Состав и свойства вычислительных систем. Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем(Понятие и свойства вычислительной системы )

Содержание:

Введение

Термин вычислительная система появился в начале - середине 60-х годов XX века при появлении ЭВМ III поколения. Это время знаменовалось переходом на новую элементную базу - интегральные схемы. Следствием этого явилось появление новых технических решений: разделение процессов обработки информации и ее ввода-вывода, множественный доступ и коллективное использование вычислительных ресурсов в пространстве и во времени. Появились сложные режимы работы ЭВМ – многопользовательская и многопрограммная обработка.

Под вычислительной системой понимают совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенную для сбора, хранения, обработки и распределения информации.

Создание вычислительной системы преследует следующие основные цели: повышение производительности системы за счет ускорения процессов обработки данных, повышение надежности и достоверности вычислений, предоставление пользователям дополнительных сервисных услуг и т.д.

Цель курсовой работы – рассмотреть вычислительные системы.

Задачи курсовой работы:

• рассмотреть свойства вычислительных систем;
• изучить состав вычислительные системы;
• выполнить обзор информационного и математического обеспечения вычислительных систем.

1. Понятие и свойства вычислительной системы

Электронная система – это любой электронный узел, блок, прибор или комплекс, производящий обработку информации.

Вычислительная система (или микропроцессорная система) может рассматриваться как частный случай электронной системы, предназначенной для обработки входных сигналов и выдачи выходных сигналов (рис. 1).

В качестве входных и выходных сигналов использоваться аналоговые сигналы, одиночные цифровые сигналы, цифровые коды, последовательности цифровых кодов. Внутри системы производиться хранение, накопление сигналов или информации.

Рисунок 1 – Электронная система

Ядром любой вычислительной системы является процессор.

Процессор – это тот узел, блок, который производит обработку информации внутри вычислительной системы.

Процессор выполняет:

• арифметические функции (сложение, умножение и т.д.);
• логические функции (сдвиг, сравнение, маскирование кодов и т.д.);
• временное хранение кодов (во внутренних регистрах);
• пересылку кодов между узлами микропроцессорной системы и многое другое.

Количество элементарных операций, выполняемых процессором, может достигать нескольких сотен.

Остальные узлы вычислительной системы выполняют вспомогательные функции:

• хранение информации (в том числе и управляющей информации, то есть программы);
• связь с внешними устройствами;
• связь с пользователем и т.д.

Все операции процессор выполняет последовательно, то есть одну за другой, по очереди. С одной стороны, это достоинство, так как позволяет с помощью всего одного процессора выполнять любые, самые сложные алгоритмы обработки информации. С другой стороны, последовательное выполнение операций приводит к тому, что время выполнения алгоритма зависит от его сложности.

Вычислительная система способна сделать все, но работает она не слишком быстро, поскольку все информационные потоки приходится пропускать через один узел – микропроцессор (рис. 2). В традиционной цифровой системе можно легко организовать параллельную обработку всех потоков информации, за счет усложнения схемы обработки потоков.

Рисунок 2 – Информационные потоки в вычислительной системе

Выполняемая в конкретный момент времени операция определяется управляющей информацией, программой.

Программа представляет собой набор команд (инструкций), составленный человеком (программистом).

Команда (инструкция) – цифровой код, расшифровав который, процессор узнает, что ему надо делать.

Каждая команда имеет свое время выполнения, поэтому время выполнения всей программы зависит не только от количества команд в программе, но и от того, какие именно команды используются.

Все команды, выполняемые процессором, образуют систему команд процессора. Структура и объем системы команд процессора определяют его быстродействие, гибкость, удобство использования.

Система команд может быть рассчитана на узкий круг решаемых задач (у специализированных процессоров) или на максимально широкий круг задач (у универсальных процессоров). Коды команд могут иметь различное количество разрядов (занимать от одного до нескольких байт).

Для выполнения команд в структуру процессора входят: внутренние регистры, арифметико-логическое устройство (АЛУ), мультиплексоры буферы, регистры и другие узлы.

