Состав и свойства вычислительных систем. Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем.

Содержание:

Введение

В настоящее время трудно представить себе повседневную жизнь без использования вычислительной техники будь то персональный компьютер, монитор или электронная книга. Поэтому очень важно понять насколько данная тема важна для человека и общества в целом. Первая ЭВМ (Электронная Вычислительная Машина) была спроектирована и построена в 1945 году в США и имела название ENIAC (Электронный цифровой интегратор и вычислитель), конструкторами которой были Дж. Моучли и Дж. Эккерт. Её габариты были очень внушительными (около 90 м² и вес 35 тонн). Современная вычислительная техника шагнула далеко вперед за эти годы и теперь маленький микропроцессор может обрабатывать больше информации чем все существующие в 60х годах ЭВМ вместе взятые.

В данной работе мы рассмотрим:

1. Что такое ВМ
2. Из чего они состоят
3. Какими свойствами обладают
4. Что такое математическое обеспечение
5. Что такое информационное обеспечение

Глава 1. Что такое вычислительные машины и их состав

Начнем с терминологии: большинство современной литературы имеют общее представление вычислительной машины как «совокупность взаимодействующих между собой аппаратных средств и программ, предназначенных для обслуживания одного рабочего участка».

Состав вычислительных машин называют конфигурацией. Которая в свою очередь делится на 2 типа: программную и аппаратную. Рассмотрим аппаратную конфигурацию.

Аппаратная конфигурация делится на 2 типа: внешнюю и внутреннюю. В состав внутренней аппаратной конфигурации входят все платы процессоры и так далее, проще говоря это «начинка» нашего компьютера. Внешняя аппаратная конфигурация это периферийные устройства, подключаемые к вашему ПК например мышь, монитор, колонки и т.д.

Внутренняя аппаратная конфигурация^[1]

Системный блок. Как таковой системный блок не является отдельным компонентом компьютера, но он включает в себя все платы и процессоры, выполняющие большинство операций настольного компьютера.

В корпусах большинства системных блоков расположены отверстия для вентиляции этих самых комплектующих, так как охлаждение является неотъемлемой часть. Любого стационарного ПК. Корпуса бывают нескольких видов: в виде плоской (mini tower case), узкопрофильной (low profile - корпус slim) коробки либо башни (стойки - big tower case), FullTower - вертикальное напольное исполнение, а также может встраиваться в монитор.

Состав расположенных в корпусе комплектующих:

• блок питания;
• системная плата;
• процессор;
• оперативная память;
• платы расширения (аудиоадаптер, видеоадаптер и др.);
• накопитель на жестких магнитных дисках;
• дисковод для гибких магнитных дисках (в настоящее время не используется);
• накопитель CD-ROM;

Блок питания преобразует переменное напряжение электросети в постоянное напряжение различной полярности и величины (5 В и 12 В), необходимое для питания системной платы и внутренних устройств. Блок питания содержит вентилятор, создающий циркулирующие потоки воздуха для охлаждения системного блока. Кроме собственно преобразования высокого напряжения в низкие блок питания обеспечивает стабилизацию и сглаживание вы­ходных напряжений.

Современные блоки питания РС отличаются высокой надеж­ностью, но все же качество их различно. Например, в местности, под­верженной частым летним грозам и связанным с этим флуктуациям в сети, некоторые компьютеры работают великолепно, несмотря на мигания осветительных ламп. Другие же компьютеры отключаются и производят перезагрузку даже при малейшем колебании сети.

Блоки питания характеризуются несколькими параметрами. Однако потребителя более всего интересует мощность блока, выра­женная в ваттах. Мощность в ваттах представляет собой произведение напряжения и тока блока питания. Хотя современные блоки питания обладают большими возможностями, чем раньше, блока питания на 200 Вт (для одноядерного процессора) достаточно практически для каждого современного персонального компьютера, благодаря применению больших интегральных схем с малым потреблением энергии. Для двухъядерного процессора рекомендуемая мощность 400-450 Вт.^[2]

Процессор. Это мозг нашего компьютера. Процессоры конструктивно могут выполняться как в виде одной большой интегральной микросхемы — чипа, так и в виде нескольких микросхем, блоков электронных плат и устройств.

В настоящее время микропроцессоры и процессоры вмещают в себя миллионы транзисторов и других элементов электронной логики и представляют собой сложнейшие высокотехнологичные электронные устройства.

Персональный компьютер содержит в своем составе довольно много различных процессоров. Каждое устройство, будь то видеокарта, системная шина или еще что-либо, обслуживается своим собственным процессором или процессорами. Однако архитектуру и конструктивное исполнение персонального компьютера определяет процессор или процессоры, контролирующие и обслуживающие системную шину и оперативную намять, и, что более важно, выполняющие объектный код программ. Такие процессоры принято называть центральными или главными процессорами (Central Point. Unit — CPU). На основе архитектуры центральных процессоров строится архитектура материнских плат и проектируется архитектура и конструкция компьютера.

Процессоры имеют несколько параметров или характеристик а именно: тактовая частота (стандартная и максимальная), объем шины, количество ядер, параметры для оперативной памяти (слот и тактовая частота) и количество потоков (не путать с ядрами).

Оперативная память (ОЗУ). ОЗУ (оперативное запоминающее устройство), оно же RAM (Random Access Memory) - память с произвольным доступом, представляет собой область временного хранения данных, при помощи которой обеспечивается функционирование программного обеспечения. Физически, оперативная память в системе представляет собой набор микросхем или модулей (содержащих микросхемы), которые обычно подключаются к системной плате.

В процессе работы память выступает в качестве временного буфера (в ней хранятся данные и запущенные программы) между дисковыми накопителями и процессором, благодаря значительно большей скорости чтения и записи данных.

По своей структуре память напоминает пчелиные соты, т.е. состоит из ячеек, каждая из которых предназначена для хранения мёда определенного объема данных, как правило, одного или четырех бит. Каждая ячейка оной имеет свой уникальный «домашний» адрес, который делится на два компонента – адрес горизонтальной строки (Row) и вертикального столбца (Column).^[3]

Ячейки представляют собой конденсаторы, способные накапливать электрический заряд. С помощью специальных усилителей аналоговые сигналы переводятся в цифровые, которые в свою очередь образуют данные.

