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

Электронные вычислительные машины (ЭВМ), или компьютеры (от англ. Compute - вычислять, подсчитывать), - эпохальное изобретение человека, которое требовало немало титанического труда великих умов прошлого и современности. Самые древние вычислительные машины для простейших подсчетов появились около двух тысяч лет назад. Человечество непрерывно модернизировалось и развивалось во всех возможных областях, а вместе с ним прогрессировали и ЭВМ. Но, не смотря на довольно-таки давнюю дату рождения, электронные вычислительные машины современной комплектации и архитектуры появились лишь в начале сороковых годов двадцатого века. За срок, относительно короткий в сравнение с датой упоминания о первой вычислительной машине, компьютеры прошли колоссальный путь в своем техническом росте, распространении применения и инфлюкции на различные общественные ареалы, с какими не сравнится ни одно другое открытие в космической или атомной технике, например. Ведь последние, вполне возможно, так и не увидели свет, если бы не прорыв в развитии вычислительной техники и ее функциональных возможностей.

Коротко описывая скорость развития вычислительных машин, можно упомянуть образное сравнение в журнале «Сайнтифик Америкэн» (декабрь 1982 г.): «Если бы авиапромышленность в последние 25 лет развивалась столь же стремительно, как и промышленность средств вычислительной техники, то сейчас самолет «Боинг-767» стоил бы 500 долларов, совершал бы облет земного шара за 20 минут, затрачивая при этом 5 галлонов (примерно 20 литров) топлива». Числа, названные выше, довольно наглядно описывает относительное сокращение стоимости, рост активности и повышение экономичности ЭВМ. Компьютер, в свою очередь, является искусственно сотворенным человеком инструментом, который значительно позволяет расширить природные возможности людей. Существенной разницей между компьютером и иными инструментами, приспособлениями и механизмами является то, что он работает не благодаря физической силе человека. При использовании компьютера человек выполняет лишь функцию управляющего процессом работы. Компьютер, как таковой, создан не для повышения физического КПД человека, а для повышения его познаний, развития памяти или для помощи в областях различных вычислений и поиска новой нужной информации. Основной начинкой компьютера являются простые электронные приборы, с использованием новейшей обработки сигналов и информации. Возможно построение вычислительных машин на другой материальной базе: история знает механические, наши современники - оптические, а футурологи предсказывают появление биологических вычислительных машин. Вычислительные машины подразделяются на несколько групп по методам представления информации:

• Аналоговые вычислительные машины (АВМ). В них поток информации представляется в виде постоянно изменяющихся переменных, которые выражаются какими-либо физическими величинами.

• Цифровые вычислительные машины (ЦВМ). В них информация представляется в виде дискретных значений переменных (чисел), выраженных комбинацией дискретных значений какой-либо физической величины (цифр);

• Гибридные вычислительные машины. В этих машинах используются оба описанных выше способа представления информации.

Все способы имеют как свои положительные стороны, так и отрицательные. Главным положительным качеством ЦВМ, которое объясняет их довольно обширное применение и преобладание среди всех ЭВМ, является то, что точность получаемых с их помощью результатов вычислений не зависит от точности, с которой они сами (т.е. ЦВМ) изготовлены, в отличие от АВМ. Это может являться и пояснением того факта, что первое аналогичное нашему современному компьютеру устройство - логарифмическая линейка - появилось лишь в XVII в., тогда как первыми цифровыми предметами для упрощения механизма счёта были человеческие руки и предметы, взятые из домашнего обихода или же найденные природные материалы: камешки, палочки, косточки и т.п.: «Цифровое» приспособление для вычислений, абак, был известен еще в древнем Египте.

Значительное место в развитии техники для вычисления, средств обработки информации и управляющих устройств, которые являются фундаментальными во многих областях жизни человека, преобрело появление микропроцессоров. Не сдающий позиций интерес к микропроцессорам можно объяснить их невысокой ценой, надежностью, компактностью и довольно-таки, внушительными функциональными и вычислительными возможностями, благодаря которым появилось возможность использовать микропроцессоры даже в тех сферах, где ранее эксплуатация средств цифровой обработки информации считалось бессмысленным.

Во многих странах для достижения высоких экономических и социальных результатов в значительной степени зависит от масштабов и темпов развития процесса, затрагивающего все сферы общества, использования информационных технологий во всех областях деятельности человека.

Вопреки различиям процессов информатизации в различных ареалах человеческой жизни, ее связывают три элемента: единство главных средств производства (средства ЭВМ и информации), единство сырьевых ресурсов (данные для анализа и обработки), единство производимой продукции (информация управления и дальнейшего развития деятельности человека).

1. Вычислительные системы

Термин «вычислительная система» (ВС) был введен позже термина «вычислительная машина» и считается более обобщенным, потому что в структуре ВС существует ряд равных между собой и взаимодействующих обрабатывающих механизмов. Таким образом, стандартная вычислительная машина - всего лишь один из возможных видов ВС - однопроцессорных ВС.

ВС - это совокупность технических механизмов, имеющих общее управление, созданных для модифицирования информации и обеспечения автоматической обработки данных по заданной программе.

