Состав и свойства вычислительных систем Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем

Содержание:

Введение

Что такое вычислительная система? Это совокупность аппаратно-программных средств, то есть «железа» и «софта», предназначенная для решения различных задач, связанных с обработкой информации. Этот термин появился в 60-х годах, вместе с появлением ЭВМ 3 поколения. Тогда процессоры ЭВМ сами управляли операциями ввода-вывода, что создавало проблему неполного использования мощностей процессора, ведь внешнее устройство ввода-вывода работало гораздо медленней самого процессора, потому последний фактически простаивал. В итоге в 60-х ЭВМ стали укомплектовывать отдельными устройствами ввода-вывода, для параллельного процесса вычислений и обмена данными.

Инновационность вычислительных систем заключается в том, что, они реализуют параллельную обработку информации. Главные предназначения вычислительной системы – ускорение процессов обработки данных, повышение надежности и точности вычислений.

При современных темпах развития технического прогресса увеличивается степень интеграции и быстродействие элементов, а также их уровень надежность, при этом цена уменьшается. Все это позволяет увеличивать количество параллельных потоков вычисления.

Современные вычислительные системы очень различны, и описываются большим количеством различных характеристик. Так, в 1966 году профессор Стэнфордского университета Майкл Флинн предложил 4 класса вычислительных систем: ОКОД(SISD) —с одиночным потоком команд и одиночным потоком данных, ОКМД (SIMD)— с одиночным потоком команд и множественным потоком данных, МКОД (MISD)— со множественным потоком команд и одиночным потоком данных, МКМД (MIMD)— со множественным потоком команд и множественным потоком данных. Эту классификацию все еще используют, но сейчас она уже не характеризует все виды систем достаточно точно и полно.

В своей курсовой работе я постараюсь рассмотреть все свойства вычислительных систем, опишу их состав и характеристики.

Глава 1. Состав и свойства вычислительных систем

1.1 Состав вычислительных систем

Вычислительная система состоит из аппаратного и программного обеспечения.

• • 1. Аппаратное обеспечение

Аппаратный блок ВС – это устройства и приборы. Они бывают внутренние и внешние, в зависимости от расположения относительно процессора. Внешняя архитектура включает в себя системный блок, монитор, и периферийные устройства ввода-вывода, такие, как клавиатура, мышь, принтер, сканер и т.д. Внутренняя архитектура – это модули памяти, такие как RAM и жесткий диск, а также шины и видеокарта. Все эти девайсы составляют аппаратную конфигурацию вычислительной системы. Чем дороже и качественнее выполнены составляющие, чем эффективнее и будет их работа, и тем выше производительность.

Согласование и передача данных между этими составляющими осуществляется с помощью аппаратных интерфейсов. Для корректной работы всей этой системы ей нужен общий «язык». В вычислительной технике этот «язык» называется протоколом. По сути, протокол – это набор соглашений интерфейса логического уровня, которые и позволяют узлам понимать друг друга.

По способу передачи данных аппаратные блоки делятся на параллельные и последовательные. В последовательном интерфейсе биты передаются друг за другом по одной сигнальной линии. Такой интерфейс дешевле, и устройство его проще, но их пропускная способность и КПД меньше, а потому и применяют их для более медленных устройств.

В параллельном интерфейсе для каждого бита передаваемой группы используется своя сигнальная линия. Его устройство сложнее и дороже, используется большее количество проводов и контактов разъемов, но при этом он обеспечивает более высокую производительность. Обмен данных в последовательном интерфейсе производится в битах, а в параллельном – в байтах.

Рассмотрим более подробно аппаратные узлы вычислительной системы.

К аппаратному обеспечению, прежде всего, относится центральный процессор (или процессоры). Он представляет собой интегральную электронную схему, выполняющую машинные инструкции (код на машинном языке). Главная задача процессора – управление процессами между узлами вычислительной системы. Характеризуется ЦПУ внутренней и внешней тактовой частотой, производительностью, энергопотреблением, разрядностью.

RAM или оперативная память – узел аппаратного обеспечения, который необходим для хранения кода программы при ее выполнении. Во время обработки ЦП программы в нем хранятся входные, выходные и промежуточные данные.

Периферийные устройства также являются важной частью аппаратного интерфейса. К ним относят устройства ввода, вывода и хранения. Ввод информации в вычислительную систему производится при помощи мыши, клавиатуры, тачпада, сенсорного экрана, микрофона, сканера, веб-камеры, устройств захвата видео.