Для передачи на микросхему памяти адреса строки служит некий сигнал, который зовется RAS (Row Address Strobe), а для адреса столбца — сигнал CAS (Column Address Strobe).

Системная (материнская) плата - системная плата компьютера, имеющая разъёмы для установки дополнительных плат расширения и служащая механической основой всей электронной схемы компьютера. То есть это плацдарм для большинства комплектующих. Сокеты или разъемы в материнской карте подходят только определённые компоненты, например в сокет LGA 1151-v2 нельзя вставить процессор с сокетом LGA 1155.

Работа системного блока без материнской платы просто невозможна, все составляющие взаимодействуют между собой благодаря именно материнской плате, так данные с жёсткого диска никогда не смогут быть обработаны в процессоре до того, как попадут в оперативную память, а графическому адаптеру будет нечего получить от компьютерной системы и впоследствии передать монитору. Самые обыкновенные устройства информации, такие как мышь и клавиатура, также обмениваются информацией через разъёмы на материнской плате.

Хорошим примером будут уже устаревшие разъёмы IDE и все ревизии SATA, ведь к ним подключается дисковод оптических дисков, жёсткий диск или твердотельный накопитель с помощью специальных шлейфов, а впоследствии они участвуют в информационном обмене с процессором, а потом уже и другими устройствами.

Платы расширения – это вид компьютерных комплектующих, которую устанавливают в слот расширения материнской платы компьютерной системы с целью добавления дополнительных функций, например:

Видеоадаптер. Итак, говоря по-простому, видеоадаптер (видеокарта) служит для расчета (рендеринга) изображения и вывода его на экран монитора. Другими словами, видеоадаптер занимается формированием всего, что вы видите на своем мониторе. Это его основные функции, но помимо этого сейчас есть тенденция использовать его большие вычислительные возможности в задачах не связанных напрямую с формированием и выводом изображения на дисплей.^[4]

Все видеокарты можно разделить на две большие группы: интегрированные и дискретные. Интегрированные или по-другому встроенные видеокарты, как уже понятно из названия, являются неотъемлемой частью материнской платы или центрального процессора, то есть встроены в них. Часто используются следующие выражения: встроенное видео, интегрированная графика, встроенный графический контролер, видеоадаптер интегрированный в чипсет и другие. Наличие интегрированного видео уменьшает стоимость и энергопотребление компьютера, однако они имеют ограниченную производительность (часто не имеют собственной видеопамяти и используют ОЗУ компьютера) и используются в основном в нижнем и среднем сегментах рынка компьютерных систем.

Дискретная видеокарта, представляет собой отдельную плату расширения, устанавливаемую в специальный слот на материнской плате. Она имеет в себе все необходимое для полноценной работы. Благодаря этому, она может иметь высокую производительность, позволяющую использовать ее в «тяжелых» 3D-играх и серьезных графических приложениях. Главными минусами является высокая стоимость и энергопотребление, что особенно важно для ноутбуков.

В свою очередь их можно разделить на два класса, игровые и профессиональные. Первые в основном используются обычными людьми для игр, а профессиональные видеокарты нацелены на использование в различных «тяжелых» графических приложениях 3D-моделирования, САПР и тому подобное, где они способны дать значительный прирост производительности. Соответственно и стоимость высокопроизводительных моделей может быть заоблачной.^[5]

Звуковые платы. Это устройство для ввода и вывода звука в компьютере. Используется для записи и воспроизведения различных звуковых сигналов: речи, музыки, шумовых эффектов. Любая современная звуковая карта может использовать несколько способов воспроизведения звука. Одним из простейших является преобразование ранее оцифрованного (с помощью аналого-цифрового преобразователя) сигнала снова в аналоговый (с помощью цифроаналогового преобразователя). Аналого-цифровой преобразователь замеряет аналоговый сигнал через очень короткие промежутки времени (этот процесс называется квантованием) и результат каждого замера преобразует в соответствующее числовое значение (этот процесс называется оцифровкой). Глубина оцифровки сигнала, напр. 8 бит или 16 бит (что даёт возможность получить 2 в 16-й степени, равное 65 536 уровням квантования), определяет качество записи и, соответственно, воспроизведения. 8-разрядное преобразование обеспечивает качество звучания кассетного магнитофона, а 16-разрядное – качество компакт-диска. При помощи звуковой карты можно вводить звук в компьютер с таких внешних источников звука, как микрофон или линейный выход магнитофона, радиоприёмника, музыкального центра, встроенного в компьютер CD-дисковода. Воспроизведение звука может осуществляться через встроенный динамик компьютера либо через подключаемые к звуковой карте наушники или звуковые колонки.

Сетевые платы. Большое количество современных системных плат имеют встроенные сетевые адаптеры, но если это не так, то можно добавить поддержку сети с помощью отдельной платы расширения. Нередки также случаи, когда нужно подключить компьютер к двум и более сетям одновременно, в таком случае невозможно обойтись без установки дополнительных сетевых адаптеров.

Оптический привод. Оптический привод, для чего он необходим? В независимости от того, что это устройство уже давно используется людьми, не все знают, что это за такой привод. Перейдём расшифровке сложившегося термина.

Дисковод оптических дисков или оптический привод – это устройство, совмещающее в себе как механическую, так и электронную составляющую, вся работа которого основана на использование лазера, его функцией является именно считывание информации с оптических дисков, при этом некоторые представители наделены ещё и возможностью записи данных.^[6]

Для обозначения дисковода оптических дисков, за частую используют синонимы, его могут назвать оптическим приводом, просто приводом, дисководом, а иногда приходится слышать мене распространённые его названия. Термин дисковод, как и многие другие термины, связанные с компьютерами, произошёл от англ. Disk Drive (Дисковый привод), что значит, при грубой формулировке – приводящий в движение, а раскручивает он, как было сказано ранее именно диски. Оптический дисковод не единственный представитель устройств дисководов, но единственный используемый по сей день в актуальных компьютерных конфигурациях.

Жесткий диск. Жесткий диск служит для долговременного хранения информации в компьютере, то есть вся наша музыка, фотографии, фильмы, документы, а также установленные программы, драйвера и файлы самой операционной системы хранятся на нем. Жесткий диск компьютера можно сравнить с тетрадью, куда ученик записывает лекции и остальную информацию, которая понадобится ему в дальнейшем. Пока в тетради есть чистые страницы на них можно записывать новые данные или при необходимости изменить уже записанные, воспользовавшись «замазкой».

