Файл: Вычислительные системы.pdf

По степени территориальной разобщенности вычислительных модулей вычислительные системы делятся на системы распределенного (разобщенного) и совмещенного (сосредоточенного) типов. Обычно такое деление касается только многомашинных систем. Многопроцессорные системы относятся к системам совмещенного типа. Более того, учитывая успехи микроэлектроники, это совмещение может быть очень глубоким. При появлении новых сверхбольших интегральных схем (СБИС) появляется возможность иметь в одном кристалле несколько параллельно работающих процессоров.

Распределенные и совмещенные многомашинные системы сильно различаются оперативностью взаимодействия в зависимости от удаленности ЭВМ. Время передачи информации между соседними электронно-вычислительными машинами, соединенными обычным кабелем, может быть много меньше времени передачи данных по каналам связи. Как правило, все производимые в мире электронные компьютеры имеют средства прямого взаимодействия и средства подключения к компьютерным сетям. Для персональной электронно-вычислительной машины такими средствами являются модемы и сетевые карты как элементы техники связи.

По методам управления элементами вычислительные системы различают централизованные, децентрализованные и со смешанным управлением. Помимо параллельных вычислений, производимых элементами системы, необходимо выделять ресурсы на обеспечение управления этими вычислениями. В централизованных за это отвечает главная, или диспетчерская, ЭВМ (процессор). На нее возлагается распределение нагрузки между элементами, выделение ресурсов, контроль состояния ресурсов, координация взаимодействия. Централизованное управление в системе может быть жестко установлено или эти функции могут быть переданы другому компьютеру (процессору), что помогает повысить надежность системы. Централизованные системы имеют более простые операционные системы. В децентрализованных функции управления распределены между ее элементами. Каждая ЭВМ системы сохраняет известную автономию, а необходимое взаимодействие между элементами устанавливается по специальным наборам сигналов. С развитием компьютерных систем и, в частности, электронных компьютерных сетей, интерес к децентрализованным системам неуклонно растет. В системах со смешанным управлением совмещаются процедуры централизованного и децентрализованного управления. Перераспределение функций выполняется во время вычислительного процесса в зависимости от текущей ситуации.

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

По режиму работы вычислительных систем различают системы, работающие в оперативном и неоперативном временных режимах. В оперативном временном режиме обычно используют режим реального масштаба времени. Этот режим характеризуется жесткими временными ограничениями для решения системных задач и предполагает высокую степень автоматизации ввода и вывода и обработки данных. Наибольший интерес исследователей всех степеней (аналитиков, дизайнеров и пользователей) представляют структурные особенности компьютерной системы. Производительность компьютера в целом зависит от того, насколько структура компьютерной системы соответствует структуре задач, решаемых в этой системе. Структурные признаки, в свою очередь, отличаются многообразием: топология управляющих и информационных связей между элементами системы, иерархия уровней взаимодействия элементов, способность системы к перестройке и перераспределению функций. В наибольшей степени структурные характеристики определяются архитектурой системы.

2. СОСТАВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

Конфигурация – это состав вычислительной системы.

Средства вычислительных систем бывают программные и аппаратные. Программные и аппаратные 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 программного или аппаратного решения являются производительность, эффективность и стоимость. Как правило аппаратные решения оказываются дороже, а для реализации программных решений требуется наиболее высоко квалифицированный персонал.

2.1. КОНФИГУРАЦИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

На выбор конфигурации вычислительной системы решающее влияние оказывает технологический процесс ее работы в конкретных производственных условиях. Можно выделить следующие стандартные этапы работы:

1. Зарождение данных, т.е. формирование первичных сообщений, которые фиксируют результаты хозяйственных операций, параметры производственных процессов, свойства объектов и субъектов управления, содержание юридических и нормативных актов и т.д.
2. Накопление и систематизация данных, т.е. организация такого размещения данных, которое обеспечивало бы быстрый поиск и отбор нужных сведений, методическое обновление данных, защиту их от искажений, потери связности, утраты и т.п.
3. Обработка данных — процессы, в результате которых на основе ранее накопленных данных формируются новые виды данных: обобщающие, рекомендательные, аналитические, прогнозные. Производные данные тоже могут быть подвергнуты дальнейшей обработке и принести сведения более глубокой обобщенности и т.д.
4. Отображение данных — представление данных в форме, пригодной для восприятия человеком. Прежде всего — это вывод на печать, т.е. изготовление читаемых человеком документов. Также широко используются такие виды преобразования, как построение графических иллюстративных материалов (диаграммы, графики, видео-граммы, пиктограммы), формирование звуковых и видео-сигналов.