Работа всех узлов процессора синхронизируется общим внешним тактовым сигналом – синхроимпульсом. Процессор представляет собой довольно сложное цифровое устройство (рис. 3).

Рисунок 3 – Пример структуры простейшего процессора

Для достижения максимальной универсальности и упрощения протоколов обмена информацией в вычислительных системах применяется так называемая шинная структура связей между отдельными устройствами, входящими в систему.

При классической структуре связей (рис. 4) все сигналы и коды между устройствами передаются по отдельным линиям связи. Каждое устройство, входящее в систему, передает свои сигналы и коды независимо от других устройств. При этом в системе получается много линий связи и разных протоколов обмена информацией.

Рисунок 4 – Классическая структура связей

При шинной структуре связей (рис. 5) все сигналы между устройствами передаются по одним и тем же линиям связи, но в разное время (мультиплексированная передача). Причем передача по всем линиям связи может осуществляться в обоих направлениях (двунаправленная передача).

В результате количество линий связи существенно сокращается, а правила обмена (протоколы) упрощаются.

Рисунок 5 – Шинная структура связей

Группа линий связи, по которым передаются сигналы или коды как называется шиной.

Достоинства шинной структуры связей:

• простота пересылки всех информационных потоков в нужном направлении;
• все устройства, подключенные к шине, должны принимать и передавать информацию по одним и тем же правилам (протоколам обмена информацией по шине), полэтому все узлы, отвечающие за обмен с шиной в этих устройствах, должны быть единообразны и унифицированы.

Недостатки шинной структуры связей:

• вся информация передается по линиям связи последовательно во времени, по очереди, что снижает быстродействие системы по сравнению с классической структурой связей;
• все устройства подключаются к каждой линии связи параллельно, поэтому любая неисправность любого устройства может вывести из строя всю систему, если она портит линию связи;
• отладка системы с шинной структурой связей довольно сложна и обычно требует специального оборудования.

1. Состав вычислительной системы

Состав вычислительной системы называется конфигурацией. Аппаратные и программные средства вычислительной техники принято рассматривать отдельно.

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

Типичная аппаратная конфигурация вычислительной системы включает в себя три основных типа устройств (рис. 6):

• процессор;
• внутренняя память, которая служит для хранения данных и программ;
• устройства ввода/вывода, служащие для связи микропроцессорной системы с внешними устройствами, для приема (ввода, чтения) входных сигналов и выдачи (вывода, записи) выходных сигналов.

Рисунок 6 – Структура вычислительной системы

Под внутренней памятью вычислительной системы понимают все виды запоминающих устройств, расположенные на материнской плате. К ним относятся:

• оперативная память (RAM) – это массив кристаллических ячеек, способных сохранять данные. Она используется для оперативного обмена информацией между процессором, внешней памятью и периферийными системами. Из нее процессор берет программы и данные для обработки, в нее записываются полученные результаты. Название «оперативная» происходит оттого, что эта память работает очень быстро и процессору не нужно ждать при считывании и записи данных. Однако данные в ней сохраняются лишь временно при включенном компьютере. Основными характеристиками оперативной памяти являются объем памяти и время доступа.
• постоянная память (ROM) – в момент включения компьютера в его оперативной памяти отсутствуют любые данные, поскольку оперативная память не может сохранять данные при отключенном компьютере. Но процессору необходимы команды, в том числе и сразу после включения. Поэтому процессор обращается по специальному стартовому адресу, который ему всегда известен, за своей первой командой. Этот адрес указывает на память, которую принято называть постоянной памятью ROM или постоянным запоминающим устройством (ПЗУ). Микросхема ПЗУ способна продолжительное время сохранять информацию, даже при отключенном компьютере. Программы, находящиеся в ПЗУ, записываются туда на этапе изготовления микросхемы. Комплект программ, находящийся в ПЗУ образовывает базовую систему ввода/вывода BIOS (Basic Input Output System). Основное назначение этих программ состоит в том, чтобы проверить состав и трудоспособность системы и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жесткими и гибкими дисками.
• энергонезависимая память (CMOS) – для своей работы программы BIOS требуют всю информацию о текущей конфигурации системы. Эту информацию нельзя сохранять в оперативной или постоянной памяти. Специально для этих целей на материнской плате есть микросхема энергонезависимой памяти, которая называется CMOS. От оперативной памяти она отличается тем, что ее содержимое не исчезает при отключении компьютера, а от постоянной – тем, что данные можно заносить туда и изменять самостоятельно, в соответствии с тем, какое оборудование входит в состав системы. Микросхема памяти CMOS постоянно питается от небольшой батарейки, расположенной на материнской плате. Таким образом, программы BIOS считывают данные о составе компьютерной системы из микросхемы CMOS, после чего они могут осуществлять обращение к жесткому диску и другим устройствам.