Правильное название данного устройства звучит как — накопитель на жестких магнитных дисках или hard (magnetic) disk drive на английском языке. Так же широко распространены следующие варианты: винчестер, винт, хард, НМЖД, HDD, HMDD. Почему его называют винчестер есть множество версий, но наиболее распространенная версия, что первый жесткий диск в современном понимании этого слова разработанный компанией IBM имел внутренне сокращенное наименование «30-30», что совпадало с популярной охотничьей винтовкой Winchester Model 1894 применявшей патрон .30-30 Winchester. Название «винт» является его сокращением в компьютерном сленге.^[7]

Внешняя аппаратная конфигурация

К внешней аппаратной конфигурации, из стандартной комплектации компьютера относятся:

• Мониторы;
• Устройства ввода (Клавиатура, мышь);
• Сканеры, принтеры;
• Колонки;

Мониторы. На данный момент времени существует несколько видов мониторов, но мы рассмотрим их с точки зрения жидкокристаллических или ЖК (LCD) мониторов. Эти мониторы состоят из пластин стекла, между которыми и располагаются жидкие кристаллы. На схеме 1 ниже можно увидеть как это выглядит в разрезе.

Схема 1 – Строение ЖК монитора

Устройства ввода. Клавиатура и мышь служат пользователю, как средство ввода текстовых данных и команд, а также помогают более удобно использовать интерфейс компьютера. В настоящее время большинство людей используют современные, лазерные мышки (мышки с шариком канули в лету), а вот с клавиатурами вопрос стоит ребром, ибо выбираются они исключительно под пользователя.

Сканеры, принтеры. Данные устройства, по своей природе, тоже являются вычислительными системами и позволяют работать полноценно с документаций.

Данные устройства позволяют использовать аудио/видео контент, вводить текстовую информацию и даже рисовать. С помощью сканеров и принтеров можно отсканировать, а также распечатать интересующие нас документы.

Вот мы и разобрались с такими понятиями как «Вычислительная система», её компоненты и для чего всё это необходимо. Это всё внешняя конфигурация. Теперь рассмотрим программную составляющую.

Программное обеспечение^[8]

Программа (англ. «Program») – обычно последовательность операций, выполняемых вычислительной машиной для реализации какой-нибудь задачи. Например, программа редактирования текста или рисования.

Совокупность программ для компьютера образует программное обеспечение (ПО).

Выделяют резидентные программы, загружаемые в оперативную память и после завершения работы оставляющие в ней некоторую свою часть (ядро). Ядро позволяет осуществлять постоянно заданные функции, например, программа русификации клавиатуры позволяет выводить на экран компьютера русские символы. Обычно «ядро» вызывает необходимую программу или её часть в любой нужный момент, в том числе и во время выполнения других программ.

Существует несколько классификаций программного обеспечения. По назначению, а также функциональному признаку можно выделить три основных вида ПО информационных технологий: 

1. Системное программное обеспечение. 
2. Инструментальное программное обеспечение. 
3. Прикладное программное обеспечение.

Схема 2 - Классы ПО 

Системное программное обеспечение включает в себя: операционные системы, сетевое ПО, командно-файловые процессоры (оболочки), языки программирования, сервисные программы (в т.ч., тестовые и диагностические программы, системные драйверы периферийных устройств, утилиты), архиваторы и антивирусные программы.

Операционная система (ОС) – программа, первой загружаемая при включении компьютера. Первая ОС для IBM-совместимого компьютера (MS DOS) была создана в 1981 году. ОС организует выполнение других программ. Без неё невозможна работа человека на компьютере. ОС управляет компьютером, его ресурсами (оперативной памятью, местом на дисках и т. д.), запускает сервисные функции, контролирует работу технических устройств и некоторых вспомогательных программ, производит диалог с пользователем, запускает на выполнение прикладные и иные программы.

Операционные системы являются основными программными комплексами, выполняющими следующие основные функции: 

• тестирование работоспособности вычислительной системы и её настройка при первоначальном включении; 
• обеспечение синхронного и эффективного взаимодействия всех аппаратных и программных компонентов вычислительной системы в процессе ее функционирования; 
• обеспечение эффективного взаимодействия пользователя с вычислительной системой.

ОС классифицируются на: 

• однопользовательские однозадачные системы (MS-DOS и др.); 
• однопользовательские многозадачные системы (OS/2, Windows 95/98/2000 и др., Vista); 
• многопользовательские (сетевые) системы (семейство UNIX, Linux, WindowsNT и др.).^[9]

К основным функциям сетевых ОС, предназначенных для работы в различных сетях, относятся: 

1. управление каталогами и файлами;
2. защита от несанкционированного доступа; 
3. обеспечение отказоустойчивости; 
4. управление сетью;

Простейшими сетевыми являются ОС для одноранговых сетей. Их функция заключается в разделении дисков разных узлов между всеми пользователями, соблюдению паролей и запретов на использование определённых дисков.

Сервисные программы, драйверы и утилиты. Как правило, часть таких программ утилит и драйверов входит в состав операционных систем. Они могут существовать и отдельно от ОС. В любом случае их назначение заключается в предоставлении пользователям возможности подключать к компьютеру различные внешние (периферийные) устройства, в настройке их параметров и параметров операционной системы. К этому классу программ можно отнести архиваторы и программы резервного копирования.

Тестовые и диагностические программы предназначены для проверки работоспособности отдельных узлов компьютеров, компонентов программно-файловых систем и устранения выявленных неисправностей.

Языки программирования – средства разработки программ (трансляторы, компиляторы, редакторы связей, отладчики и др.); программы или процедуры, связанные с написанием программ. 

При написании программ для компьютеров используются специальные машинные алгоритмические языки высокого уровня: Бейсик (Basic), Фортран (Fortran), Паскаль (Pascal), Си (С) и многие другие. Командно-файловые процессоры (оболочки) предназначены для организации взаимодействия пользователя с вычислительной системой.  С ОС MS-DOS эффективно использовались программы-оболочки Norton Commander, Windows версий до 3.11 и др. Ныне существуют подобные программы типа FAR, Windows Commander, Проводник и др. Однако они редко используются на современных ПК с ОС, позволяющими выполнять эти функции другим образом, чаще всего более приемлемым для современных пользователей ПК. Так, в ОС Windows эффективно используется система ярлыков и папок, отражаемых на «Рабочем столе» ОС.

