы называются средствами обеспечения пользовательского интерфейса. От них напрямую зависит удобство работы с компьютером и производительность труда на рабочем месте.
Совокупность программного обеспечения системного уровня образует ядро операционной системы компьютера. Если компьютер оснащен программным обеспечением системного уровня, то он подготовлен к установке программ более высоких уровней, к взаимодействию программных средств с оборудованием и к взаимодействию с пользователем.
Программное обеспечение служебного уровня взаимодействует с программами базового уровня и с программами системного уровня. Основное назначение служебных программ состоит из автоматизации работ по проверке, наладке и настройке компьютерной системы.
Программное обеспечение прикладного уровня представляет собой комплекс прикладных программ, с помощью которых на рабочем месте выполняются конкретные задания. Это могут быть задания от производственных до творческих и развлекательно - обучающих.[10]
Для достижения максимальной универсальности и упрощения протоколов обмена информацией в вычислительных системах применяется так называемая шинная структура связей между отдельными устройствами, входящими в систему.
При классической структуре связей все сигналы и коды между устройствами передаются по отдельным линиям связи. Каждое устройство, входящее в систему, передает свои сигналы и коды независимо от других устройств. При этом в системе получается очень много линий связи и разных протоколов обмена информацией.
При шинной структуре связей все сигналы между устройствами передаются по одним и тем же линиям связи, но в разное время (это называется мультиплексированной передачей). Причем передача по всем линиям связи может осуществляться в обоих направлениях (так называемая двунаправленная передача). В результате количество линий связи существенно сокращается, а правила обмена (протоколы) упрощаются.[11]
Рис 4. Классическая структура связей и шинная структура связей.
Таким образом, все устройства, а именно: процессор, память (в том числе оперативная), устройства ввода и вывода, - объединяются системной шиной, которая служит для пересылки потоков информации в нужном направлении.
Глава 2. Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем.
Наряду с аппаратным и программным обеспечением средств вычислительной техники в некоторых случаях целесообразно рассматривать информационное обеспечение, под которым понимают совокупность программ и предварительно подготовленных данных, необходимых для работы данных программ.
Примером может служить система автоматической проверки орфографии в редактируемом тексте. Ее работа заключается в том, что лексические единицы исходного текста сравниваются с заранее заготовленным эталонным массивом данных (словарем). В данном случае для успешной работы системы необходимо иметь кроме аппаратного и программного обеспечения специальные наборы словарей, подключаемые извне. Это пример информационного обеспечения вычислительной техники.[12]
Совокупность программного и информационного обеспечения называют
математическим обеспечением.
Появление математического обеспечения было вызвано необходимостью повышения производительности труда программистов и специалистов, эксплуатирующих ЭВМ. Запись алгоритма в виде последовательности команд вычислительной машины – есть трудоемкий процесс. Первым шагом к автоматизации этого процесса стало создание математического обеспечения, позволяющего программировать на автокоде. Программа на автокоде по существу является той же последовательность команд ЭВМ, но записанных символическими обозначениями – в мнемоническом виде. [13]
Следующим этапом автоматизации программирования было создание алгоритмических языков высокого уровня. Языки программирования высокого уровня значительно ближе и понятнее человеку, нежели компьютеру. Особенности конкретных компьютерных архитектур в них не учитываются, поэтому создаваемые программы на уровне исходных текстов легко переносимы на другие платформы, для которых создан транслятор этого языка.
Языками программирования высокого уровня являются: Fortran (Фортран), Cobol (Кобол), Algol (Алгол), Pascal (Паскаль), Basic (Бейсик), С (Си), C++ (Си++), Java (Джава, Ява).
Fortran (Фортран). Это первый компилируемый язык, созданный Джи-
мом Бэкусом в 50-е годы. Программисты, разрабатывавшие программы исключительно на ассемблере, выражали серьезное сомнение в возможности появления высокопроизводительного языка высокого уровня, поэтому основным критерием при разработке компиляторов Фортрана являлась эффективность исполняемого кода. Хотя в Фортране впервые был реализован ряд важнейших понятий программирования, удобство создания программ было принесено в жертву возможности получения эффективного машинного кода. Однако для этого языка было создано огромное количество библиотек, начиная от статистических комплексов и кончая пакетами управления спутниками, поэтому Фортран продолжает активно использоваться во многих организациях, а сейчас ведутся работы над очередным стандартом Фортрана F2k, который появится в 2000 году.
Имеется стандартная версия Фортрана HPF (High Performance Fortran) для параллельных суперкомпьютеров со множеством процессоров.
Cobol (Кобол). Это компилируемый язык для применения в экономической области и решения бизнес-задач, разработанный в начале 60-х годов. Он
отличается большой «многословностью» — его операторы иногда выглядят как обычные английские фразы. В Коболе были реализованы очень мощные средства работы с большими объемами данных, хранящимися на различных внешних носителях. На этом языке создано очень много приложений, которые активно эксплуатируются и сегодня. Достаточно сказать, что наибольшую зарплату в США получают программисты на Коболе.
Algol (Алгол). Компилируемый язык, созданный в 1960 году. Он был
призван заменить Фортран, но из-за более сложной структуры не получил широкого распространения. В1968 году была создана версия Алгол 68, по своим возможностям и сегодня опережающая многие языки программирования, однако из-за отсутствия достаточно эффективных компьютеров для нее не удалось своевременно создать хорошие компиляторы.