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

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В современном мире электронные вычислительные средства завоевали прочные позиции в жизненно важных сферах деятельности человека – в науке, технике, экономике и промышленности. Область применения средств обработки информации постоянно расширяется. Возможности вычислительной индустрии в существенной мере определяют научно-технический прогресс. Потребности общества в решении все более сложных задач постоянно растут, и они, в свою очередь, стимулируют развитие вычислительных средств, которое поражает своими темпами. Вычислительная система как совокупность одной и более вычислительных машин либо процессоров, организованная для объединенного осуществления информационно-вычислительного процесса представляет собой основу современной индустрии информационных технологий. Только зная специфику, состав, основные свойства и принципы построения вычислительных систем, можно грамотно работать с вычислительной техникой, писать программы, создавать базы данных и полноценно разбираться в устройстве компьютера или компьютерной сети. Без подробного изучения различных видов обеспечения вычислительной системы также невозможно стать компетентным специалистом в сфере информационных технологий.

Исходя из вышеизложенного, тема данной курсовой работы представляется актуальной и особенно значимой.

Цель и задачи исследования. Целью данной работы является изучение состава и свойств вычислительных систем, а также особенностей их информационного и математического обеспечения. Поставленная цель обусловила необходимость решения следующих задач:

- раскрыть сущность понятия «вычислительная система»;

- изучить состав вычислительных систем;

- выявить свойства вычислительных систем;

- определить виды обеспечения вычислительных систем;

- выявить особенности информационного обеспечения вычислительных систем;

- изучить специфику математического обеспечения вычислительных систем.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются вычислительные системы. Предмет исследования – состав и свойства вычислительных систем, особенности их информационного и математического обеспечения.

Теоретической и методологической основой исследования послужили положения и гипотезы, изложенные в работах отечественных и зарубежных ученых в области информационных технологий, изучающих архитектуру и функционирование вычислительных систем: Э. Таненбаума, Б.М. Михайлова, С.В. Симоновича, В.Г. Хорошевского и др.

---

Методы исследования. В процессе исследования применялся диалектический метод познания, использовались методы индукции и дедукции, методы анализа и синтеза, сравнения и аналогии.

Структура и объем работы. С учетом поставленной цели и задач была определена структура работы. Она состоит из введения, двух глав основного содержания и списка использованной литературы.

В первой главе представлены теоретические аспекты вычислительных систем, описаны их состав и свойства. Во второй главе дана характеристика различных видов обеспечения вычислительных систем, подробно описаны информационное и математическое обеспечение.

Глава 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ
СИСТЕМ

• 1. Вычислительные системы: понятие, классификация

Вычислительные машины, системы и сети уже давно выполняют задачи, выходящие за рамки обычных вычислений. Говоря о понятии «электронная вычислительная машина», мы уже давно не имеем в виду, что речь идет об устройстве, предназначенном исключительно для вычислений. В современном мире это не просто вычислительные машины, а целые системы, предназначенные для хранения, обработки, редактирования, обновления информации – самого ценного ресурса в современном мире. Также вычислительные системы выполняют сортировку и поиск нужных данных, формируют таблицы, диаграммы и отчеты, осуществляют логические преобразования, выдают результаты и т.д.

Согласно ГОСТ 15971-90, вычислительная машина – это совокупность технических средств, создающая возможность проведения обработки информации (данных) и получения результата в необходимой форме. Под техническими средствами понимают все оборудование, предназначенное для автоматизированной обработки данных. Как правило, в состав вычислительной машины входит и системное программное обеспечение. Вычислительную машину, основные функциональные устройства которой выполнены на электронных компонентах, называют электронной вычислительной машиной (ЭВМ)^[1].

В последнее время в литературе вычислительную машину (особенно персональную) принято называть англоязычным термином «компьютер».

Вычислительную систему стандарт ISO/IEC2382/1-93 определяет как одну или несколько вычислительных машин, периферийное оборудование и программное обеспечение, которые выполняют обработку данных^[2].

---

Вычислительная система состоит из связанных между собой средств вычислительной техники, содержащих не менее двух основных процессоров, имеющих общую память и устройство ввода-вывода. Множественность вычислительных средств в вычислительной системе позволяет реализовать в ВС параллельную обработку данных.

Таким образом, вычислительная система является результатом интеграции аппаратных средств и программного обеспечения, функционирующих в единой системе и предназначенных для совместного выполнения информационно-вычислительных процессов.

Существует значительное число критериев, по которым можно провести классификацию вычислительных систем:

• по целевому назначению;
• по виду составляющих элементов;
• по типу ЭВМ или процессоров в составе вычислительной системы;
• по характеру пространственного распределения элементов вычислительной системы;
• по методам управления элементами системы;
• по принципу закрепления функций за отдельными ЭВМ или процессорами;
• по режиму работы.