Антивирусные программы предназначены для диагностики, выявления и устранения вирусных программ, нарушающих нормальную работу вычислительной системы.

Компьютерный вирус – специальная, способная к саморазмножению, программа, обычно составляемая со злым умыслом. Программы-антивирусы, включая средства диагностики и профилактики, позволяют: не допустить попадание компьютерных вирусов в компьютерную систему, лечить заражённые файлы и диски, обнаруживать и предотвращать подозрительные (характерные для вирусов) действия. В России наибольшей популярностью пользуются отечественные антивирусные программы DrWeb (Doctor Web) И. Данилова и AVP Е. Касперского («Antiviral Toolkit Pro»).

Инструментальное ПО – программы-полуфабрикаты, например, СУБД (системы управления базами данных) и т.п.; специально созданные системы программирования, позволяющие на их базе создавать новые конкретные прикладные программные продукты для компьютеров (обучающие, игровые, тренажёры и др.).

Системы управления базами данных предназначены для создания, хранения и манипулирования массивами данных большого объёма. Разные системы этого класса различаются способами организации хранения данных и обработки запросов на поиск информации, а также характером данных, хранящихся в базе. На их основе создаются базы и банки данных, информационно-поисковые системы.

Итог: для полноценного функционирования вычислительной системы требуется определенная конфигурация, которая зависит от поставленных задач. Также необходимо наличие программного обеспечения (начиная от драйверов и заканчивая всевозможными программами и утилитами для данной ВС).

Глава 2. Свойства вычислительных систем^[10]

Под «свойствами вычислительных систем» принято понимать их общую характеристику и в зависимости от нужд делать упор на то или иное свойство. На данный момент их существует 5 видов:

• Реконфигурироемость;
• Живучесть;
• Масштабируемость;
• Надёжность;
• Универсальность;

Реконфигурируемость (Programmability) вычислительных систем

Простыми словами это возможность системы на модернизацию или своеобразные изменения в зависимости от конкретных задач, поставленных перед вычислительной системой. Реконфигурация происходит за счет замены состава вычислителей, изменением их числа и структуры, а также поиск синергии этих самых вычислителей. Также учитывается возможность структур выстраиваться в виде графов, принадлежащим к разным классам и возможность применения в качестве связей каналы разного типа и физической природы и различного размера и т.п.. Благодаря приспособленности ВС к постоянной реконфигурации достигается адаптация системы под область применения на этапе её формирования.

Постоянная реконфигурация ВС бывает возможной благодаря созданию в подобных системах неких подсистем, которые имею адекватную структуру и функциональную организацию для мультипрограммной ситуации, а также динамике решаемых задач. Из это следует, что способность к постоянной модернизации и изменения состава вычислительной системы приводит к её повышенной универсальности, при которой увеличивается диапозон применения и спектр выполняемых задач. При решении широкого класса задач, реализуются известные в вычислительной технике режимы функционирования (коллективное пользование, пакетная обработка и др.), способы управления вычислительным процессом (централизованный, децентрализованный и др.), структурные схемы (изолированные вычислительные машины, системы из нескольких процессоров и одной ЭВМ, системы из одной ЭВМ и нескольких устройств памяти и т.п.) и способы обработки информации (конвейерный, матричный, распределённый и др.).

Данные два понятия семантически близки, оба призваны характеризовать архитектурные способности ВС по выполнению возглавляемых на них функций. Однако каждое из них отражает специфические особенности ВС по использованию исправных ресурсов при переработке информации.

Живучесть (Robutness) вычислительных систем это свойство программной настройки и структурирования функционала схем таким образом, чтобы в условиях отказа вычислителей сторонние приложения и процессы, выполняемые параллельно, функционировали полноценно и имели возможность использовать все исправные вычислители. Понятие живучести вычислительных систем характеризует их способности по организации отказоустойчивых вычислений или, говоря иначе, по реализации параллельных программ, допускающих варьирование числа ветвей в известных пределах.

При рассмотрении живучести ВС выделяют полный и частичный отказы. Под полным отказом ВС понимается событие, состоящее в том, что система теряет способность выполнять параллельную программу с переменным числом ветвей. Частичным отказом считают событие, при котором имеют место отказы вычислителей, однако сохраняется возможность реализации на ВС параллельной программы с переменным числом ветвей. Полный отказ делает производительность системы равной нулю, а частичный отказ приводит лишь к некоторому снижению производительности, т.е. к увеличению времени реализации параллельной программы с переменным числом ветвей. Понятия полного и частичного восстановления ВС очевидны.^[11]

В живучих ВС допустимо использование аппаратурной избыточности на уровне отдельных функциональных устройств и узлов вычислителей, однако эта избыточность играет лишь вспомогательную роль.

Следует подчеркнуть, что в живучей ВС в любой момент функционирования используется суммарная производительность всех исправных вычислителей. Из последнего следует, что программы решения задач должны обладать свойством адаптируемости (под число исправных вычислителей) и иметь информационную избыточность.

Организация надёжного и живучего функционирования вычислительных систем связана с контролем правильности их работы и с локализацией неисправностей в них. В системах–коллективах вычислителей может быть применён нетрадиционный подход к контролю и диагностике:

1. в качестве контрольно-диагностического ядра ВС могут быть использованы любые исправные вычислители и в пределе ядро любого произвольно выбранного вычислителя,

2. выбор ядра системы и определение её исправности могут быть произведены автоматически ( с помощью средств ВС).

Предлагаемый подход позволяет говорить о самоконтроле и самодиагностике ВС. Заключение об исправности или неисправности отдельных вычислителей системы принимается коллективно всеми вычислителями на основе сопоставления их индивидуальных заключений об исправности соседних с ними вычислителей.

Данные свойства помогают более корректно подобрать ВС и ПО для спектра конкретных задач, а так же углубленно изучить свойства той или иной модели системы.

Масштабируемость (Scalability) вычислительных систем это свойство увеличения и уменьшения производительности за счет наращивания или сокращения ресурсов соответственно. В связи с постоянным ростом трудозатратности выполняемых с помощью вычислительных систем задач требуется чтобы она оставалась адекватным аппаратом на протяжении большего временного срока. Следовательно система должна иметь архитектурное свойство масштабируемости для долгосрочного использования данного аппарата. Это означает, в частности, что эффективность, полученною ВС на данном количестве вычислителей, можно увеличить, добавив еще один или несколько вычислителей. Выполнение этого свойства ВС гарантируется принципами модульности, локальности, децентрализованности и распределённости.

