Файл: Вычислительные системы: состав и свойства.pdf

Редакторы трехмерной графики используют для создания трехмерных композиций. Они имеют две характерные особенности. Во-первых, они позволяют гибко управлять взаимодействием свойств поверхности изображаемых объектов со свойствами источников освещения и, во-вторых, позволяют создавать трехмерную анимацию. Поэтому редакторы трехмерной графики нередко называют также 3D-аниматорами (пример: 3DMark).

Системы управления базами данных. Базами данных называют огромные массивы данных, организованных в табличные структуры. Основными функциями систем управления базами данных являются: создание пустой структуры базы данных, предоставление средств ее заполнения или импорта данных из таблиц другой базы и обеспечение возможности доступа к данным, а также предоставление средств поиска и фильтрации (пример: MS Access).

Электронные таблицы. Электронные таблицы предоставляют комплексные средства для хранения различных типов данных и их обработки. В отличие от баз данных, которые обычно содержат широкий спектр типов данных (от числовых и текстовых, до мультимедийных), для электронных таблиц характерна повышенная сосредоточенность на числовых данных. Зато электронные таблицы предоставляют более широкий спектр методов для работы с данными числового типа. Основное свойство электронных таблиц состоит в том, что при изменении содержания любых ячеек таблицы может происходить автоматическое изменение содержания во всех прочих ячейках, связанных с измененными соотношением, заданным математическими или логическими выражениями, формулами (пример: MS Excel).

Системы автоматизированного проектирования (CAD-системы). Предназначены для автоматизации проектно-конструкторских работ. Применяются в машиностроении, приборостроении, архитектуре. Кроме чертежно-графических работ эти системы позволяют проводить простейшие расчеты (например, расчеты прочности деталей) и выбор готовых конструктивных элементов из обширных баз данных. Отличительная особенность CAD-систем состоит в автоматическом обеспечении на всех этапах проектирования технических условий, норм и правил (примеры: AutoCAD).

Настольные издательские системы. Назначение программ этого класса состоит в автоматизации процесса верстки полиграфических изданий. Этот класс занимает промежуточное положение между текстовыми процессорами и системами автоматизированного проектирования (пример: Adobe PageMaker).

Экспертные системы. Предназначены для анализа данных, содержащихся в базах знаний, и выдачи рекомендаций по запросу пользователя. Такие системы применяют в тех случаях, когда исходные данные хорошо формализуются, но для принятия решения требуются обширные специальные знания. Областями использования экспертных систем являются юриспруденция, медицина, фармакология, химия.

Редакторы HTML (Web-редакторы). Это класс редакторов, объединяющих в себе свойства текстовых и графических редакторов. Они предназначены для создания и редактирования Web-документов (Web-страниц интернета). Web-документы – это электронные документы, при подготовке которых следует учитывать ряд особенностей, связанных с приемом/передачей информации в Интернете (пример: MS FrontPage).

Браузеры (обозреватели, средства просмотра Web). К этой категории относятся программные средства, предназначенные для просмотра электронных документов, выполненных в формате HTML (документы этого формата используются в качестве Web-документов). Современные браузеры воспроизводят текст, графику, музыку, человеческую речь. Они могут обеспечивать прослушивание радиопередач в Интернете, просмотр видеоконференций, работу со службами электронной почты, с системой телеконференций (групп новостей) и многое другое (пример: Internet Explorer).

Интегрированные системы делопроизводства. Представляют собой программные средства автоматизации рабочего места руководителя. К основным функциям подобных систем относятся функции создания, редактирования и форматирования простейших документов, централизация функций электронной почты, факсимильной и телефонной связи, диспетчеризация и мониторинг документооборота предприятия, координация деятельности подразделений, оптимизация административно-хозяйственной деятельности и поставка по запросу оперативной и справочной информации.

Бухгалтерские системы. Это специализированные системы, сочетающие в себе функции текстовых и табличных редакторов, электронных таблиц и систем управления базами данных. Предназначены для автоматизации подготовки первичных бухгалтерских документов предприятия и их учета, для ведения счетов плана бухгалтерского учета, а также для автоматической подготовки регулярных отчетов по итогам производственной, хозяйственной и финансовой деятельности в форме, принятой для предоставления в налоговые органы, внебюджетные фонды и органы статистического учета.

Системы видеомонтажа. Предназначены для цифровой обработки видеоматериалов, их монтажа, создания видеоэффектов, устранения дефектов, наложения звука, титров и субтитров.

Одна из классификаций математического обеспечения предполагает деление его на следующие разделы: подпрограммы, пакеты программ, библиотеки программ, системы математического обеспечения [^[28]].

Подпрограммы – это наиболее известный и часто используемый раздел математического обеспечения. Он состоит из отдельных подпрограмм или программ, содержащих небольшой набор подпрограмм. Первые численные модели на ЭВМ программировались в двоичных кодах, эти подпрограммы были машинно-ориентированными. Мобильность подпрограмм — возможность их использования на различных ЭВМ появилась с внедрением универсальных языков программирования: ALGOL и FORTRAN. Другим эффектом внедрения алгоритмических языков высокого уровня было появление новой среды описания вычислительных алгоритмов, программа на таком языке может также служить формальным описанием алгоритма. Особенно ярко эта способность алгоритмического языка служить языком публикаций вычислительных алгоритмов проявилась у языка ALGOL-60. С 70-х годов описания вычислительных алгоритмов публикуются на FORTRAN из – за широкого распространения этого языка.

