Преподаватель который помогает студентам и школьникам в учёбе.

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

Содержание:

Введение

Тема курсовой работы: Состав и свойства вычислительных систем. Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем.

Понятие «вычислительная система» (ВС) появилось несколько позже чем понятие «вычислительная машина» (ВМ) и является более общим по сравнению с ним. Это связано с тем, что в структуре вычислительной системы есть несколько равноправных и взаимодействующих между собой обрабатывающих устройств. Следовательно, стандартная вычислительная машина является лишь одним из возможных видов ВС.

Вычислительная система – это комплекс технических средств (ТС), которые имеют общее управление, предназначен для преобразования информации (данных) и обеспечивает автоматическую обработку информации по заданной программе.

Состав ВС называется ее конфигурацией и включает аппаратное обеспечение, программное, информационное, математическое обеспечение.

Цель курсовой работы: изучить состав и свойства ВС, ознакомиться с информационным и математическим обеспечением вычислительных систем.

Объект исследования: вычислительные системы.

Предмет исследования: состав, свойства и обеспечение вычислительных систем.

Задачи курсовой работы:

дать понятие «вычислительная система»;
рассмотреть классификации ВС, свойства и состав ВС;
дать понятие информационного обеспечения ВС;
изучить основные вопросы, относящиеся к информационному обеспечению ВС;
дать понятие математического обеспечения ВС;
изучить основные вопросы, относящиеся к математическому обеспечению ВС.

Курсовая работа состоит из нескольких глав, в первой из которых рассматриваются основные вопросы, касающиеся понятия «вычислительная система». Во второй главе более подробно рассматриваются вопросы, касающиеся информационного и математического обеспечения ВС.

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

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

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

Отражая эти нововведения, появился термин «вычислительная система».

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

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

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

Создание вычислительной системы преследовало следующие основные цели:

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

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

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

Вычислительные системы можно классифицировать по следующим признакам:

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

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

По целевому назначению ВС делят на:

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

Специализацию вычислительной системы можно установить различными средствами:

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

По типу ВС делятся на:

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

К преимуществам МПС относятся:

более высокая оперативность взаимодействия вычислителей-процессоров.

К недостаткам МПС относятся:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

По принципу закрепления вычислительных функций различают следующие ВС:

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

По режиму работы вычислительно системы выделяют следующие виды:

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

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

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

В наибольшей степени структурные характеристики определяются архитектурой системы.

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

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

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

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

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

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

Согласно классификации Флинна, ВС делятся на следующие четыре категории:

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

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

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

Рис. 2 – Состав ВС

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

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

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

2. Обеспечение вычислительных систем: информационное, математическое

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

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

Структура информационного обеспечения ВС представлена на рис. 4.

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

Описание информационного обеспечения (ИО) ВС содержит следующие пункты:

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

Рис. 5. – Характеристика процесса сбора информации

Рис. 6. – Характеристика процесса передачи информации

Рис. 7. – Характеристика процесса хранения информации

Пример описания кодов и классификаторов приведен в табл.1-4.

Таблица 1

Коды и классификаторы

Наименование кода	Метод классификации	Система кодирования	Иденти-фикатор	Количество объектов	Длина
Код номенклатуры	последовательный	порядковая	K_Mat	неограниченно	3
Код клиента	последовательный	порядковая	K_Klient	неограниченно	3
Код сотрудника	последовательный	порядковая	K_Sotr	неограниченно	6

Код номенклатуры – простой код, порядковая система кодирования.

Таблица 2

Классификатор номенклатуры

Наименование номенклатуры	Код
Пальто	001
Плащ	002
Шуба	003
Полушубок	004

Код клиента – простой код, порядковая система кодирования.

Таблица 3

Классификатор клиента

Ф.И.О. клиента	Код
Зарубин Юрий Константинович	001
Кузнецов Иван Афанасьевич	002
Рубцова Екатерина Ильинична	003
Червяков Александр Александрович	004
Чиркова Татьяна Григорьевна	005

Код сотрудника – простой код, порядковая система кодирования.

Таблица 4

Классификатор сотрудника

Сотрудник	Код
Иванов С И	000001
Фарафонов Б.И.	000002
Кузьмин И.Н.	000004
Сахаровский В.В.	000005

Для того чтобы понимать друг друга и передавать информацию у людей имеется мощный инструмент – естественный язык. В случае если люди говорят на разных языках, то приходится прибегать к услугам переводчика или изучать иностранный язык. Все это делается для одной единственной цели – создать единую среду обмена информацией. Данный аспект не менее актуален и для ВМ, тем более что в составе вычислительной системы, тем более, если ВС территориально рассредоточена и включает сотни и даже тысячи ЭВМ.