Свойство масштабируемости производительности предоставляет потенциал для решения задачи любой заданной сложности. Однако при практической реализации этой возможности требуется, чтобы алгоритм решения трудоемкой задачи удовлетворял условию локальности, а межмодульные пересылки информации не слишком влияли на сроки решения задачи. Данную задачу можно выполнить за счет крупноблочного распараллеливания сложных задач и (или) аппаратурных средств, позволяющих объединить межмодульные обмены информацией с вычислениями.

Под надёжностью (Reliability) принимается способность системы к автоматической или программной подстройке её функционала, чтобы она работала вне зависимости от отказов и восстановлении вычислителей, иначе говоря это свойство позволяет использовать определенное количество исправных вычислителей (при выполнении параллельных операций и решении сложных задач). Это понятие характеризует возможности вычислительных систем по переработке информации при наличии фиксированной структурной избыточности (представленной частью вычислителей) и при использовании параллельных программ с заданным числом ветвей.^[12]

Универсальность ВС. Принято считать, что ЭВМ (основанные на модели вычислителя) являются алгоритмически универсальными, если они обладают способностью (без изменения своих структур) реализовать алгоритм решения любой задачи. С другой стороны, ВС – это коллектив вычислителей, каждый из которых обладает алгоритмической универсальностью, следовательно, и система универсальна (в общепринятом смысле).

В вычислительных системах могут быть реализованы не только любые алгоритмы, доступные ЭВМ, но и параллельные алгоритмы решения сложных задач. Последнее следует из определений модели коллектива вычислителей и, в частности, алгоритма функционирования ВС.

Структурная универсальность ВС – следствие воплощения архитектурных принципов коллектива вычислителей, в частности, принципа программируемости структуры. Суть этого принципа – возможность автоматически (программно) порождать специализированные (проблемно-ориентированные) виртуальные конфигурации, которые адекватны структурам и параметрам решаемых задач.

Таким образом, вычислительные системы сочетают в себе достоинства цифровой техники, где процесс вычислений в основном задаётся алгоритмически (точнее: программно) и аналоговой техники, где процесс вычислений предопределяется структурными схемами.

Структурная универсальность позволяет говорить и о специализированности ВС: для каждой задачи допустима автоматическая настройка такой конфигурации из ресурсов ВС, которая наиболее адекватна алгоритму решения задачи. Итак, вычислительная система – это средство, в котором диалектически сочетаются противоположные свойства универсальности и специализированности.

В отличие от ЭВМ, построенных на основе модели вычислителя, ВС не имеют принципиальных ограничений в наращивании производительности. Рост производительности в них достигается за счёт не только повышения физического быстродействия микроэлектронных элементов, а главным образом увеличения числа вычислителей. Следует подчеркнуть, что благодаря свойству однородности наращиваемость ВС осуществляется простым подключением дополнительных вычислений без конструктивных изменений первоначального состава системы. При этом достигается простота настройки программного обеспечения на заданное число вычислителей в системе. На основании последнего обеспечивается совместимость ВС различной производительности.^[13]

Глава 3. Математическое и информационное обеспечение вычислительных систем.

Математическое обеспечение

В связи с постоянно растущей необходимостью улучшения работоспособности программистов и специалистов, производящих разнообразные вычисления на ЭВМ стало причиной появления такого термина как математическое обеспечение. Так что это такое? В литературе фигурирует такая формулировка: «Математическое обеспечение - совокупность математических методов, моделей и алгоритмов обработки информации, используемых при решении функциональных задач и в процессе автоматизации проектировочных работ». Простыми словами математическое обеспечение – это своеобразный помощник для программиста, автоматизирующий работу вычислителей. И действительно, команды отдаваемые вычислительной машине в большинстве случаев представляют собой набор элементарных операций, соответственно запись алгоритма (программирование) в виде последовательности является достаточно трудоемкой задачей. Данные проблемы и послужили началом развития такого направления как математическое обеспечение. Происходило укрупнение операций, понимаемых электроникой машины, но это не решило проблемы. Даже у современных ЭВМ команды, как правило, представляют собой элементарные операции. Существенно больший успех был достигнут на пути создания программных средств, облегчающих программирование. Первым шагом было создание математического обеспечения, позволяющего программировать на автокоде. Программа на автокоде фактически представляет собой ту же последовательность команд ЭВМ, но записанных символическими обозначениями - в мнемоническом виде. Преобразование мнемонического кода программы в команды машины осуществляют специальные программы - ассемблеры. Затем появились макроассемблеры, которые дали возможность использовать в текстах программ макрооператоры, обеспечивающие выполнение группы команд машины.^[14]

Следующим этапом автоматизации программирования было создание алгоритмических языков высокого уровня. Имеется свыше тысячи алгоритмических языков различного назначения, применение которых существенно сокращает затраты на разработку и создание программ. Первым, получившим широкое распространение, стал язык фортран. Затем появились языки алгол, алгамс, а в СССР и язык альфа, предназначенные в основном для проведения научно-технических расчетов. Для записи алгоритмов обработки экономичемкой информации был создан язык кобол. Алголоподобный язык паскаль имеет средства для описания структуры данных. Для работы с текстовой информацией предназначены языки лисп, снобол, амбит, сдл и др. Для описания алгоритмов проведения аналитических реобразований на ЭВМ получила широкое распространение система Reduce, а в СССР и язык аналитик. Как развитие и обобщение языков фортран, алгол и кобол появились языки ПЛ/1 и алгол-68.

