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

1. Вычислительные системы: понятие, виды, свойства, состав

Термин «вычислительная система» появился в начале-середине 60-х гг. 20-го века, во времена создания ЭВМ III поколения. В тот период осуществлялся переход на новую элементную базу, а именно, интегральные схемы. Вследствие чего появилось много новых технических решений:

• разделение процессов обработки и ввода-вывода информации;
• множественный доступ, а также коллективное использование вычислительных ресурсов во времени и в пространстве;
• сложные режимы работы ЭВМ (многопользовательская, многопрограммная обработка).

Отражая эти нововведения, появился термин «вычислительная система».

Под ВС понимают совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или вычислительных машин, периферийного оборудования и программного обеспечения (ПО), которые предназначены для сбора, хранения, обработки и распределения данных (информации) [13, стр. 45].

Вычислительная система (ВС) – это взаимосвязанная совокупность аппаратных средств ВТ и ПО, которая предназначена для обработки информации [10, стр. 67].

Отличительной чертой вычислительной системы по отношению к ЭВМ является наличие в ней нескольких вычислителей, которые реализуют параллельную обработку данных.

Создание вычислительной системы преследовало следующие основные цели:

• повышение производительности системы за счет ускорения процессов обработки данных;
• повышение надежности и достоверности вычислений;
• предоставление пользователям дополнительных сервисных услуг;
• и т.д.

К основным принципам построения, которые закладываются при создании вычислительной системы, относятся:

• модульность структуры технических и программных средств (позволяет совершенствовать и модернизировать ВС без серьезных их переделок);
• возможность работы в разных режимах;
• иерархия в организации управления процессами;
• унификация и стандартизация технических и программных решений;
• способность систем к адаптации, самоорганизации и самонастройке [7, стр. 112].

Вычислительные системы можно классифицировать по следующим признакам:

• целевое назначение и выполняемые функции;
• типы ЭВМ/процессоров и их число;
• архитектура ВС;
• режимы работы;
• методы управления элементами ВС;
• степень разобщенности элементов ВС;
• и др. [6, стр. 98].

При этом основными признаками классификации считаются признаки структурной и функциональной организации ВС.

---

По целевому назначению ВС делят на:

• универсальные (предназначены для решения самых разных задач);
• специализированные (ориентированы на решение узкого класса задач) [4, стр. 109].

Специализацию вычислительной системы можно установить различными средствами:

• сама структура ВС может быть ориентирована на определенные виды обработки данных;
• специализация ВС может быть заложена включением в их состав специального оборудования, а также специальных пакетов обслуживания ВТ [5, стр. 73].

По типу ВС делятся на:

• многомашинные ВС (ММС; каждая ВМ, которая входит в систему, сохраняет возможность автономной работы, а также управляется собственной операционной системой (ОС); любая другая подключаемая к комплексу ВМ рассматривается уже как специальное периферийное оборудование);
• многопроцессорные ВС (МПС; используется комплексирование нескольких процессоров; общим ресурсом является общая оперативная память) (рис. 1) [8, стр. 27].

К преимуществам МПС относятся:

• более высокая оперативность взаимодействия вычислителей-процессоров.

К недостаткам МПС относятся:

• использованием ресурсов общей оперативной памяти (ОП) (возникновение конфликтных ситуаций);
• проблема коммутации абонентов и их доступа к общей ОП.

По типу ЭВМ/процессоров, которые используются для построения ВС, различают следующие виды систем:

• однородные системы (предполагают комплексирование однотипных ЭВМ/процессоров; значительно упрощается разработка и обслуживание технических и программных средств; обеспечивается возможность унификации и стандартизации соединений и процедур взаимодействия элементов ВС; упрощается обслуживание ВС, облегчается их модернизация и развитие);
• неоднородные системы (предполагают комплексирование разнотипных ЭВМ/процессоров; связано с необходимостью параллельного выполнения многофункциональной обработки). 

Рис. 1.  – (а) многомашинные комплексы; (б) многопроцессорные системы [8, стр. 27]

По степени территориальной разобщенности вычислительных модулей вычислительные системы делятся на следующие виды:

• системы совмещенного (сосредоточенного) типа; 
• системы распределенного (разобщенного) типа.

Отметим, что все многопроцессорные ВС относятся к системам совмещенного типа.

Помимо параллельных вычислений, которые производятся элементами ВС, необходимо выделять ресурсы на обеспечение управления данными вычислениями. Вследствие чего по методам управления элементами различают следующие ВС:

---

• централизованные (за выделение ресурсов отвечает главная/ диспетчерская ЭВМ/процессор; задача – распределение нагрузки между элементами, контроль состояния ресурсов, выделение ресурсов, а также координация взаимодействия);
• децентрализованные (функции управления в ВС распределены между ее элементами; каждая ЭВМ/процессор ВС сохраняет некоторую автономию, а необходимое взаимодействие между элементами системы устанавливается посредством специальных наборов сигналов);
• со смешанным управлением (совмещение процедур централизованного и децентрализованного управления; перераспределение функций выполняется в ходе вычислительного процесса в зависимости от ситуации) [4, стр. 31].

По принципу закрепления вычислительных функций различают следующие ВС:

• системы с жестким закреплением функций;
• системы с плавающим закреплением функций. 