Кроме этого, все ВС состоят из набора уровней.
Состав требований к информационному обеспечению ВС достаточно обширен и содержит много важных аспектов. Перечислим данные требования:

Результатная информация, которая предоставляется пользователю по запросу, должна иметь удобный для пользователя вид. Базы данных (БД), которые используются для решения поставленных перед ВС задач, должны содержать всю необходимую для решения задачи информацию. Таким образом, неполнота и противоречивость используемых данных недопустимы.
Форматы сообщений и данных, должны максимально эффективно использовать производительность ТС. Различные сегменты ВС должны обладать свойством так называемой информационной совместимости. Информационная совместимость означает, что данные, которые имеют гетерогенную природу (т.е. различны по своей природе, например, аудио, видео, и др. виды данных), должны обрабатываться с одинаковой эффективностью.
Необходимость организации вычислительной системы подразумевает создание единой информационно-коммуникационной среды, для чего могут быть применены две основные технологии, а именно, файл-серверная и клиент-серверная технологии.
Массивы информации в виде БД, могут иметь статус коллективного ресурса (т.е. доступны всем пользователям) и индивидуального ресурса (т.е. имеется один владелец-пользователь).
БД, которые используются в ВС, размещаются локально на одной ЭВМ либо являются распределенными и располагаются на нескольких ЭВМ. Для управления БД применяются стандартные системы управления базами данных (СУБД).
Программно-технические средства реализации ВС должны быть рассчитаны на перспективу длительной эксплуатации системы и ее развития. Данное обстоятельство подразумевает чередующиеся этапы эволюционного наращивания возможностей системы в рамках предусмотренного ресурса, а также радикальной замены отдельных компонент как программных средств, так и ТС.
ВС должна обеспечивать корректное взаимодействие с прикладными программами, которые написаны в разных средах причем разными специалистами. Правила и соглашения, которые используются для обмена информацией между компьютерами на одном уровне, называются протоколом.

Между каждой парой смежных уровней должен находиться интерфейс, который определяет набор примитивных операций, которые предоставляются нижним уровнем верхнему уровню. Такой набор уровней и протоколов называются архитектурой. Согласованная и открытая архитектура ВС должна поддерживаться стандартными прикладными интерфейсами.

В специализированных компьютерных системах (КС) совокупность информационного и программного обеспечения называют математическим обеспечением.

Математическое обеспечение (МО) – совокупность математических методов, моделей, алгоритмов и программ для реализации целей, задач информационной системы, а также нормального функционирования комплекса технических средств.

Математические модели имеют большое значение. Они составляют принципиальную основу алгоритмизации экономических задач, разработки на их основе программного обеспечения и функционирования ВС. Математическая модель ВС – это отображение существенных характеристик экономической задачи, решаемой в рамках ВС программными средствами.

Обычно в составе подсистемы имеется комплекс моделей. Комплекс математических моделей включает, как правило, обобщенную модель ВС, а также частные (маргинальные) модели определения и уточнения комплекса задач ВС.

Назначение математического обеспечения ВС:

построение экономико-математической модели ВС;
нахождение оптимального решения при раскрытии этой модели;
проведение анализа полученного решения.

Таким образом, математическое обеспечение ВС предназначено для реализации управляющих решений, рассматриваемых как совокупность действий для достижения поставленных целей в рамках технического задания (ТЗ).

К средствам математического обеспечения относятся:

средства моделирования процессов управления;
типовые алгоритмы управления;
методы математического программирования, математической статистики, теории массового обслуживания и др.

Система математического обеспечения ВС 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 ВС должно содержать средства автоматизации программирования задач, а также средства компоновки рабочих моделей конкретных систем из стандартных программ и их обслуживания.

В математическом обеспечении по последовательности проектирования ВС рассматривают три уровня:

математическое обеспечение конкретной ВС, которой определяется мощность ВС;
автоматизацию проектирования ВС;
автоматизацию программирования и организацию работ на ЭВМ.

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;
определение содержания и описание модели ВС.

Рис. 5. – Математическое обеспечение ВС

Иногда написание алгоритма программы обработки выделяют в отдельную обеспечивающую подсистему – алгоритмическое обеспечение (АО), которое занимает промежуточное положение между математическим и программным обеспечением. Чаще всего алгоритмическое обеспечение включено в состав математического обеспечения.

Разработка АО предполагает выполнение следующих этапов:

разработку укрупненного алгоритма;
разработку алгоритмов отдельных элементов;
проверку достоверности алгоритмов (выбор вычислительных средств, проведение программирования, проверку достоверности программы).

В рамках работы с алгоритмическим обеспечением должны быть определены требования, предъявляемые к СУБД и ВС с учетом особенностей структуры информации и технологии обработки данных на терминалах, категории пользователей системы, а также ограничений, накладываемых вычислительными ресурсами мини-ЭВМ. На основе реляционной модели разработана логическая организация БД, которая отображает структуру информации системы.