Параллельно с развитием языковых средств велись работы по созданию библиотек стандартных программ. Имеются тысячи подпрограмм, программ и программных комплексов, в которых реализованы алгоритмы общего и специального назначения с использованием методов вычислительной математики. Среди них: вычисление элементарных и специальных функций, линейная алгебра, счет интегралов, численное решение обыкновенных дифференциальных уравнений и уравнений с частными производными, метод наименьших квадратов и др. Стандартные программы организованы в виде библиотек подпрограмм, записанных на магнитные ленты или диски, так что они легко доступны. Для вызова подпрограммы достаточно поставить в программе оператор обращения к ней. Наиболее часто применяемые подпрограммы хранятся в виде стандартных модулей загрузки на языке, весьма близком к кодам ЭВМ. Как правило, трансляторы алгоритмических языков выдают результат своей работы в виде последовательности отдельных подпрограмм и процедур, которые сразу же после трансляции записываются во временную библиотеку в виде стандартных модулей загрузки. Последующее объединение отдельных подпрограмм в рабочую программу в кодах ЭВМ с соответствующей настройкой осуществляет загрузчик либо перед началом счета (статический загрузчик), либо во время счета в момент вызова конкретной подпрограммы (динамический загрузчик). В некоторых системах объединение отдельных оттранслированных ранее частей программ в единую программу осуществляет так называемый редактор связей, а загрузчик только располагает готовую программу в памяти машины.

Наряду с пополнением библиотеки стандартных подпрограмм все большее распространение получает практика создания пакетов прикладных программ, рассчитанных на решение не отдельной задачи, а целого класса задач. Пакет программ представляет собой совокупность подпрограмм, работающих под управлением головной программы. Режим работы пакета задается посредством специализированного проблемно-ориентированного языка, чаще всего являющегося подмножеством обычного профессионального языка или жаргона.^[15]

Современные ЭВМ наряду со средствами, облегчающими написание и отладку программ, оснащаются также программными комплексами, обеспечивающими эффективное использование самих ЭВМ путем организации автоматического прохождения задач (управление заданиями), управления данными, динамического распределения памяти, внешних устройств (управления ресурсами). Совокупность этих программных средств называется операционной системой (ОС) ЭВМ. OG стали неотъемлемой частью вычислительных систем. Без ОС невозможно функционирование ЭВМ, т. к. управление работой внешних устройств, обмен информацией, организация взаимодействия отдельных элементов ЭВМ в значительной мере осуществляются посредством программ, входящих в ОС. Под управлением ОС функционируют трансляторы с алгоритмических языков, системы программ, облегчающих программирование и отладку (в том числе и в диалоговом режиме), а также обеспечивающих работу с графической информацией. ОС предоставляют средства для работы с большими массивами данных, для ведения файлов (последовательность групп данных, как правило, одинаковой структуры), создания баз данных и различного рода информационно-поисковых систем. ОС обеспечивает использование ЭВМ в составе многомашинных комплексов, в сетях ЭВМ. Кроме языковых средств, облегчающих программирование, пользователю также предоставляется возможность управления работой ОС посредством управляющих операторов (перфокарт), которые вводятся в ЭВМ вместе с программой.

В зависимости от режима работы, который обеспечивается ОС, различают три типа использования ЭВМ.

1) Пакетная обработка программ заключается в автоматическом прохождении (решении) потоков задач на ЭВМ, в том числе и в мультипрограммном режиме. Примерами ОС, обеспечивающих такой режим работы, являются ОС ЕС и ДОС ЕС для машин единой серии и машин фирмы ИБМ; системы ОС ДУБНА и ОС ДИСПАК для БЭСМ-6; система NOS/BE для машин фирмы Control Data.

2) Режим разделения времени дает возможность одновременно обслуживать многих пользователей, работающих с терминалов, связанных с ЭВМ, в том числе находящихся на больших расстояниях от нее. В качестве примеров ОС, обеспечивающих работу в таком режиме, можно назвать одну из ранних экспериментальных систем MULTICS и систему TSS/360 для машин ИБМ. В крупных вычислительных системах режим разделения времени, как правило, обеспечивается операционными системами, которые одновременно ведут счет и в режиме пакетной обработки. При этом взаимодействие с ОС происходит посредством специальных подсистем, работающих под управлением основной ОС. В NOS/BE это - система Intercom, в ОС ДУБНА - мультитайп, в ОС ДИСПАК - система ДИМОН, в ОС ЕС - ДУУВЗ и СРВ.

При работе с терминалов на ЭВМ, ведущей счет в пакетном режиме, пользователям предоставляются в режиме разделения времени только средства для набора, редактирования программ и их запуска на счет. Трансляция программ и счет идут в обычном режиме пакетной обработки, как правило, с высшим приоритетом. Пользователи имеют возможность просмотреть результат прохождения задач и, если необходимо, заново их отредактировать и вновь запустить на счет. Программа может обращаться к терминалу и в реальном времени, как к внешнему устройству ЭВМ, для ввода-вывода информации в режиме диалога.

Системы режима разделения времени часто оснащаются трансляторами, работающими в режиме интерпретации, когда отдельная инструкция (оператор языка) преобразуется в коды ЭВМ и выполняется сразу же после ее набора на терминале.

3) Операционные системы реального времени обеспечивают функционирование ЭВМ на линии с внешним оборудованием, которое в произвольные моменты времени может посылать в ЭВМ информацию, требующую оперативной обработки в момент ее поступления. ОС такого типа предназначены для управления экспериментальными и технологии, установками, работающими на линии с ЭВМ. Нередко в роли ОС реального времени выступают соответствующим образом доработанные ОС пакетного режима. ЭВМ, предназначенные для работы на линии с оборудованием (управляющие ЭВМ), имеют технические и программные средства, облегчающие создание программ и их функционирование в реальном времени.^[16]

Понятия и терминология в области математического обеспечения и системного программирования еще не четко установились. Ранее в состав ОС включались трансляторы, теперь большинство исследователей относят их к прикладным программам, работающим под управлением ОС. Разными учеными название компонент ОС, а часто и разбиение ОС на отдельные компоненты делается по-разному. Это связано главным образом с быстрым развитием этой области науки и непрерывным появлением новых понятий.

Кроме рассмотренного выше математического обеспечения ЭВМ общего назначения (операционные системы и прикладные пакеты общего назначения), имеется и продолжает активно создаваться математическое обеспечение, нацеленное на решение конкретных проблем в различных отраслях науки, техники и народного хозяйства. Программные проблемно-ориентированные комплексы создаются с использованием языковых средств и других возможностей, предоставляемых ОС ЭВМ. Объем этого математического обеспечения намного превосходит объем математического обеспечения ЭВМ общего назначения.