Так, по назначению вычислительные системы делят на универсальные и специализированные вычислительные системы. Универсальные вычислительные системы, также называемые вычислительными системами общего назначения, применяются для выполнения широкого диапазона задач, состав которого заранее не определен. Специализированные вычислительные системы предназначены для выполнения небольшой, изначально строго определенной категории задач. Специализацию вычислительной системы могут обеспечивать различные средства^[3]:

1. сама структура системы (количество и типы параллельно работающих функциональных элементов, связи между ними и т.д.) может учитывать особенности выполняемых операций: матричные вычисления (процессор, в составе команд которого есть команды с векторными операциями, называют векторным), решение алгебраических, дифференциальных и интегральных уравнений, операции быстрого преобразования Фурье (такой процессор относят к процессорам цифровой обработки сигналов) и т.п. Практика разработки таких вычислительных систем показала, что чем уже класс задач, для решения которых предназначается специализированная вычислительная система, тем большую производительность можно обеспечить при сокращении затрат ресурсов;
2. специализация вычислительной системы может быть обусловлена наличием специального оборудования (в качестве ее периферийного устройства или устройств), для использования которых необходимо специальное программное обеспечение.

---

Далее, по виду составляющих элементов вычислительные системы классифицируют на многомашинные и многопроцессорные вычислительные системы. Многомашинная вычислительная система (ММВС) содержит несколько ЭВМ, каждая из которых имеет свою оперативную память и работает под управлением собственной операционной системы. А посредством использования дополнительных программных и аппаратурных средств осуществляется обмен между данными ЭВМ. Использование при параллелизме множества объектов – наиболее подходящая сфера применения ММВС.

В случае если в качестве элементов вычислительной системы используются процессоры, то такая вычислительная система является многопроцессорной. Многопроцессорная вычислительная система (МПВС) – эффективное средство решения задач с параллелизмом входных данных; ее также можно использовать и при параллелизме множества задач.

В зависимости от типов ЭВМ или процессоров, из которых состоят вычислительные системы, их подразделяют на однородные и неоднородные^[4]. В составе однородных вычислительных систем – однотипные ЭВМ или процессоры, в составе неоднородных – разнотипные. В однородных системах значительно упрощается разработка и обслуживание технических и программных средств (в большинстве случаев операционной системы). В них обеспечивается возможность стандартизации и унификации соединений и процедур взаимодействия элементов системы, упрощается обслуживание систем, облегчается модернизация и их развитие. Вместе с тем существуют и неоднородные вычислительные системы, в которых комплексируемые элементы очень сильно отличаются по своим техническим и функциональным характеристикам и могут представлять собой специализированные процессоры.

По характеру пространственного распределения элементов вычислительные системы делятся на системы сосредоточенного (локального) и распределенного типов. Обычно такое деление касается только ММВС: в этом классе можно найти вычислительные системы как распределенного, так и локального типов. Как правило, многопроцессорные системы относятся к системам локального типа. Более того, благодаря успехам микроэлектроники локализация ресурсов в микропроцессорах может быть очень глубокой: в перспективных СБИС появляется возможность иметь на одном кристалле несколько параллельно работающих процессоров.

Если взаимодействие ЭВМ в составе многомашинной вычислительной системы распределенного типа организуется с помощью специальных линий связи, то такую вычислительную систему называют вычислительной сетью.

---

В локальных и распределенных ММВС сильно различается оперативность взаимодействия в зависимости от удаленности ЭВМ: время передачи информации между соседними ЭВМ, соединенными простым кабелем, может быть много меньше времени передачи данных по каналам связи.

По методам управления элементами вычислительные системы делятся на централизованные, децентрализованные системы и системы со смешанным управлением. Каждая из этих структур имеет свои преимущества и недостатки.

Так, в централизованных вычислительных системах управление системой возлагается на одну главную (диспетчерскую) ЭВМ или процессор. Ее задачей является распределение нагрузки между элементами, выделение ресурсов, контроль состояния ресурсов, координация взаимодействия. Централизованные системы имеют более простые операционные системы. Однако выход из строя управляющей машины-диспетчера полностью парализует работу всей системы. Кроме того, в централизованной вычислительной системе несколько сложнее проходит процесс отладки. В этом заключаются основные минусы централизованных вычислительных систем.

В децентрализованных вычислительных системах функции управления распределены между ее элементами. Каждая ЭВМ или процессор системы сохраняет известную автономию, а необходимое взаимодействие между элементами устанавливается по специальным наборам сигналов. С развитием ММВС, и в частности сетей ЭВМ, интерес к децентрализованным системам постоянно растет.

В системах со смешанным управлением совмещаются процедуры централизованного и децентрализованного управлений. Перераспределение функций осуществляется в ходе вычислительного процесса исходя из сложившейся ситуации.

По принципу закрепления вычислительных функций за отдельными ЭВМ или процессорами различают вычислительные системы с жестким и плавающим закреплением функций. Плавающее закрепление функций обеспечивает высокую гибкость и надежность функционирования системы, но это связано с дополнительными затратами ресурсов на решение задачи динамического размещения программных модулей и массивов данных.

По режиму работы различают вычислительные системы, работающие в оперативном и неоперативном временных режимах. Оперативный режим вычислительной системы характеризуется тем, что время реализации алгоритма представляет собой фактор, определяющий эффективность системы. В неоперативных вычислительных системах такой зависимости нет^[5].

---