В соответствии с категорией пользователей ВС должны быть выбраны вид и методы ведения диалога и разработана организация диалога человек-ЭВМ. Разработаны алгоритмы интерпретации запросов пользователей к системе, а также человеко-машинные процедуры контроля и корректировки данных. Определены параметры и последовательность настройки системы. Разработан пакет прикладных программ ВС.

Пример структуры алгоритмического обеспечения ВС приведен на рис.6.

Рис. 6. – Пример структуры алгоритмического обеспечения ВС

Алгоритм 1: Алгоритм управляющего модуля

Шаг 1. Настройка программного комплекса системы.

Шаг 2. Внесение конкретных данных в рабочие файлы.

Шаг 3. Работа модуля расчетов.

Шаг 3. Общая печать и обновление базы данных. Задание в диалоговом режиме управляющему модулю условий продолжения работы (тогда переход к шагу 2) или прерывания задания.

Шаг 10. Закрытие наборов данных, внесение информации в базу данных. Завершение работы.

Алгоритм 2. Алгоритм ведения основной БД.

Шаг 1. Ввод исходной информации.

Шаг 2. Если ввод закончен, переход к шагу 3, иначе к шагу 1.

Шаг 3. Пополнение базы данных, передача управления головному модулю.

Алгоритм 3. Алгоритм модуля расчетов.

Шаг 1. Представление информации в виде, требуемом для расчета.

Шаг 2. Пересчет необходимых вспомогательных величин.

Шаг 3. Непосредственное выполнение расчета.

Шаг 4. Если расчет произведен, то печать и переход к шагу 5, иначе к шагу 2.

Шаг 5. Пополнение базы данных, передача управления головному модулю.

Заключение

Вычислительная система – это комплекс ТС, которые имеют общее управление, предназначен для преобразования информации (данных) и обеспечивает автоматическую обработку информации по заданной программе.

В ходе выполнения курсовой работы были выполнены следующие задачи:

рассмотрено понятие «вычислительная система»;
рассмотрена классификация ВС, свойства и состав ВС;
рассмотрено понятие информационного обеспечения ВС;
изучены основные вопросы, относящиеся к информационному обеспечению ВС;
рассмотрено понятие математического обеспечения ВС;
изучены основные вопросы, относящиеся к математическому обеспечению ВС.

В первой главе курсовой работы рассмотрены основные вопросы, касающиеся понятия «вычислительная система». Во второй главе более подробно рассмотрены вопросы, касающиеся информационного и математического обеспечения ВС.

Цели и задачи курсовой работы выполнены полностью.

Список литературы

Бройдо В., Ильина О. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. [Текст] / В. Бройдо, О. Ильина. – СПб.: Питер, 2011.
Емельянов С.В. Информационные технологии и вычислительные системы. [Текст] / С.В. Емельянов. – М., 2013.
Мамзелев И.А. Вычислительные системы в технике связи. [Текст] / И.А. Мамзелев. – М.: АСТ, 2014.
Паттерсон Д., Хеннесси. Дж. Архитектура компьютера и проектирование компьютерных систем. [Текст] / Д. Паттерсон, Дж. Хеннесси. – СПб.: Питер, 2012.
Пятибратов А.П., Гудыно Л.П., Кириченко А.А. Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы. [Текст] / А.П. Пятибратов, Л.П. Гудыню, А.А. Кириченко. – М.: Высшая школа, 2013.
Соломенчук В., Соломенчук П. Железо ПК. [Текст] / В. Соломенчук, П. Соломенчук. – СПб.: БХВ-Петербург, 2012.
Таненбаум Э. Современные операционные системы. [Текст] / Э. Таненбаум. – СПб.: Питер, 2013.
Таненбаум Э., Уэзеролл Д., Компьютерные сети. [Текст] / Э. Таненбаум, Д. Уэзеролл. – СПб.: Питер, 2012.
Таненбаум Э. Архитектура компьютера. [Текст] / Э. Таненбаум. – СПб.: Питер, 2014.
Чекмарев Ю.В. Вычислительные системы, сети и коммуникации. [Текст] / Ю.В. Чекмарев. – СПб.: Питер, 2013.
Глава 2. Вычислительная техника. [Электронный ресурс]. [Режим доступа]. http://www.ostu.ru/vzido/resurs/informat/%C3%83%C3%AB%C3%A0%C3%A2%C3%A0%202-HTML.htm (вход свободный)
Классификация ВС. Назначение и особенности. [Электронный ресурс]. [Режим доступа]. http://naparah.com/evm/03071114.html (вход свободный)
Состав вычислительной системы. [Электронный ресурс]. [Режим доступа]. http://allrefs.net/c21/3plgn/p1/ (вход свободный)