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

Введение

В курсовой работе изложены состав и свойства вычислительных систем. Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем., включающей изучение структуры и общих свойств информации и информационных процессов, общих принципов построения вычислительных устройств, а также систем обработки, хранения и передачи информации. Представлены определения ключевых понятий и конкретные вопросы по теме курсовой работы.

1. Состав вычислительной системы

Существует большое количество признаков, по которым классифицируют вычислительные системы: по целевому назначению и выполняемым функциям, по типам и числу ЭВМ или процессоров, по архитектуре системы, режимам работы, методам управления элементами системы, степени разобщенности элементов вычислительной системы и др. Однако основными из них являются признаки структурной и функциональной организации вычислительной системы. 

По назначению вычислительные системы делят на универсальные и специализированные. Универсальные ВС предназначаются для решения самых различных задач. Специализированные системы ориентированы на решение узкого класса задач 

По типу вычислительные системы разделяются на многомашинные и многопроцессорные ВС. Многомашинные вычислительные системы (ММС) появились исторически первыми. Основные различия ММС заключаются, как правило, в организации связи и обмене информацией между ЭВМ комплекса. Каждая из них сохраняет возможность автономной работы и управляется собственной ОС. Любая другая подключаемая ЭВМ комплекса рассматривается как периферийное специальное оборудование. В зависимости от территориальной разобщенности ЭВМ и используемых средств сопряжения обеспечивается различная оперативность их информационного взаимодействия

Состав вычислительной системы называется конфигурацией. Аппаратные и программные средства вычислительной техники принято рассматривать отдельно. Это важно, так как часто решение одних и тех же задач может обеспечиваться как аппаратными, так и программными средствами. Критериями выбора аппаратного или программного решения являются производительность, эффективность и стоимость. Обычно ап­паратные решения оказываются дороже, а реализация программных решений требует более высокой квалификации персонала.

1.1 Аппаратное обеспечение

---

К аппаратному обеспечению вычислительных систем относятся устройства и приборы, образующие аппаратную конфигурацию. Современные компьютеры и вычислительные комплексы имеют блочно-модульную конструкцию — аппаратную конфигурацию, необходимую для исполнения конкретных видов работ, можно собирать из готовых узлов и блоков.

По способу расположения устройств относительно центрального процессорного устройства (ЦПУ— CentralProcessingUnit, CPU)различают внутренние и внешние устройства. Внешними, как правило, являются большинство устройств ввода- вывода данных (их также называют периферийными устройствами) и некоторые устройства, предназначенные для длительного хранения данных. 

Согласование между отдельными узлами и блоками выполняют с помощью переходных аппаратно-логических устройств, называемых аппаратными интерфейсами. Стандарты на аппаратные интерфейсы в вычислительной технике называют протоколами. Таким образом, протокол—это совокупность технических условий, которые должны быть обеспечены разработчиками устройств для успешного согласования их работы с другими устройствами. 

Многочисленные интерфейсы, присутствующие в архитектуре любой вычислительной системы, можно условно разделить на две большие группы: последовательные и параллельные. Через последовательный интерфейс данные передаются последовательно, бит за битом, а через параллельный — одновременно группами битов. Количество битов, участвующих в одной посылке, определяется разрядностью интерфейса, например, восьмиразрядные параллельные интерфейсы передают один байт (8 бит) за один цикл. 

Параллельные интерфейсы обычно имеют более сложное устройство, чем последовательные, но обеспечивают более высокую производительность. Их применяют там, где важна скорость передачи данных: для подключения печатающих устройств, устройств ввода графической информации, устройств записи данных на внешний носитель и т. п. Производительность параллельных интерфейсов измеряют бай- томи в секунду (байт/с; Кбайт/с; Мбайт/с).

Устройство последовательных интерфейсов проще; как правило, для них не надо синхронизировать работу передающего и принимающего устройства (поэтому их часто называют асинхронными интерфейсами). Первоначально пропускная способность последовательных интерфейсов была меньше, а коэффициент полезного действия — ниже. Из-за отсутствия синхронизации посылок полезные данные предваряют и завершают; посылками служебных данных, то есть на один байт полезных данных могут приходиться 1-3 служебных бита (состав и структуру посылки определяет конкретный протокол). 

---

Поскольку обмен данными через последовательные устройства производится не байтами, а битами, их производительность измеряют битами в секунду (бит/с, Кбит/с, Мбит/с). Несмотря на кажущуюся простоту перевода единиц измерения скорости последовательной передачи в единицы измерения скорости параллельной передачи данных путем механического деления на 8, такой пересчет не выполняют, поскольку он не корректен из-за наличия служебных данных. В крайнем случае, с поправкой на служебные данные, иногда скорость последовательных устройств выражают в знаках в секунду или, что то же самое, в символах в секунду (с/с), но эта величина имеет не технический, а справочный, потребительский характер. 

Первоначально последовательные интерфейсы применяли для подключения «медленных» устройств (простейших устройств печати низкого качества, устройств ввода и вывода знаковой и сигнальной информации, контрольных датчиков, малопроизводительных устройств связи и т. п.), а также в тех случаях, когда отсутствуют существенные ограничения по продолжительности обмена данными. 

Однако с развитием техники появились новые, высокоскоростные последовательные интерфейсы, не уступающие параллельным, а нередко и превосходящие их по пропускной способности. Сегодня последовательные интерфейсы применяют для подключения к компьютеру любых типов устройств. 