Вывод информации осуществляется через принтер, монитор, наушники или акустическую систему.

Внутренние периферийные устройства крепятся на материнскую плату. На ней же находятся и шины, по которым передаются данные от одного узла к другому.

Существует несколько видов шин:

Шина управления – по ней передаются сигналы, обуславливающие характер взаимодействия узлов;

Шина адреса – предназначена для указания адреса ячейки памяти;

Шина данных – по ней передаются данные, которыми обмениваются узлы;

Шина питания – предназначена на подключения всех узлов ПК к питанию.

Однако, чтобы все эти компоненты работали эффективно, необходимо соответствующее программное обеспечение.

• • 1. Программное обеспечение.

Под программным обеспечением понимается набор кода, то есть, программа, написанная таким образом, чтобы ее понимал блок управления – ЦП. В современных вычислительных системах программы пишутся на высокоуровневых языках, а затем при помощи интерпретатора переводятся в машинный код. Главная задача программного обеспечения – управление аппаратной частью вычислительной системы. В современной вычислительной системе без программного обеспечения аппаратный блок не имеет смысла и не будет работать, поэтому эта часть компьютера не менее важна.

Сам термин «программное обеспечение» стал применяться в 60-х, как раз, когда началось разграничение физических компонентов ЭВМ и кода. Сейчас нам доступно множество различного «софта». Каждая программа заточена под выполнение своей задачи, и чем лучше и качественные написан код, тем эффективнее будет работать вся система.

В вычислительной системе есть 3 типа программного обеспечения:

-Прикладное – программы, написанные для выполнения определенного рода задач.

-Инструментальное – системы (набор инструментов), предназначенные для программирования, то есть создания определенных прикладных программ.

-Системное – «сердце» вычислительной системы, программы, без которых невозможно ее функционирование. Главным системным ПО является операционная система, драйвера, системы тестов и диагностики, антивирусы, языки программирования.

Операционная система – важнейший программный компонент, комплекс программ, обеспечивающий управление ресурсами вычислительной системы и помогающий пользователю взаимодействовать с ней. Операционная система является связующим звеном между архитектурой компьютера (аппаратной частью) и прикладным «софтом».

Существует несколько режимов работы операционных систем.

В режиме пакетной обработки задачи выполняются одна за другой, выстраиваясь в очередь, или в несколько очередей. Такой режим является, по сути, однозадачным, а значит, в современных вычислительных системах он не эффективен.

В мультипрограммном режиме происходит разделение времени, то есть программы в таком режиме выполняются одновременно (так же это называется мультипрограммирование). Этот режим обеспечивается переходом процессора от выполнения одной задачи к выполнению другой. Соответственно, он более эффективно использует машинное время и оперативную память, ведь если при выполнении задачи произойдет какая-либо ситуация, процессор не будет простаивать, а переключится на выполнение другой. Сложность реализации такого режима в необходимости определения очередности выполнения задач. Чтобы система работала максимально эффективно, нужно также определить моменты переключения с одной задачи на другую, чтобы память не простаивала.

В режиме реального времени программы выполняются в синхронном темпе с внешними процессами. Операционные системы, работающие в таком режиме, обеспечивают обработку возникающих внешних задач в реальном, предсказуемом промежутке времени. Они используются в системах, требующих быстрой реакции на события.

Кроме ОС в вычислительной системе используются и другие сервисные программы, такие, как драйверы и утилиты. Они предоставляют пользователю возможность подключения к компьютеру внешних (периферийных) узлов, их настройку и настройку параметров ОС.

Другое системное ПО – программы тестов и диагностики – позволяют проверить корректность работы компонентов системы и при выявлении неисправностей их устранить.

Антивирусное ПО – еще один вид системных программ, анализирующие компьютер для выявления вредоносного ПО или «вирусов», замедляющих или даже останавливающих работу системы.

Также системным ПО считаются языки программирования – инструменты для написания ПО.

Инструментальное ПО включает в себя, в основном, СУБД (системы управления базами данных). Эти системы предназначены для создания и использования больших массивов данных, или по-другому, баз данных.

Прикладное ПО – это очень обширная область. Прикладная программа создается для решения конкретной задачи, и классификация такого ПО очень широка. По сфере применения прикладные программы делятся на:

- ПО для предприятий и организаций;

- ПО для обеспечения доступа пользователя к компьютерным устройствам;

- ПО инфраструктуры предприятий;

- ПО информационного работника;

- ПО для доступа к контенту;

- Образовательное ПО;

- Имитационное ПО;

- Инструментальное ПО в области медиа;

- ПО для проектирования и конструирования.