Устройства вычислительной системы по способу расположения относительно центрального процессорного устройства делятся на внутренние и внешние. Внешними, как правило, являются большинство устройств ввода-вывода данных (периферийные устройства) и некоторые устройства, предназначенные для длительного хранения данных.

Согласование между отдельными узлами и блоками выполняют с помощью аппаратных интерфейсов. Стандарты на аппаратные интерфейсы в вычислительной технике называют протоколами.

Многочисленные интерфейсы, присутствующие в архитектуре любой вычислительной системы, можно условно разделить на две большие группы: последовательные и параллельные. Через последовательный интерфейс данные передаются последовательно, бит за битом, а через параллельный – одновременно группами битов.

Все устройства вычислительной системы объединяются общей системной шиной (системной магистралью или каналом).

Системная магистраль включает в себя четыре основные шины нижнего уровня:

• шина адреса (Address Bus);
• шина данных (Data Bus);
• шина управления (Control Bus);
• шина питания (Power Bus).

Шина адреса служит для определения адреса (номера) устройства, с которым процессор обменивается информацией в данный момент. Каждому устройству (кроме процессора), каждой ячейке памяти в микропроцессорной системе присваивается собственный адрес. Когда код какого-то адреса выставляется процессором на шине адреса, устройство, которому этот адрес приписан, понимает, что ему предстоит обмен информацией. Шина адреса может быть однонаправленной или двунаправленной.

Шина данных – это основная шина, которая используется для передачи информационных кодов между всеми устройствами микропроцессорной системы. Обычно в пересылке информации участвует процессор, который передает код данных в какое-то устройство или в ячейку памяти или же принимает код данных из какого-то устройства или из ячейки памяти. Но возможна также и передача информации между устройствами без участия процессора. Шина данных всегда двунаправленная.

Шина управления отличие от шины адреса и шины данных состоит из отдельных управляющих сигналов, каждый из которых имеет свою функцию. Некоторые сигналы служат для стробирования передаваемых или принимаемых данных (то есть определяют моменты времени, когда информационный код выставлен на шину данных). Другие управляющие сигналы могут использоваться для подтверждения приема данных, для сброса всех устройств в исходное состояние, для тактирования всех устройств и т.д. Линии шины управления могут быть однонаправленными или двунаправленными.

Шина питания предназначена не для пересылки информационных сигналов, а для питания системы. Каждому напряжению питания соответствует своя линия связи. Все устройства подключены к этим линиям параллельно.

Если в микропроцессорную систему надо ввести входной код (или входной сигнал), то процессор по шине адреса обращается к нужному устройству ввода/вывода и принимает по шине данных входную информацию. Если из микропроцессорной системы надо вывести выходной код (или выходной сигнал), то процессор обращается по шине адреса к нужному устройству ввода/вывода и передает ему по шине данных выходную информацию.

Если информация должна пройти сложную многоступенчатую обработку, то процессор может хранить промежуточные результаты в системной оперативной памяти. Для обращения к любой ячейке памяти процессор выставляет ее адрес на шину адреса и передает в нее информационный код по шине данных или же принимает из нее информационный код по шине данных.