1.2 Программное обеспечение

Программа – это упорядоченная последовательность команд. Конечной целью любой компьютерной программы является управление аппаратными средствами.

Программное и аппаратное обеспечение работают в неразрывной связи и в непрерывном взаимодействии. Состав программного обеспече­ния вычислительной системы называют программной конфигурацией. Между программами, как и между физическими узлами и блоками су­ществует взаимосвязь – многие программы работают, опираясь на другие программы более низкого уровня, то есть можно говорить о межпрограммном интерфейсе. Такой интерфейс основан на соответствующих технических условиях и протоколах взаимодействия. На практике он обеспечивается распределением программного обеспечения на несколько взаимодействующих между собой уровней.

Рис 1.2. Уровни программного обеспечения

Выделяют 4 уровня программного обеспечения (рис 1.2) компьютера: базовый, системный, служебный и прикладной, которые образуют пирамидальную конструкцию.

---

Базовый уровень. Это самый низкий уровень программного обеспечения. Он обеспечивает взаимодействие с базовыми аппаратными средствами. Как правило, базовые программные средства входят в состав базового оборудования и хранятся в специальных микросхемах, называемых постоянными запоминающими устройствами ПЗУ или ROM (ReadOnlyMemory). Соответствующие программы и данные записываются («прошиваются») в микросхемы ПЗУ на этапе производства и не могут быть изменены в процессе эксплуатации.

В тех случаях, когда изменение базовых программных средств во время эксплуатации является технически целесообразным, вместо мик­росхем ПЗУ применяют перепрограммируемые постоянные запоми­нающие устройства ППЗУ (EPROM–Erasable and Programmable ReadOnlyMemory). В этом случае изменение содержания можно выполнить непосредственно в составе вычислительной системы (флэш-технология) или вне на специальных устройствах (программаторах).

Системный уровень – переходной. Программы, работающие на этом уровне, выполняют «посреднические» функции, обеспечивая взаи­модействие прочих программ компьютерной системы с программами базового уровня и непосредственно с аппаратным обеспечением.

От программного обеспечения этого уровня зависят эксплуата­ционные характеристики вычислительной системы. Так, например, при подключении нового оборудования на системном уровне должна быть установлена программа, обеспечивающая для других программ взаимо­связь с этим оборудованием. Программы, обеспечивающие взаимодейст­вие с конкретными устройствами, называются драйверами устройств.

Другие программы системного уровня отвечают за взаимодейст­вие с пользователем. Благодаря им он получает возможность вводить данные в вычислительную систему, управлять ее работой и получать результат в удобной форме. Эти программные средства называют средствами обеспечения пользовательского интерфейса. От них непосредст­венно зависит удобство работы с компьютером и производительность труда на рабочем месте.

Совокупность программного обеспечения системного уровня образует ядро операционной системы. 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. Наличие ядра операционной системы – непременное условие возможности практи­ческой работы человека с вычислительной системой.

---

Служебный уровень. Программы этого уровня взаимодейст­вуют с программами базового и системного уровня. Служебные програм­мы называют утилитами и их основное назначение – автоматизация работ по проверке и настройке компьютерной системы. Часто их исполь­зуют для расширения или улучшения функций служебных программ.

В эксплуатации служебных программ существует два направления: интеграция с операционной системой и автономное функционирование. В первом случае служебные программы включают в состав опе­рационной системы для изменения потребительских свойств системных программ, делая их более удобными для практической работы. Во втором случае они слабо связаны с системным программным обеспечением, но предоставляют пользователю больше возможностей для персональной настройки взаимодействия с аппаратным и программным обеспечением. Примерами служебных программ являются архиваторы, диспетчеры файлов, средства диагностики, мониторинга, коммуникации и т.п.

Прикладной уровень. Программное обеспечение прикладного уровня представляет собой комплекс прикладных программ, с помощью которых пользователь выполняет широкий спектр конкретных заданий – от производственных до творческих и развлекательных. Огромный функциональный диапазон возможных приложений средств вычислительной техники обусловлен наличием прикладных программ для разных видов деятельности. Примерами прикладных программных средств являются текстовые и графические редакторы, системы управления базами данных, издательские системы, электронные таблицы, системы автоматизирован­ного проектирования и многие другие.

Классификация прикладных программных средств:

• системы подготовки (процессоры и редакторы) текстовых, табличных и других документов;
• системы подготовки презентаций;
• графические процессоры и редакторы;
• программы математических расчётов, моделирования и анализа экспериментальных данных;
• системы обработки финансово-экономической информации;
• системы, применяемые в юриспруденции;
• информационно-поисковые системы;
• системы управления проектами;
• экспертные системы и системы поддержки принятия решений;
• системы интеллектуального проектирования и совершенствования управления;
• личные информационные системы;
• прочие системы для использования в различных предметных областях, культуры, искусства, отдыха и т.п. 

Системы обработки финансово-экономической информации предназначены для обработки числовых данных, характеризующих различные производственно-экономические и финансовые явления и объекты, и для составления соответствующих управленческих документов и информационно-аналитических материалов. Они включают: универсальные табличные процессоры (Microsoft Excel); специализированные бухгалтерские программы («1С: Бухгалтерия»); специализированные банковские программы (для внутрибанковских и межбанковских расчетов); специализированные программы финансово-экономического анализа и планирования и др.

---