• • 1. Классификация вычислительных систем

Вычислительные системы можно характеризовать большим количеством параметров, а значит, и классифицировать их однозначно непросто. Одним из способов является разделение их на разделимые, то есть состоящие из нескольких электронных машин, которые функционируют независимо, и неразделимые, то есть вычислительные машины, включающие в себя несколько процессоров, каждый из которых выполняет свою функцию, но только в составе этой машины.

Другой вид классификации – разделение систем на однородные и неоднородные. Разница их в том, что однородная система состоит из процессоров одного типа, а неоднородная, соответственно – из разных типов. Организация однородной системы проще, ведь в ней используются одинаковые программные средства и стандартные протоколы. Построение неоднородной системы предполагает учет различных характеристик разных типов процессоров, из-за чего усложняется построение и обслуживание такой системы.

Один из видов разделения вычислительных систем –это деление на многомашинные и многопроцессорные.

Многомашинная система – это система, состоящая из более чем одного компьютера. В ней у каждого процессора есть своя оперативная память и управление осуществляется своей оперативной системой. Компьютеры могут находиться в одном месте, или размещаться на удалении от друг друга. Минус такой системы в большем количестве времени, потраченного на обмен информацией.

В многопроцессорной системе в одном корпусе заключено несколько процессоров. Для всех процессоров создается общая оперативная память, через которую обеспечивают и доступ к устройствам ввода/вывода, и к внешним устройствам. Управляется вся система одной общей ОС, что улучшает характеристики обмена. Такие системы используют чаще всего, потому что намного проще организовать взаимодействие между процессорами. Но проблема многопроцессорной системы в возможных конфликтных ситуациях при использовании общей RAM.

По методам управления элементами выделяют централизованные, децентрализованные и системы со смешанным управлением.

В централизованных системах есть главный процессор, который отвечает за управление. Он распределяет нагрузку между элементами, выделяет ресурсы, контролирует состояние ресурсов и координирует взаимодействие между элементами.

В децентрализованной системе каждый элемент имеет свои управляющие функции и обладает автономией. Взаимодействие осуществляется при помощи специальных сигналов.

В системах со смешанным управлением функции распределяются в соответствии с текущей ситуацией, то есть применяются процедуры и одного и другого типа систем.

Самые мощные вычислительные системы – это суперкомпьютеры. Их быстродействие доходит до десятков миллиардов операций в секунду. Секрет таких больших вычислительных мощностей – в архитектуре. Работа суперкомпьютера основана на технологии параллельных вычислений – процессе, при котором программы разрабатываются для параллельной работы и взаимодействии при процессах вычисления. В их основе лежит параллельный алгоритм. Соответственно, программы, работая каждая на отдельном устройстве, являются частями одного результата, полученного путем объединения вычислений.

Суперкомпьютер имеет не только самую высокую производительность, но и самый большой объем ОЗУ и ПЗУ, а также специализированное программное обеспечение, позволяющее эффективно использовать ресурсы суперкомпьютера.

Последнее поколение суперкомпьютеров способно выполнять 1 петафлоп вычислений – это миллион миллиардов в секунду. Такая быстрота позволяет развивать научные и правительственные сферы семимильными шагами. У человечества появляется возможность производить математические вычисления, требующие переработки большого количества данных, проводить эксперименты, воссоздающие условия физической реальности и решать сложные технические задачи.

Суперкомпьютеры разделяются на магистральные, векторные и матричные. В магистральной системе каждый процессор выполняет последовательный поток вычислений. Поток на одном процессоре обменивается данными с потоком другого с помощью общего участка памяти. Суть векторной системы – в выполнении одной и той же операции на каждом процессоре над разными потоками данных. Такая система считается более простой в понимании и более совершенной. Матричная система – система, в которой множество операций выполняется над множеством потоков.

Более современная версия суперкомпьютера – кластер – представляет собой массив компьютеров, объединенный для выполнения единых вычислений. Преимущество кластера в том, что он похож на конструктор: для получения достаточной мощности объединяют нужное количество серверных компьютеров при помощи специальных интерфейсов, что способствует упрощению процесса управления и повышает надежность всей системы. Также преимущество кластеризации в том, что можно динамически перераспределять нагрузку и легко контролировать работу системы.