В крупных институтах ядерной физики и физики высоких энергий используются десятки (иногда более сотни) ЭВМ разного класса в основном для управления и съема информации с экспериментальных установок. Для каждой такой установки созданы специализированные ОС реального времени или разделения времени. Специализированные ОС обеспечивают функционирование не только ЭВМ, но и сложных электронно-механических систем. Большие комплексы программ под управлением этих ОС контролируют правильность работы аппаратуры, съем информации, ее обработку, сжатие и накопление. Экспериментатору предоставляются богатые средства диалогового графического взаимодействия с системой.

Часть систем работает в режиме автоматического опознавания событий и их изображений. Кроме специализированных ОС, в состав математического обеспечения экспериментов также входят большие комплексы программ, предназначенные для обработки экспериментальной информации. Система программ для обработки фильмовой информации имеет объем в десятки тысяч операторов фортрана, она создана в рамках модульной системы программирования ГИДРА. Система ГИДРА предоставляет пользователю средства для редактирования, организации хранения различных версий программ, для создания версий программ для конкретной трековой камеры, эксперимента и типа доступной электронной машины. В системе нашли воплощение все современные достижения программирования: модульный принцип, структурное программирование, самодокументирование, динамическое распределение оперативной памяти, удобные средства генерации. Создание конкретной версии программы сводится к написанию последовательности строк, указывающих тип измерительного устройства, этап обработки и форму выдачи информации, и к заданию числовой информации, описывающей параметры трековой камеры (константы оптической системы, карта магнитного поля) и топологию изучаемых событий. Результатом работы системы является текст программы на фортране, сгенерированный из модулей, хранящихся в системе или введенных пользователем.

Не только для ядерной физики, но и для многих других отраслей науки и техники созданы большие проблемно-ориентированные комплексы программ. Среди них комплексы программ для обработки информации в молекулярной биологии и кристаллофизике, ЭПАК и сейсморазведке (СЕИСПАК) полезных ископаемых, программные комплексы для автоматизации проектирования, для автоматизированных систем управления (АСУ) в народном хозяйстве и многие др. Как правило, создание программы для решения той или другой задачи с использованием проблемно-ориентированных систем сводится к подготовке ее описания на языке, являющемся управляющим, входным языком системы и построенным на основе определений и понятий, используемых в данной области науки, техники.^[17]

Таким образом, математическое обеспечение ЭВМ можно представить в виде двух уровней.

Первый уровень - комплекс программ, входящих в ОС или работающих под ее непосредственным управлением, который является общим математическим обеспечением, поставляемым вместе с вычислительной системой. Кроме программ собственно ОС, в общее математическое обеспечение входят в первую очередь трансляторы в машинно-ориентированных и широко распространенных процедурно-ориентированных алгоритмических языков, а также библиотеки стандартных подпрограмм общего назначения.

Информационное обеспечение

Понятие информационное обеспечение широко применяется при изучении действующего на объекте документооборота и состава форм документов, информационных связей между подразделениями, организации формирования, приема, передачи данных на всех уровнях управления, состояния нормативно-справочной информации и систем классификации и кодирования, а также других аспектов обеспечения персонала информацией, необходимой для планирования производственных процессов, учета состояния объекта и принятия решения по управлению им. Так, ИнфС (информационная система) предприятия как объекта управления рассматривается как многоуровневая коммуникационная сеть системы управления, в рамках которой реализуются процессы по поступлению, передаче, обработке, накоплению и выдаче информации.^[18]

При сложившихся традиционных методах обработки информации (без использования АС) для целей управления объектом каждое функциональное подразделение (плановый отдел, бухгалтерия, отдел материально-технического снабжения и т. д.) имеет свои информационные связи с производственными подразделениями (цехами, складами и т. д.). При этом информационные потоки во многом дублируются. Однородные данные, полученные одним функциональным подразделением не могут быть реализованы другим подразделением ввиду разной формы представления. Это приводит к большим затратам на обработку информации.

Создание и функционирование АС, базирующейся на интеграции обработки данных с применением новейших средств и методов, вот основное назначение использования автоматизированных методов обработки информации. При организации интегрированной системы обработки существенно изменяются традиционные информационные потоки. Здесь данные направляются от производственных подразделений в центр обработки, который связан с памятью машины. И ведет необходимые расчеты для снабжения функциональных служб соответствующей информацией.^[19]

Характер производственных процессов оказывает влияние на организационную структуру предприятия и на функциональные обязанности управленческого персонала отдельных подразделений. Эти особенности оказывают влияние на перечень показателей, которыми оперирует управленческий персонал данной функции на конкретном предприятии. Перечень показателей специфичен по составу и вполне определен для каждой функции, так как обуславливает существенные, стабильные для данной системы действия. Все это должно быть отражено в структуре АС, в которой фактически фиксируется модель производственной и управленческой деятельности предприятия.

Любая система управления может функционировать только в том случае, если в ней циркулирует информация. Поэтому процесс управления связан с хранением, преобразованием и использованием информации, отражающей всю производственно-хозяйственную деятельность управляемого объекта в различных показателях. Любой процесс управления − это, прежде всего, информационный процесс, который предполагает выполнение функций по сбору, передаче, обработке, анализу информации и принятию соответствующих решений. В общем, схематическом виде информационные потоки включает в себя следующие основные элементы:^[20]

1. на вход системы поступают трудовые и материальные ресурсы, необходимые для производства продукции; непосредственный процесс производства, в ходе которого осуществляется переработка ресурсов;
2. производственно-технологический блок, или управляемый объект, отражает непосредственный процесс производства, в ходе которого осуществляется переработка ресурсов;
3. на выход системы поступает готовая продукция, что характеризует достижение поставленной цели;
4. блок управления осуществляет информационную связь (прямую и обратную) компонентов производственной системы, обеспечивая их целенаправленное и согласованное функционирование.

Схема 2 – Информационные потоки

Основные информационные потоки между внешней средой, управляемым объектом и системой управления помечены метками ИП1, ИП2, ИП3, ИП4 и связаны с поддерживающей их ИнфС. ИнфС представляет собой совокупность технических, программных и информационных средств, объединенных в единую систему с помощью информационных потоков с целью сбора, хранения, обработки и выдачи необходимой информации, предназначенной для целей управления, где:

ИП1 − информационный поток из внешней среды в систему управления, который, с одной стороны, представляет задание на изготовление продукции, поток нормативной информации, создаваемый государственными учреждениями в части законодательства, а, с другой стороны, − поток информации о состоянии внешней среды;

ИП2 − информационный поток из системы управления во внешнюю среду, а именно: отчетная информация, всевозможные запросы и т. д.;

ИП3 − информационный поток из системы управления на управляемый объект (прямая связь), представляющая собой совокупность плановой, нормативной и распорядительной информации для осуществления процессов по изготовлению продукции;

ИП4 − информационный поток от управляемого объекта в систему управления (обратная связь), который отражает учетную информацию о состоянии управляемого объекта (наличия сырья, материальных, денежных, энергетических, трудовых ресурсов) в результате выполнения процессов по изготовлению продукции.