Сообщения, формируемые на этапе зарождения данных, могут иметь разный вид: либо машиночитаемое сообщение, либо обычный бумажный документ, либо то и другое одновременно. Что именно - определяет разработчик конфигурации вычислительной системы в зависимости от требуемой степени автоматизации процесса; от бюджета, выделенного на создание системы; от управленческой функции, в рамках которой сообщение создано и т.д. Сообщения, имеющие массовый характер, обязательно переводятся в машиночитаемый вид, так что создание такого сообщения предпочтительно заканчивать на машинном носителе. Специальная аппаратура, реализующая эти операции, носит собирательное название «средства регистрации первичной информации» или «средства сбора данных». Она включает измерители различных типов (хронометры, счетчики, электронные весы, расходомеры), считыватели штрихкодов, считыватели магнитных карт, машины для счета банкнот и т.п.

Потребности этапов 2 и 3 обычно удовлетворяются базовыми средствами вычислительной техники, в основном - компьютерами. В то же время, информация по некоторым видам управленческих и коммерческих функций вполне может накапливаться и обрабатываться и более дешевыми средствами оргтехники (приборы для использования «электронных» денег, калькуляторы, электронные записные книжки и т.п.).

Средства, обеспечивающие восприятие информации человеком, т.е. средства отображения данных (этап 4), также тяготеют к цифровой вычислительной технике. Это – лазерные, матричные, струйные, светодиодные принтеры, специальные звуковые и видео-карты различной мощности, модемы, проекторы компьютерных изображений, устройства оцифровки фото- и видео- изображений.

2.2. АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

К аппаратному обеспечению вычислительных систем относят устройства и приборы, реализующие аппаратную конфигурацию. Совре­менные компьютеры и вычислительные комплексы имеют блочно-модульную аппаратную конфигурацию, ориентированную на выполне­ние конкретных видов работ, и собираются из готовых узлов и блоков.

Согласование между отдельными узлами и блоками осуществля­ется с помощью переходных аппаратно-логических устройств, называемых аппаратными интерфейсами. Стандарты на аппаратные интерфей­сы в вычислительной технике называют протоколами.

• Протокол – это совокупность технических условий, которые должны быть обеспече­ны разработчиками устройств для согласования их работы с други­ми устройствами.

Интерфейсы, присутствующие в архитектуре вычислительных систем можно разделить на последовательные и параллельные. Через последовательный интерфейс данные передаются последовательно, бит за битом, а через параллельный – группами битов. Количество битов одной посылки определяется разрядностью интерфейса. Так, например, восьмиразрядные параллельные интерфейсы передают 8 бит за цикл.

Параллельные интерфейсы обычно имеют наиболее сложное устройство и более высокую производительность. Их применяют, когда важна скорость передачи данных. Устройство последовательных интерфейсов проще. Их называют асинхронными интерфейсами, так как не нужно синхронизировать работу передающего и принимающего устройства.

Производительность последовательных интер­фейсов измеряют битами в секунду (бит/с, Кбит/с, Мбит/с), а параллельных интерфейсов - бай­тами в секунду (байт/с, Кбайт/с, Мбайт/с).

2.3. 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. Выделяют четыре уровня программного обеспечения (ПО) компьютера: базовый, системный, служебный и прикладной, которые образуют пирамидальную конструкцию.

• Базовый уровень. Это самый низкий уровень ПО. Он обеспечивает взаимодействие с базовыми аппаратными средствами. Обычно базовые программные средства входят в состав базового оборудования и хранятся в специальных микросхемах, называемых постоянными запоминающими устройствами (ПЗУ) или Read Only Memory (ROM). 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) или Erasable Programmable Read-Only Memory (EPROM). 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.