В памяти (оперативной и постоянной) находятся также и управляющие коды (команды выполняемой процессором программы), которые процессор также читает по шине данных с адресацией по шине адреса. Постоянная память используется в основном для хранения программы начального пуска вычислительной системы, которая выполняется каждый раз после включения питания. Информация в нее заносится изготовителем раз и навсегда.

Таким образом, в вычислительной системе все информационные коды и коды команд передаются по шинам последовательно, по очереди. Это определяет сравнительно невысокое быстродействие микропроцессорной системы. Оно ограничено обычно даже не быстродействием процессора (которое тоже очень важно) и не скоростью обмена по системной шине (магистрали), а именно последовательным характером передачи информации по системной шине (магистрали).

Важно учитывать, что устройства ввода/вывода чаще всего представляют собой устройства на «жесткой логике». Иногда устройства ввода/вывода имеют в своем составе процессор, то есть представляют собой небольшую специализированную микропроцессорную систему. Это позволяет переложить часть программных функций на устройства ввода/вывода, разгрузив центральный процессор системы.

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

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

Базовый уровень. Это самый низкий уровень программного обеспечения. Он обеспечивает взаимодействие с базовыми аппаратными средствами. Как правило, базовые программные средства входят в состав базового оборудования и хранятся в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ).

Программы и данные записываются («прошиваются») в микросхемы ПЗУ на этапе производства и не могут быть изменены в процессе эксплуатации.

В тех случаях, когда изменение базовых программных средств во время эксплуатации является технически целесообразным, вместо микросхем ПЗУ применяют перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ).

Системный уровень. Программы, работающие на этом уровне, выполняют «посреднические» функции, обеспечивая взаимодействие прочих программ компьютерной системы с программами базового уровня и непосредственно с аппаратным обеспечением. От программного обеспечения этого уровня зависят эксплуатационные характеристики вычислительной системы. Так, например, при подключении нового оборудования на системном уровне должна быть установлена программа, обеспечивающая для других программ взаимосвязь с этим оборудованием. Программы, обеспечивающие взаимодействие с конкретными устройствами, называются драйверами устройств.

Совокупность программного обеспечения системного уровня образует ядро операционной системы.

Операционная система представляет собой комплекс системных управляющих и обрабатывающих программ, которые, с одной стороны, выступают как интерфейс между аппаратурой компьютера и пользователем с его задачами, а с другой стороны, предназначены для наиболее эффективного расходования ресурсов вычислительной системы и организации надежных вычислений.

Основные функции операционных систем:

• Прием от пользователя заданий или команд, сформулированных на соответствующем языке, и их обработка. Задания могут передаваться в виде текстовых директив (команд) оператора или в форме указаний, выполняемых с помощью манипулятора (например, с помощью мыши). Эти команды связаны, прежде всего, с запуском (приостановкой, остановкой) программ, с операциями над файлами (получить перечень файлов в текущем каталоге, создать, переименовать, скопировать, переместить тот или иной файл и др.), хотя имеются и иные команды.
• Загрузка в оперативную память подлежащих исполнению программ.
• Распределение памяти, а в большинстве современных систем и организация виртуальной памяти.
• Запуск программы (передача ей управления, в результате чего процессор исполняет программу).
• Идентификация всех программ и данных.
• Прием и исполнение различных запросов от выполняющихся приложений.
• Обслуживание всех операций ввода-вывода.
• Организация механизмов обмена сообщениями и данными между выполняющимися программами.
• Защита одной программы от влияния другой, обеспечение сохранности данных, защита самой операционной системы от исполняющихся на компьютере приложений.
• Аутентификация пользователей. Под аутентификацией понимается процедура проверки имени пользователя и его пароля на соответствие тем значениям, которые хранятся в его учетной записи. Очевидно, что если входное имя (login^) пользователя и его пароль совпадают, то, скорее всего, это и будет тот самый пользователь.
• Авторизация пользователей. Термин авторизация означает, что в соответствии с учетной записью пользователя, который прошел аутентификацию, ему (и всем запросам, которые будут идти к операционной системе от его имени) назначаются определенные права (привилегии), определяющие, что он может, а что не может делать на компьютере.
• Обеспечение работы систем программирования, с помощью которых пользователи готовят свои программы.