На первых порах суперкомпьютеры использовали, прежде всего, правительственные, военные организации, университеты и научно-исследовательские институты. Применение суперкомпьютеров дало толчок в развитиии таких отраслей, как физика плазмы, молекулярная, атомная, астрофизика, квантовая химия, молекулярная динамика, и другие.

Главные университеты Америки и других стран с большой долей инвестиций имеют большие исследовательские центры и все необходимые условия для проведения основных исследований и воплощения инновационных программ, спонсируемых государством.

1.2 Свойства вычислительных систем

Любая вычислительная система обладает набором свойств, по которым можно сравнивать ее с другими, например, при необходимости приобретения. Основные свойства любой ЭВМ – это, производительность, точность вычислений, надежность, масштабируемость, универсальность.

Производительность – это объем работ, которые система способна выполнить за единицу времени. Этот объем измеряется во флопсах (Floating-point Operations Per Second). Обычный ПК способен работать с производительностью около 2 терафлопсов, тогда как суперкомпьютер выдает вычислительную мощность до 100 терафлопсов.

Точность – это способность компьютера выдавать результаты вычислений с как можно большим количеством знаков после запятой. Она определяется разрядностью компьютера.

Надежность – чем надежнее вычислительная система, тем более вероятно, что она будет безотказно работать в течение заданного производителем срока службы в установленных условиях. Надежная ВС при отказе должна быть способна обеспечивать заданный уровень производительности. В современных вычислительных системах высокая надежность обеспечивается технологией изготовления интегральной схемы – СБИС.

Масштабируемость – это свойство системы определяется тем, насколько возможно изменять ее производительность и прибавлять и убавлять вычислительные ресурсы. С учетом современного развития вычислений, для соответствия требованиям вычислительная система должна как можно более легко масштабироваться, то есть, должна присутствовать возможность увеличивать ее производительность.

Универсальность – архитектура ЭВМ должна быть спроектирована таким образом, чтобы обладать способностью реализовывать алгоритмы решения любых задач. Проектирование универсальных систем – это тенденция последних десятилетий, и хорошая вычислительная система должна быть актуальной на рынке.

Современная высокопроизводительная вычислительная система должна обладать еще одним важным свойством – параллелизмом.

Параллелизм – это параметр системы, при котором несколько потоков вычислений выполняются в одно время, порой взаимодействуя друг с другом. Это может происходить на разных процессорах или на разных ядрах одного процессора. При параллельном программировании главное, добиться корректных вычислений и устойчивого и эффективного процесса.

Также для повышения производительности с небольшими затратами применяют такое свойство, как распределенность. Суть его состоит в том, что системы строятся из простых узлов с невысоким быстродействием, между которыми распределяются сложные вычисления.

Параллелизм и параллельные вычислительные системы в последние несколько десятков лет усиленно изучаются, и на их основе уже создано множество экспериментальных и рабочих машин с повышенной надежностью и производительностью. Однако параллельные системы не лишены недостатков. Непросто обеспечить скоординированный процесс вычислений, который необходим для решения задачи путем параллельных вычислений. Также, если несколько процессоров используют общую память, то ресурс для каждого из них ограничен, к тому же, такая система плохо масштабируется.

Однако использование кластеров всегда более эффективно, когда речь идет о большом количестве пользователей и больших объемах вычислений. При помощи системы управления легко обеспечить равномерное распределение нагрузки ресурсов, а главное – такие мощные компьютеры способны моделировать сложные объекты и решать серьезные научные задачи, обеспечивая высокую точность результата. Суперкомпьютер не только облегчает работу ученых, но и не требует столь высоких затрат на проведение экспериментов и вычисление сложных математических задач.

Глава 2. Информационное и математическое обеспечение  вычислительных систем

2.1 Информационное обеспечение вычислительных систем

Информационная наука сложна и ее определения не такие четкие, как у других точных наук. Само понятие «Информация» имеет много значений. В случае вычислительных систем, информацией является совокупность сведений об изменениях внутри и снаружи системы, а также обмен данными между узлами системы. Информация играет большую роль в управлении системами. Например, в управленческих структурах поток информации обеспечивается организациями, специально занимающимися сбором данных - органами статистики и научными центрами. В автоматических системах управления также важно обеспечивать поток информации. Информация является главным ресурсом для любых действий внутри вычислительной системы, а все, что происходит с ней - сбор, обработка и хранение входящих данных, а также последующий их вывод – является информационными процессами.