В настоящее время подпрограммы научно-технического характера публикуются в основном на языке Си. Язык FORTRAN сохраняет позиции как язык публикаций для описания вычислительных алгоритмов. Также известно, что тексты последовательных FORTRAN – программ удобнее для распараллеливания, чем тексты Си программ.

Пакеты программ. Пакетом программ называют комплекс программ для решения серийных задач в конкретной области наук и техники. Пакет прикладных программ (ППП) — 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.

Например, техника ППП широко используются в системах программирования, предназначенных для решения задач линейной алгебры. Базовым уровнем пакетов этого класса служит пакет BLAS (Basic Linear Algebra Subroutine), реализующий основные операции нижнего уровня вычислительной линейной алгебры. Он входит в состав всех пакетов и библиотек линейной алгебры, обеспечивая низкоуровневый интерфейс между программами широкого класса библиотек и ЭВМ различных архитектур. Этот пакет был разработан еще в 70 – е годы, поэтому возникла необходимость разработки методологии автоматической генерации высокоэффективных подпрограмм для современных вычислительных машин.

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. Эти технологии использовались в рамках проекта ATLAS (Automatically Tuned Linear Algebra Software) создание инструментальных систем разработки программного обеспечения для адаптации оптимального объектного кода пакета линейной алгебры на различные архитектуры ЭВМ.

Библиотеки программ. Данный вид математического обеспечения состоит из набора пакетов программ, 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.

К примеру, библиотека программ ANSYS заявлена как многоцелевая, конечно, элементная библиотека для проведения анализа в широкой области инженерных дисциплин (прочность, теплофизика, динамика жидкостей и газов и электромагнетизм). Она представляет собой набор свыше десяти специализированных пакетов, включая учебный. Пакеты сертифицированы по целому ряду международных стандартов, в том числе по стандартам Американской атомной промышленности и ГОСАТОМНАДЗОРа России.

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. Область применения MATLABа – это построение математических моделей и разработка алгоритмов, программирование и проведение вычислений, использование научной и технической графики для визуализации и анализа данных.

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 компонентов 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.

Библиотеки создаются как коммерческий продукт, причем, чем шире круг пользователей и, соответственно, более разнообразен диапазон удовлетворяемых запросов, тем выше цена продукта. Библиотечная программа для расширения области применения должна допускать широкую вариацию входных параметров, обеспечивать настройку на особенности исходных данных и аппаратной среды.

Наиболее впечатляющих успехов структуризация библиотечных программ достигла при программировании ППП для задач линейной алгебры. Особенностью данного класса задач является устойчивость большинства алгоритмов: эффективность вычислений зависит главным образом от особенностей размещения данных в памяти ЭВМ.

Иначе обстоит дело с программами других вычислительных алгоритмов, устойчивость которых зависит от значений чисел – входных параметров. Показателен классический пример Дж. Форсайта о проблеме выбора алгоритма для поиска корней квадратного уравнения при различных значениях коэффициентов [^[29]]. Для обеспечения эффективных и корректных вычислений вызов таких библиотечных программам должен сопровождаться заданием дополнительных параметров и указаний, например, о характере входных данных. Интеграция программ в пакетах прикладных программ требует согласования не только формальных и фактических параметров процедур, но также типов и видов таких дополнительных параметров. Поэтому формальная суперпозиция при построении цепочки вызовов библиотечных процедур с учетом и передачей только содержательных параметров будет недостаточно эффективна. Для выбора оптимального варианта цепочки вызовов программ нужен учет и согласование дополнительных неформальных признаков. Успех работы по построению оптимальной траектории вызовов процедур, выполняемых в ППП, зависит от уровня детализации неформальных характеристик процедур и алгоритмов их обработки.

Библиотеки, классифицируемые как системы математического обеспечения, например MATLAB, обеспечиваются интерфейсом с языками FORTRAN и Си. Но системы программирования для этих языков, встроенные в библиотеку, не могут соревноваться по качеству объектного кода с кодом, продуцированным отдельными независимыми компиляторами с этих универсальных языков. Наконец, приложения, получаемые при помощи данной среды программирования, не отчуждаемы от среды и поэтому также не мобильны.

Конечно, библиотеки допускают использование своих математических подпрограмм и пакетов из независимых FORTRAN и Си – систем программирования, однако наибольший эффект от использования библиотеки получается при погружении в ее среду приложения целиком.

Одним из главных критериев качества математического обеспечения считается надежность вычислений, которая обеспечивается, в частности, сертификацией библиотечных программ. Так как лицензия одной программы дешевле лицензии целой библиотеки, то на рынке математического обеспечения всегда будут востребованы пакеты программ, ориентированные под конкретные запросы пользователей.