Разработчикам программного обеспечения операционная система позволяет абстрагироваться от деталей реализации и функционирования устройств, предоставляя минимально необходимый набор функций.

Если компьютер оснащен программным обеспечением системного уровня, то он подготовлен к установке программ более высоких уровней, к взаимодействию программных средств с оборудованием и к взаимодействию с пользователем. Наличие ядра операционной системы – непременное условие возможности практической работы человека с вычислительной системой.

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

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

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

1. Информационное обеспечение вычислительных систем

Наряду с аппаратным и программным обеспечением средств вычислительной системы в некоторых случаях целесообразно рассматривать информационное обеспечение.

Рассмотрим, например, систему автоматической проверки орфографии в редактируемом тексте. Ее работа заключается в том, что лексические единицы исходного текста сравниваются с заранее заготовленным эталонным массивом данных (словарем).

В данном случае для успешной работы системы необходимо иметь кроме аппаратного и программного обеспечения специальные наборы словарей, подключаемые извне. Это пример информационного обеспечения вычислительной системы.

Информационное обеспечение – это совокупность форм документов, нормативной базы и реализованных решений по объему, размещению и формам организации информации, циркулирующей в системе автоматизированной обработки информации.

Основными принципами создания информационного обеспечения являются:

• целостность;
• достоверность;
• контроль, защита от несанкционированного доступа единство и гибкость;
• стандартизация и унификация; адаптивность;
• минимизация ошибок ввода-вывода информации.

Разработка информационного обеспечения – одна из важнейших составляющих разработки информационной системы, которая должна обеспечить:

• единство и хранения информации, необходимой для решения задач;
• единство информационных массивов для всех задач информационных систем;
• однократность ввода информации и ее многоцелевое использование;
• различные методы доступа к данным;
• низкую стоимость расходов на хранение и использование данных, а также на внесение изменений.

Информационное обеспечение состоит из следующих частей:

• методические и инструктивные материалы;
• система классификации и кодирования;
• информационная база.

Информационная база как одна из основных составляющих информационного обеспечения – это совокупность упорядоченной информации, которая используется во время функционирования вычислительной системы.

Назначение информационного обеспечения заключается в следующем.

1. Обеспечение организации представления информации пользователям для выполнения ими профессиональных задач по подготовке управленческих решений, а также создание условий работы автоматизированным информационным технологиям.

2. Обеспечение взаимной увязки задач функциональных подсистем на основе однозначного формализованного описания их входов и выходов на уровне показателей и документов.

3. Создание эффективной организации хранения и поиска данных, позволяющей формировать данные для решения регламентированных задач, а также функционировать в режиме информационно-справочного обслуживания.

Состав информационного обеспечения определяется на стадии проектирования при активном участии пользователей. Основой его разработки служат данные анализа обследования информационных систем, в ходе которого определяется состав используемой документации, содержание базы данных, информационные связи комплексов задач.

Значительная роль при создании информационного обеспечения отводится результатам постановки задачи, в ходе разработок которых пользователи определяют конкретный состав первичных и сводных документов, представляют их структуру, способы их составления и т.п.

Проектирование информационного обеспечения осуществляется в тесной связи с технологией автоматизированной обработки и программным обеспечением.

1. Математическое обеспечение вычислительных систем

В специализированных компьютерных системах (бортовых компьютерах автомобилей, судов, ракет, самолетов, космических летательных аппаратов и т.п.) совокупность программного и информационного обеспечения называют математическим обеспечением. Как правило, оно «жестко» записывается в микросхемы ПЗУ и может быть изменено только путем замены ПЗУ или его перепрограммирования на специальном оборудовании.

Математическое обеспечение состоит из программ вычислительных алгоритмов. Фонд таких программ непрерывно пополняется.