Информационные процессы – важная часть не только вычислительной системы, но и жизни вообще. В мире компьютеров передача, хранение и обработка данных – это процессы, играющие большую роль в работе ВС. Программы не работают сами по себе, им нужны входные данные, которые специально предварительно подготовлены. Информационное обеспечение и является набором данных.

Информация бывает разных видов. По способам кодирования, хранения и форме представления информацию делят на:

• Графическую - например картины, фотографии, схемы, чертежи, в общем все, что воспринимается визуально;
• Звуковую – это могут быть просто звуки или музыка, которая, по сути, является закодированными звуками;
• Текстовую - то есть закодированную специальными символами речь человека;
• Числовую – информацию о количестве, закодированную при помощи цифр различными способами (системами счисления);
• Видео – информация о движении, способ его сохранения.

Вычислительная система способна распознать и обработать все существующие виды информации, если они закодированы так, что код можно перевести в машинный.

Но кроме способа представления важны также и следующие качества, присущие информации:

• Объективность – информация должна отображать объективную реальность;
• Достоверность – информация должна отображать истинное положение дел;
• Полнота – в процессе обработки информация должна быть достаточно полной, чтобы обработчик мог на ее основе что-либо предпринять;
• Точность – информация должна максимально точно описывать реальное состояние объекта;
• Актуальность – информация должна описывать настоящее, актуальное положение вещей;
• Полезность –информация должна быть полезной применительно к задаче, которая решается с ее помощью.

Информационное обеспечение вычислительной системы – это процесс поставки непрерывного потока информации программам, которые решают поставленные перед ними задачи, соответственно, для успешного выполнения задач информация должна соответствовать описанным выше критериям. Предоставляемая информация как на входе, так и на выходе должна быть систематизирована и закодирована таким способом, чтобы быть понятной тому узлу, который ее обрабатывает (автомат) и тому, который будет использовать результат обработки (автомат или человек).

Кодирование – это действие, при котором информационный поток, поступающий на ввод, переводится из вида, в котором ее воспринимают начальные носители (допустим, человеческий язык), в вид, в котором ее можно обрабатывать и хранить вычислительной машины (машинный код). Соответственно, переводя запись из одного языка в другой, мы также переводим его из одной классификационной группы в другую. Для универсального понимания выходных данных нужен набор правил, описывающий, как обозначаются объекты и группы объектов, и система кодировки. Такой набор носит название системы кодирования. По сути, код представляет из себя понятное обработчику отображение объекта или группы в виде символа или нескольких, принадлежащих к одной системе. Множество таких знаков есть алфавит, а число знаков множества – это основание кода. Алфавиты делятся на цифровые, смешанные и буквенные.

Закодированная, обработанная вычислительной системой информация является уже не просто потоков, а данными.

Данные и информация различны, потому что данные имеют структуру, а информация – это просто поток. По сути, компьютерная система работает именно с данными. Данные хранятся перед, во время и после обработки на носителях, таких как оперативная память и магнитный или SSD диск (винчестер). Хранимые данные существуют только внутри определенного формата, поскольку именно он определяет их структуру и обеспечивает читаемость и обработку компьютером.

Данные не имеют значимости сами по себе внутри вычислительной системы. Для получения требуемого результата над набором данных нужно совершить операцию или операции. Они бывают следующих видов:

• Сбор данных – это процесс накопления информации для обеспечения ее полноты для принятия в будущем решений;
• Формализация данных – собранные из разных источников, затем данные преобразуют в один формат, чтобы они стали доступными для дальнейших действий;
• Фильтрация данных – процесс отбора тех данных, которые нужны для выполнения задачи, с отсеиванием ненужным;
• Сортировка данных – процедура повышения доступности информации путем ее упорядочивания;
• Архивация данных – организация хранения для упрощения доступа и управления.
• Защита данных – комплекс мер по обеспечению конфиденциальности данных и предотвращению утечки;
• Транспортировка данных – процессы приема и передачи информации от сервера к клиенту и обратно.

Информационное обеспечение делится на внутримашинное и внемашинное.

Внутримашинным информационным обеспечением называют всю ту информацию, что содержится внутри ЭВМ на каком-то запоминающем устройстве, а также ПО для ее обработки. Внутримашинное ИО организовывается в режиме реального времени, чтобы изменения, внесенные одним пользователем, тут же становились доступными другим.

Внемашинным информационным обеспечением называют материальные бумажные носители, то есть документацию. Унифицированная первичная документация является одним из примеров внемашинного ИО.