По режиму работы вычислительно системы выделяют следующие виды:

• ВС, работающие в оперативном режиме (используется режим реального масштаба времени; жесткое ограничение на время решения задач в системе, высокая степень автоматизации процедур ввода-вывода и обработки данных);
• ВС, работающие в неоперативном режиме. 

Наибольший интерес у исследователей вызывают структурные признаки вычислительной системы. Структурные признаки ВС отличаются многообразием:

• способность ВС к перестройке и перераспределению функций;
• топология управляющих и информационных связей между элементами системы;
• иерархия уровней взаимодействия элементов.

В наибольшей степени структурные характеристики определяются архитектурой системы.

Под структурой ВС понимается совокупность комплексируемых элементов, а также связей между ними. В качестве таких элементов вычислительной системы выступают отдельные процессоры и ЭВМ.

Из-за большого разнообразия структур ВС их изучение затруднено, в результате чего ВС классифицируются с учетом обобщенных характеристик. Кроме того, с этой целью введено понятие «архитектура системы».

Под архитектурой ВС понимается совокупность характеристик и параметров, которые определяют функционально-логическую и структурную организацию ВС. Понятие «архитектура ВС» охватывает общие принципы построения и функционирования системы, которые наиболее существенны для пользователей, больше интересующихся возможностями ВС, а не деталями их технического исполнения.

---

Одна из классификаций архитектуры была предложена М. Флинном в начале 60-х гг. XX века. В основу классификации заложено два возможных вида параллелизма:

• независимость потоков команд (заданий), которые существуют в системе;
• несвязанность (независимость) данных, которые обрабатываются в каждом потоке [11, стр. 176].

Отметим, что данная классификация до настоящего времени все еще не потеряла своего значения.

Согласно классификации Флинна, ВС делятся на следующие четыре категории:

• SISD – это ВС с одним потоком команд и данных. SISD относят к типу однопроцессорных ЭВМ; архитектура ВС с одним процессором является фон-неймановской.
• SIMD – это многопроцессорная ВС с общим потоком команд (одиночный поток команд) и множественным потоком данных. Архитектура SIMD характеризуется тем, что все процессоры выполняют одну и ту же команду, однако каждый процессор над своими данными из своей локальной памяти. Данную архитектуру часто называют векторной.
• MISD – это многопроцессорная ВС с множественным потоком команд и одиночным потоком данных (конвейерная ЭВМ). Конвейерная архитектура – это принцип построения компьютера, который состоит в параллельном выполнении команд множеством процессоров над одним потоком данных. Каждый процессор цепочки использует в качестве входных данных выходные данные предыдущего процессора.
• MIMD – это многопроцессорная ВС с множественным потоком команд и данных. Каждый процессор здесь функционирует под управлением собственного потока команд, т.е. компьютер может параллельно выполнять совершенно разные программы. Современные суперкомпьютеры, как правило, строятся по архитектуре MIMD [13, стр. 201].

Состав ВС называется конфигурацией. Каждая ВС состоит из (рис. 2):

• технического обеспечения: процессор, память, диски, монитор, устройства, которые объединяют магистральные соединения (шина);
• программного обеспечения (рис. 3) [12, стр. 127].

Рис. 2 – Состав ВС

Рис. 3 – Программное обеспечение ВС [9, стр. 89]

Отметим, что аппаратные и программные средства ВТ принято рассматривать отдельно. Подобный принцип разделения имеет особое значение, так как очень часто решение одних и тех же задач может быть обеспечено как аппаратными средствами, так и программными. Критериями выбора того или иного аппаратного или программного решения служат производительность и эффективность. При этом обычно считают, что аппаратные решения в среднем оказываются дороже, однако реализация программных решений требует более высокой квалификации сотрудников.

---

Наряду с аппаратными средствами и ПО вычислительной техники в некоторых случаях целесообразно рассматривать информационное и математическое обеспечение.

2. Обеспечение вычислительных систем: информационное, математическое

Наряду с аппаратными средствами и ПО вычислительной техники в некоторых случаях целесообразно рассматривать информационное обеспечение, под которым понимается совокупность программ и предварительно подготовленных данных, которые необходимы для работы этих программ.

Рассмотрим работу системы автоматической проверки орфографии в текстовом документе. Работа данной системы заключается в сравнении лексических единиц исходного текста с заранее заготовленным эталоном (словарь). Для успешной работы системы в этом случае возникает необходимость иметь кроме аппаратного обеспечения и ПО специальные наборы словарей, которые подключаются извне. В данном случае имеем пример информационного обеспечения вычислительной системы.

Структура информационного обеспечения ВС представлена на рис. 4.

Рис. 4. – Структура информационного обеспечения [8, стр. 17]

Описание информационного обеспечения (ИО) ВС содержит следующие пункты:

• состав ИО (внемашинная, внутримашинная информационная база);
• организация ИО (принципы организации, обоснование выбора носителей данных, описание решений по совместимости с другими системами);
• организация сбора и передачи информации (источники, носители, общие требования к организации сбора, передачи, контроля данных);
• построение системы классификации и кодирования;
• организация внутримашинной информационной базы (принципы, структура);
• организация внемашинной информационной базы (регламенты работ, регламенты по техобслуживанию, нормативно-справочная информация).

Рис. 5. – Характеристика процесса сбора информации

Рис. 6. – Характеристика процесса передачи информации

Рис. 7. – Характеристика процесса хранения информации

---