Состав математического обеспечения:

• математическое описание (формализация) задач;
• математические модели и их оптимизация;
• данные, подготовленные для описания исследуемых процессов;
• алгоритмы решения задач;
• анализ моделей и алгоритмов по результатам выполненных работ на ЭВМ.

Система математического обеспечения должна выполнять следующие функции:

• • • реализацию любых процедур обработки данных;
    • компоновку рабочих программ решения конкретных задач из стандартных программ и оригинальных блоков;
    • организацию управления процессом решения задач и их комплексов;
    • реализацию экономико-математических методов решения оптимизационных задач.

Математическое обеспечение должно содержать средства автоматизации программирования задач, а также средства компоновки рабочих моделей конкретных систем из стандартных программ и их обслуживания.

Разработка математического обеспечения предполагает выполнение следующих этапов:

• создание модели системы;
• разработку укрупненного алгоритма;
• разработку алгоритмов отдельных элементов МО;
• проверку достоверности алгоритмов (выбор вычислительных средств, проведение программирования, проверку достоверности программы).

Прежде всего выполняют постановку задачи моделирования:

• определение требований к исходной информации, ее сбор;

• выдвижение гипотез и предположений;

• определение параметров и переменных модели;

• обоснование выбора показателей и критериев эффективности системы;

• определение содержания и описание модели (основной документ).

Одна из классификаций математического обеспечения предполагает деление его на подпрограммы, пакеты программ, библиотеки программ, системы математического обеспечения.

Подпрограммы. Это наиболее известный и часто используемый раздел математического обеспечения. Он состоит из отдельных подпрограмм или программ, содержащих небольшой набор подпрограмм.

В настоящее время подпрограммы научно-технического характера публикуются в основном на языке Си.

Пакеты программ. Пакетом программ называют комплекс программ для решения серийных задач в конкретной области наук и техники. Пакет прикладных программ (ППП), частный случай пакетов, – это система взаимосвязанных программ и средств организации процесса вычислений. При помощи этих средств, в рамках реализованной в пакете стратегии организации вычислений, автоматически генерируется цепочка прикладных вычислительных программ для проведения конкретного вычислительного эксперимента. Примером ППП может служить пакет САФРА (Система Автоматизации Физических Расчетов), разработанный в ИПМ им. М.В. Келдыша РАН для решения класса задач математической физики. Программы, создаваемые при помощи пакета САФРА, используют программы из архивного фонда пакета, содержащего более тысячи программ. Системная часть пакета обеспечивает подбор оптимальной последовательности программ для решения общей задачи.

Наиболее простой и широко используемый метод оптимизации программ пакета заключается в параметризации характеристик вычислителей и использовании этих данных на уровне трансляции приложений.

Другим способом оптимизации программ пакета является разработка кодового генератора. Основой такой технологии является возможность генерации нескольких вариантов объектного кода, а адаптация пакета заключается в определении его наилучшей версии для конкретной архитектуры ЭВМ и может производиться с учетом времени счета эталонных задач.

Библиотеки программ. Данный вид математического обеспечения состоят из набора пакетов программ (пакет пакетов), предназначенных для решения широкого круга задач, например задач численного анализа, математической статистики и др. Прототипами библиотек можно считать программы общего назначения, поставляемые производителями ЭВМ для своих машин.

Системы математического обеспечения. Система математического обеспечения – это библиотека программ широкого назначения с проблемно-ориентированным языком, обеспечивающим дружественный интерфейс с пользователями.

Одной из старейших систем математического обеспечения ЭВМ является MATLAB. В расчетах допускается использования таких мощных типов данных, как многомерные массивы чисел, символов, структур, задаваемых пользователями. Пакет MATLAB работает на большинстве современных операционных систем, включая Linux, Mac OS и Windows.