Для работы с информацией в вычислительной системе, ее обрабатывания и хранения, ее нужно сначала перевести в цифровой вид. Для этогоо сначала информация упорядочивается, фильтруется, и кодируется, при помощи классификатор. Классификатор – это список именованных объектов, в котором каждому из них присвоен уникальный код. Процесс присвоения называется классификацией. При классификации происходит разделение множества объектов на подмножества по сходствам или различиям. Классификация помогает зафиксировать связи между классами объектов.

Признаком классификации являются такие свойства, характеристики объекта классификации, с помощью которых устанавливаются сходства и различия видов классификации. Объединение части объектов классификации по определенным признакам, создавая множество или подмножество, называется классификационной группировкой.

Существуют два вида системы классификации, которые сейчас применяются чаще всего – это иерархическая и многоаспектная.

Иерархическая система, как следует из названия, использует при классификации иерархический метод. При этом множество объектов последовательно разделяются, и становятся подчиненными по отношению к какомпу-либо другому объекту. Соответственно, в итоге этого процесса мы получаем классификационную схему с иерархической структурой.

Большой объем иерархической структуры классифицируемых объектов, получаемый изначально, затем разбивается на подмножества по определенному признаку и на каждой следующей ступени классификации происходит детализация.

Другая система классификации – многоаспектная, использует в процессе несколько аспектов – независимых признаков, в основании классифицирования. Многоаспектная система, в свою очередь, делится на фасетную и дескрипторную.

Фасет - это такой аспект классифицирования, который используется при образовании не зависимых друг от друга групп классификации. Дескриптором является ключевое слово, которое определяет некое понятие, формирующее описание объекта и дающее принадлежность его к классу, группе и т.д.

Внемашинное информационное обеспечение характеризуется, прежде всего системой документации. Документ является носителем информации, которая используется при решении технических и экономических задач. При этом она располагается на нем в соответствии с установленной формой.

Данные, содержащиеся в документах, как и остальные виды данных должны быть классифицированы и отсортированы. Для этого существуют определенные формы документации ,использующиеся в документообороте (такие, как УПД), и называются они системой документации. В намтоящее время существует большое количество форм документов, отличающиеся типами, сферами применения, и т.д. Но проблема в том, что большой объем документов создает запутанность, данные порой дублируются, и в итоге достоверность получаемого результата снижается.

Для упрощения системы документации, используются такие подходы, как:

• Унификация и стандартизация документов;
• Безбумажные технологии, основанные на использовании электронных документов и новых информационных технологий их обработки.

Унифицировать документацию, приводить разные виды документов в к одной форме внутри этого вида очень важно, так как это упрощает читаемость и поиск нужной информации. Для этого составляются одинаковые стандарты на наименования, единицы измерения, вводятся в применение определенные термины.

В конечном итоге, унифицированная система документации выглядит, как набор связанных документов, которые составлены и организованы согласно правилам, и информация, содержащаяся в них, отвечает требованиям той сферы, в которой они применяются.

Такие системы документации могут быть применяемы широко или локально, внутри предприятия или организации. Соответственно бывают межотраслевые, отраслевые и системы документации локального уровня.

Также, чтобы упорядочить информацию внутри вычислительной системы, было спроектировано внутримашинное ИС под названием информационная база. Ее главная функция – организовывать упорядочивание и хранение файлов, облегчать доступ к ним и работу с ними.

Интегрированная ИБ, т.е. база данных (БД) связывает данные между собой и хранит их вместе, позволяя программному обеспечению рационально пользоваться ими.

2.2 Математическое обеспечение

    Под математическим обеспечением понимают математические методы обработки информации, алгоритмы и математические модели, использующиеся для получения результата математической задачи в процессе вычислений. В начале развития ЭВМ такого понятия не существовало, однако, когда технический прогресс позволил обрабатывать все большие и большие массивы данных, появилась потребность в специфическом программном обеспечении. Все это привело к созданию автоматизированных средств программирования. Вместо написания программы на машинном коде, стали создаваться оболочки, позволяющие программисту абстрагироваться от машинных символов, что облегчило написание алгоритмов. Математическое ПО используется в научной сфере, например для проведения эксперимента с большими объемами вычислений.