По итогам данного проекта мы смело можем сделать вывод, что знание и принцип сборки той или иной вычислительной системы просто необходимо в современном мире. Уже ни одна организация не обходится без вычислительной техники. Перед данной работой стояла задача – выяснить из чего состоят вычислительные системы, какое им требуется обеспечение и почему без того или иного компонента ВС не сможет решить определенную задачу.

Заключение

По итогам данного проекта мы смело можем сделать вывод, что знание и принцип сборки той или иной вычислительной системы просто необходим в современном мире. Ужи ни одна организация не обходится без вычислительной техники. Перед данной работой стояла задача – выяснить из чего состоят вычислительные системы, какое им требуется обеспечение и почему без того или иного компонента ВС не сможет решить определенную задачу.

Так что из этого следует, что к вопросу сборки вычислительной систему следует подходить очень ответственно. Для начала требуется узнать: какие задачи будет выполнять конкретная ВС. Отталкиваясь от этого следует выбирать комплектующие: аппаратное и программное обеспечение. После следует выявить свойства данной системы, найти слабости и добиться максимальной эффективности.

Библиография

Степанов А. Н. Архитектура вычислительных систем и компьютерных сетей / Аппаратная конфигурация вычислительных машин, 2007. - 592 с.

Пятибратов А.П., Гудыно Л.П., Кириченко А.А. Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы / Свойства вычислительных систем 2009. - 857 с.

Орлов С.А., Цилькер Б.Я. Организация ЭВМ и систем / Параллельные вычисления 2011. - 688 с.

Максимов Н.В., Партыка Т. Л., Попов И. И. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем / Архитектура и структура вычислительных машин и систем 2005. - 514 с.

Бройдо В.Л. Вычислительные системы, сети и коммуникации / Информатика и вычислительные системы 2004. - 706 с

Симонович С.В. Информатика - Базовый Курс / Устройство персонального компьютера 2005. - 454 с

Хорошевский В.Г. Архитектура вычислительных систем / Архитектура вычислительных систем 2008. - 518 c.

Михайлов Б.М., Халабия Р.Ф. Классификация и организация вычислительных систем / Общая классификация вычислительных систем 2010. - 145 с.

Токмаков Г.П. Информационное обеспечение автоматизированных систем 2002 / Основные понятия информационного обеспечения 2002. - 87 с.

Ремонтов А.П., Писарев А.П. Вычислительные машины и системы / Характеристики и классификация ЭВМ и систем 2006. - 96с.

Павлов А.В. Архитектура вычислительных систем / Аналоговые и цифровые вычислители 2016. - 89с.

Пржиялковский В.В., Ломов Ю.С. Технические и программные средства единой системы ЭВМ / Средства организации вычислительных систем 1980. - 173с.

1. Степанов А. Н. Архитектура вычислительных систем и компьютерных сетей / Аппаратная конфигурация вычислительных машин, 2007. – С. 82 ↑

2. Максимов Н.В., Партыка Т. Л., Попов И. И. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем / Архитектура и структура вычислительных машин и систем 2005. – С. 97 ↑

3. Симонович С.В. Информатика - Базовый Курс / Устройство персонального компьютера 2005. – С. 62-75 ↑

4. Симонович С.В. Информатика - Базовый Курс / Устройство персонального компьютера 2005. – С. 62-75 ↑

5. Симонович С.В. Информатика - Базовый Курс / Устройство персонального компьютера 2005. – С. 62-75 ↑

6. Бройдо В.Л. Вычислительные системы, сети и коммуникации / Информатика и вычислительные системы 2004. – С. 172 ↑

7. Симонович С.В. Информатика - Базовый Курс / Устройство персонального компьютера 2005. – С. 62 ↑

8. Токмаков Г.П. Информационное обеспечение автоматизированных систем 2002 / Основные понятия информационного обеспечения 2002. – С. 7-11 ↑

9. Токмаков Г.П. Информационное обеспечение автоматизированных систем 2002 / Основные понятия информационного обеспечения 2002. – С. 7-11 ↑

10. Ремонтов А.П., Писарев А.П. Вычислительные машины и системы / Характеристики и классификация ЭВМ и систем 2006. – С.7-11 ↑

11. Орлов С.А., Цилькер Б.Я. Организация ЭВМ и систем / Параллельные вычисления 2011. – С. 450 ↑

12. Ремонтов А.П., Писарев А.П. Вычислительные машины и системы / Характеристики и классификация ЭВМ и систем 7 2006. - 96с. ↑

13. Ремонтов А.П., Писарев А.П. Вычислительные машины и системы / Характеристики и классификация ЭВМ и систем 7 2006. - 96с. ↑

14. Пржиялковский В.В., Ломов Ю.С. Технические и программные средства единой системы ЭВМ / Средства организации вычислительных систем 1980. – С. 80 ↑

15. Пржиялковский В.В., Ломов Ю.С. Технические и программные средства единой системы ЭВМ / Средства организации вычислительных систем 1980. – С. 80 ↑

16. Павлов А.В. Архитектура вычислительных систем / Аналоговые и цифровые вычислители 2016. – С. 17 ↑

17. Павлов А.В. Архитектура вычислительных систем / Аналоговые и цифровые вычислители 2016. – С. 17 ↑

18. Токмаков Г.П. Информационное обеспечение автоматизированных систем 2002 / Основные понятия информационного обеспечения 2002. – С. 7 ↑

19. Токмаков Г.П. Информационное обеспечение автоматизированных систем 2002 / Основные понятия информационного обеспечения 2002. – С. 14 ↑

20. Михайлов Б.М., Халабия Р.Ф. Классификация и организация вычислительных систем / Общая классификация вычислительных систем 2010. – С. 12 ↑