MATLAB предоставляет пользователю большое количество (несколько сотен) функций для анализа данных, покрывающие практически все области математики, в частности:

• Матрицы и линейная алгебра – алгебра матриц, линейные уравнения, собственные значения и векторы, сингулярности, факторизация матриц и другие.
• Многочлены и интерполяция – корни многочленов, операции над многочленами и их дифференцирование, интерполяция и экстраполяция кривых и другие.
• Математическая статистика и анализ данных – статистические функции, статистическая регрессия, цифровая фильтрация, быстрое преобразование Фурье и другие.
• Обработка данных – набор специальных функций, включая построение графиков, оптимизацию, поиск нулей, численное интегрирование (в квадратурах) и другие.
• Дифференциальные уравнения – решение дифференциальных и дифференциально-алгебраических уравнений, дифференциальных уравнений с запаздыванием, уравнений с ограничениями, уравнений в частных производных и другие.
• Разреженные матрицы – специальный класс данных пакета MATLAB, использующийся в специализированных приложениях.
• Целочисленная арифметика – выполнение операций целочисленной арифметики в среде MATLAB.

MATLAB предоставляет удобные средства для разработки алгоритмов, включая высокоуровневые с использованием концепций объектно-ориентированного программирования. В нём имеются все необходимые средства интегрированной среды разработки, включая отладчик и профайлер. Функции для работы с целыми типами данных облегчают создание алгоритмов для микроконтроллеров и других приложений, где это необходимо.

В составе пакета MATLAB имеется большое количество функций для построения графиков, в том числе трёхмерных, визуального анализа данных и создания анимированных роликов.

Встроенная среда разработки позволяет создавать графические интерфейсы пользователя с различными элементами управления, такими как кнопки, поля ввода и другими.

Математические библиотеки в прикладном программировании. Прогресс технологии производства оборудования ЭВМ значительно опережает темпы роста производства программного обеспечения. В программировании не известен аналог закона Мура – удвоение производительности ЭВМ каждые полтора года. Поэтому очень велико значение систем математического обеспечения как элемента индустриальной технологии производства программ приложений.

Современное математическое обеспечение, кроме программ элементарных математических функций для вычисления синусов и логарифмов и др., содержит обширный набор стандартных программ для реализации массовых вычислительных алгоритмов. Техника сборки программы из готовых вычислительных компонент снижает трудоемкость программирования приложений. Значительное усложнение программирования из-за появления многопроцессорных кластеров и графических процессоров повышает роль такой техники. Для программирования библиотечных программ можно привлекать узких специалистов в прикладных областях и обеспечивать очень высокую эффективность реализации.

Одним из главных критериев качества математического обеспечения считается надежность вычислений, которая обеспечивается, в частности, сертификацией библиотечных программ.

Список использованной литературы

1. Банк лекций [Электронный ресурс]. – URL: https://siblec.ru/
2. Бройдо, В. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. – СПб.: Питер, 2011. – 560 c.
3. Гусева, А.И. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: Учебник. – М.: Academia, 2016. – 640 c.
4. Емельянов, С.В. Информационные технологии и вычислительные системы. – М.: Ленанд, 2015. – 96 c.
5. Ершова, Н.Ю. Организация вычислительных систем. – М.: Интернет-Университет Информационных Технологий, 2006. – 343 с.
6. Замятина, О.М. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации, моделирование сетей. Учебное пособие для магистратуры. – Люберцы: Юрайт, 2016. – 159 c.
7. Информационные технологии и вычислительные системы: Обработка информации и анализ данных. Программная инженерия. Математическое моделирование. Прикладные аспекты информатики / Под ред. С.В. Емельянова. – М.: Ленанд, 2015. – 104 c.
8. Мелехин, В.Ф. Вычислительные машины, системы и сети. – М.: Academia, 2017. – 304 c.
9. Пятибратов, А.П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: Учебник. – М.: ФиС, Инфра-М, 2008. – 736 c.
10. Рождествина, А.А. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации (для бакалавров). – М.: КноРус, 2013. – 376 c.
11. Сенкевич, А.В. Архитектура ЭВМ и вычислительные системы: Учебник. – М.: Academia, 2018. – 320 c.
12. Шевченко, В.П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации (для бакалавров). – М.: КноРус, 2014. – 224 c.