Функция математического обеспечения - это моделирование процессов управления, предоставление средств преобразования высокоуровневых языков в автокод, методы математической статистики и т.д. Все они создаются при помощи математических методов и являются таким же программным обеспечением. Процесс создание матиматического обеспечения выглядит так же, как и создание другого ПО. Сначала описывается задача, которую МО должно решать. Затем создается математическая модель. Подготавливаются данные, описывающие процессы, которые исследуются в ходе решения задачи. Прорабатываются алгоритмы решения задачи. В конце, по результатам вычислений, алгоритмы и модели анализируются.

Когда ЭВМ не были так развиты, как сейчас, возможности математического обеспечения были более ограниченными в связи с большим разнообразием типов вычислительных машин. С течением времени, однако, крупные компании стали разрабатывать единые стандарты и типовые узлы, что позволило создавать универсальные программы. От написания машинного кода под каждую отдельную систему программисты перешли к использованию единой программной среды, понимающей определенный высокоуровневый язык, интерпретируемый затем в машинный код для исполнения.

При составлении математического обеспечения комплектуются методы и алгоритмы решения функциональных задач. Особое внимание при этом обращают на то, чтобы программные продукты были эффективными, а инструкции пользователя – понятными. Операционная система – один из примеров математического обеспечения. Такое обеспечение является МО общего назначения. Кроме него существует математическое обеспечение, нацеленное на решение конкретных задач в различных областях науки, техники и народного хозяйства.

Те же операционные системы могут быть созданы заточенными под специфические нужды, например, для использования в институтах ядерной физики. ЭВМ, установленные там, используются, в основном, для управления и снятия информации с экспериментальных установок. И для каждой такой установки создают специализированную ОС реального времени или разделения времени. В других сферах большие комплексы программ под управлением специализированных ОС контролируют правильность работы аппаратуры, съем информации, ее обработку, сжатие и накопление.

В сфере бухгалтерского учета математическое обеспечение используется для экономических расчетов, ведения учетных данных и описания решений бухгалтерских задач.

Одним из видов математического обеспечения являются САПР. Это системы автоматизированного проектирования, и нужны они для создания чертежей и объемных моделей, применяемых в машиностроении, архитектуре и тяжелой промышленности.

Математическое обеспечение играет важную роль в создании автоматизированной управляющей системы. Там МО используют при решении производственных задач, что позволяет сделать производственный процесс наиболее эффективным. В АСУ математическое обеспечение должно содержать средства автоматизации программирования задач, а также средства компоновки рабочих моделей конкретных систем из стандартных программ и их обслуживания.

Языки программирования – главные «кирпичики» в создании математического обеспечения. Язык программирования описывает типы данных, их структуры и взаимосвязи. Но перед написанием и реализацией определенной программы, ее нужно разработать. Для этого нужно сначала создать модель системы, затем разработать общий алгоритм, алгоритм отельных элементов математического обеспечения, и затем проверить, насколько они достоверны.

Математическое моделирование – это операции по составлению и изучению математических моделей, которые являются системами математических соотношений, описывающих процесс или явление.

Для того, чтобы поставить задачу моделирования, необходимо собрать исходную информацию, причем к ней должны быть заранее определены требования. После выдвигаются гипотезы и предложения относительно решений, определяются параметры и переменные модели. Затем определяют содержание и описывают модель. Весь процесс создания математической модели называется математическим программированием.

Математическая модель представляет из себя описание исследуемого объекта посредством математических средств, таких, как уравнения. Многие математические модели были исследованы только сейчас, с появлением продвинутых вычислительных систем, так как до этого исследовать их было невозможно.

Математические модели бывают описательными, оптимизационными, многокритериальными и игровыми.

Описательная модель – это модель, которая всего лишь описывает какое-либо явление или процесс математическими средствами, но не способна повлять на него.

Оптимизационная модель – это модель, которая не только описывает явление или процесс, но и способна воздействовать на него с целью достижения определенного результата.

Многокритериальная модель – применяется там, где оптимизировать цель и средства ее достижения нужно сразу по нескольким параметрам.

Игровая модель – относится к теории игр и используется при планировании процесса тогда, когда доступная информация не полна.

Заключение

Вычислительные системы прошли долгий путь эволюции, от хранения информации на бумажных перфокартах, до высокоточных вычислений, миллионов операций в секунду. Спустя 50 лет с начала развития микроэлектроники, компьютеры пришли в каждый дом, и если в начале пути электронно-вычислительная машина занимала целую комнату, теперь весь ее функционал помещается в ладони.

Однако с приходом информационных технологий возросла и энтропия, как в наших головах, так и в окружающей среде. Человеческий мозг способен обрабатывать не так много информации, и конечно, тут не обойтись без вычислительных систем. ЭВМ не только хранит и обрабатывает данные, но и минимизирует время их поиска.

Тысячи программистов работают над таким программным обеспечением, как базы данных, над алгоритмами оптимизации обработки и хранения информации, целые комнаты и даже здания отдаются под обустройство серверов, для продвижения облачных технологий, и каждый день сотни суперкомпьютеров решают новые научные задачи и проводят новые сложные эксперименты.

Однако в связи с тем, что развитие микроэлектроники вот-вот достигнет своих физических пределов, дальнейшее техническое развитие такими же темпами невозможно. Количество транзисторов, которые могут поместиться на 1 нанометре электронной платы, ограничено, а потому для дальнейшего поступательного развития человечеству, несомненно, нужны новые технологические решения. И такое решение уже было найдено – это переход к параллельным вычислениям. Как мы рассмотрели в данной работе, объединение множества отдельных процессоров или вычислительных машин в одну – это отличный выход для тех случаев, когда одна система недостаточно эффективна. Здесь появляются огромные возможности совершенствования средств вычислительной техники. Но следует отметить, что при несомненных практических достижениях в области параллельных вычислений, до настоящего времени отсутствует их единая теоретическая база.

Сейчас в мире компьютерных технологий получили развитие две инновации – это метод вычисления при помощи квантовых компьютеров и нейровычислители. Обе технологии связаны с параллелизмом, однако подходят к нему с разных сторон. Создание квантовых компьютеров открыло возможность выполнять операцию одновременно над неограниченным количеством кубитов, при этом существенно увеличивая скорость вычислений. Технология же нейровычислителей предоставляет возможность одновременно выполнять множество разных простых задач на простых вычислительных системах. Главная задача нейрокомпьютера – обработка образов – гораздо быстрее выполняется в условиях параллельной архитектуры, нежели обычной последовательной. В то же время нейронные компьютеры позволяют нам получить универсальные и в то же время «живучие» системы, из-за их однородной структуры.

Одно из направлений развития вычислительных систем – искусственный интеллект – также становится все более и более перспективным направлением, в котором ведутся многочисленные исследования и проводятся эксперименты разной степени сложности, например, испытания на роботах. В ближайшие 5 лет когнитивные технологии позволят упростить жизнь миллионам граждан. Суть когнитивной вычислительной системы в возможности обучаемости и адатируемости к окружающей среде при помощи средств изучения и восприятия, различных датчиков и имитации работы нейронов человеческого мозга. Вычислительные системы новой эры смогут имитировать человеческие чувства: они научатся видеть, обонять, осязать, слышать и пробовать - хотя и будут делать это по-своему.

Для людей с ограниченными возможностями такие технологии будут особо важны, ведь они помогут им облегчить изучение и понимание окружающего мира. Когнитивные вычислительные системы помогут нам преодолеть любые барьеры, включая большие расстояния и язык.

Список литературы

1. Бройдо В. Ильина О. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации, изд. - Питер, 2011.

2. Емельянов С.В Информационные технологии и вычислительные системы. М., 2010.

3. Мамзелев И.А. Вычислительные системы в технике связи Издательство: Радио и связь, 2007.

4. Паттерсон Д., Хеннесси. Дж. Архитектура компьютера и проектирование компьютерных систем. изд. - Питер. 2012.

5. Пятибратов А.П., Гудыно Л.П., Кириченко А.А. Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы, М., 2009.

6. Соломенчук В., Соломенчук П., Железо ПК 2012, Издательство: БХВ-Петербург, 2012.

7. Таненбаум Э. Современные операционные системы, изд. - Питер, 2011.

8. Таненбаум Э., Уэзеролл Д., Компьютерные сети, изд. - Питер, 2012.

9. Таненбаум Э. Архитектура компьютера, изд. - Питер, 2011.

10. Чекмарев Ю.В. Вычислительные системы, сети и коммуникации, Издательство: ДМК-Пресс, 2009

11. Моисеенко Е.В., Лаврушина Е.Г. Информационные технологии в экономике. Издательство: ВГУЭС, 2004

12. Ю.К. Беляев, В.А. Богатырев, В.В. Бородин. Надёжность технологических систем Издательство: Радио и связь, 1985

13. Соловьев С. В., Цой Р. И., Гринкруг Л. С. Технология разработки прикладного программного обеспечения, Издательство: Академия естествознания, 2011