1.1 История развития вычислительной техники

Понятие вычислительная система родилось в начале - середине 60-х гг. при создании ЭВМ третьего поколения. Третье поколение ЭВМ (в конце 60-х - начале 70-х годов) отличается активным использование интегральных схем. Интегральной схемой является законченный логический и функциональный блок, подходящий весьма сложной транзисторной схеме. С помощью использования интегральных схем получилось в еще большей степени усовершенствовать технические и общеэксплуатационные характеристики машин. Вычислительная техника приобрела обширный перечень устройств, предоставляемых возможность выстраивать разного рода системы обработки данных, ориентированные на различные виды эксплуатации. Они охватывали весьма обширный по масштабам диапазон по эффективности, этому помогало также всеобщее применение многослойного печатного монтажа. В ЭВМ третьего поколения заметно пополнился набор разноплановых электромеханических устройств ввода и вывода информации. Формирование этих устройств осуществлялось постепенно: их референции преобразовывались несколько протяжнее, чем референции того же электронного оборудования. Развитие программных средств данного поколения от остальных отличает появление четко обозначенного программного обеспечения и развитие его ядра - операционных систем, которые в свою очередь отвечают за организацию и управление вычислительным процессом. Как раз в этот период «ЭВМ» с большой частотой начало вытесняться термином «вычислительная система», это дает понять, что как аппаратурная, так и программная часть ЭВМ стала более солидной. Цены на программное обеспечение стали подниматься, и в данный момент стала выше стоимости аппаратуры.

Операционная система (ОС) составляет цепочку размещения и эксплуатации ресурсов системы вычисления, а также делает возможной их совместную деятельность. Под термином ресурсы подразумевают то, что используются для операций вычисления: машинное время отдельных процессоров или ЭВМ, входящих в систему; объемы оперативной и внешней памяти; отдельные устройства, информационные массивы; библиотеки программ; отдельные программы как общего, так и специального применения и т.п. Интересно, что самые часто используемые возможности ОС в части анализа внештатных ситуаций (защита программ от взаимных помех, системы прерываний и приоритетов, служба времени, сопряжение с каналами связи и т.д.) от части или полностью были воплощены с помощью аппаратуры. В одно и то же время были созданы несколько более сложнохарактерные режимы работы: групповой доступ к ресурсам, мультипрограммные режимы. Доля этих решений является неким стандартом и стала применяться во всех направлениях разного рода классах ЭВМ. В машинах третьего поколения весьма увеличилось количество возможных вариантов для реализации прямой возможности доступа к ним со стороны пользователей, которые находятся на достаточно больших расстояниях (сотни и тысячи километров). Удобство общения пользователя с машиной создается с помощью развитой сети пользовательских пунктов, связанных с ЭВМ информационными каналами связи, и нужного программного обеспечения. В качестве примера можно привести режим разделения времени, в котором абонентам предоставляется возможность быстрого и прямого доступа к ЭВМ в одно и то же время. Из-за достаточно обильного различия инерционности человека и машины у каждого пользователя, подключенного к ЭВМ в данный момент, появляется впечатление, которое создает ему видимость предоставленного машинного времени лишь ему одному.

1.2 Основные характеристики

Эффективное применение вычислительной техники предполагает, что каждый вид вычислений требует использования компьютера с определенными характеристиками. Выбирая компьютер для решения своих задач, пользователь интересуется функциональными возможностями технических и программных модулей (как быстро может быть решена задача, насколько ЭВМ подходит для решения данного круга задач, какой сервис программ имеется в ЭВМ, возможности диалогового режима, стоимость подготовки и решения задач и т.д.). При этом пользователь интересуется не конкретной технической и программной реализацией отдельных модулей, а общими вопросами организации вычислений. Последнее включается в понятие архитектуры ЭВМ, содержание которого достаточно обширно. Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение. Современный компьютер относится к классу открытых систем. Конкретная реализация каждого из уровней таких систем определяет особенности структурного построения, что может менять характеристики в широких пределах. Именно архитектура отражает основные принципы, положенные в основу построения компьютеров. Детализацией архитектурного и структурного построения ЭВМ занимаются различные категории специалистов вычислительной техники. Инженеры-схемотехники проектируют отдельные технические устройства и разрабатывают методы их сопряжения друг с другом. Системные программисты создают программы управления техническими средствами, информационного взаимодействия между уровнями, организации вычислительного процесса. Программисты-прикладники разрабатывают пакеты программ более высокого уровня, которые обеспечивают взаимодействие пользователей с ЭВМ и необходимый сервис при решении ими своих задач. Указанные специалисты рассматривают понятие архитектуры в более узком смысле. Для них наиболее важные структурные особенности сосредоточены в наборе команд ЭВМ, являющемся границей между аппаратными и программными средствами. Пользователи ЭВМ, которые обычно не являются профессионалами в области вычислительной техники, рассматривают архитектуру через более сложные аспекты, касающиеся их взаимодействия с ЭВМ (человеко-машинного интерфейса), начиная со следующих групп характеристик ЭВМ, определяющих ее структуру:

технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ быстродействие и производительность; показатели надежности, достоверности, точности; емкость оперативной и внешней памяти; габаритные размеры; стоимость технических и программных средств; особенности эксплуатации и др.;

характеристики и состав функциональных модулей базовой конфигурации ЭВМ;

возможность расширения состава технических и программных средств; возможность изменения структуры;

состав программного обеспечения ЭВМ и сервисных услуг операционная система или среда, пакеты прикладных программ, средства автоматизации программирования.

Важнейшими характеристиками компьютеров служат быстродействие и производительность. Эти характеристики достаточно близки, но их не следует смешивать.

2. Классификация вычислительных систем

В связи с кризисом классической структуры компьютера дальнейшее поступательное развитие вычислительной техники напрямую связано с переходом к параллельным вычислениям, с идеями построения многопроцессорных систем и сетей, объединяющих большое количество отдельных процессоров и (или) компьютеров. Здесь появляются огромные возможности совершенствования средств вычислительной техники. Но следует отметить, что при несомненных практических достижениях в области параллельных вычислений, до настоящего времени отсутствует их единая теоретическая база.

2.1 Принципы построения

Как уже говорилось ранее Термин «вычислительная система» появился в начале - середине 60-х годов с появлением ЭВМ третьего поколения. Это время знаменовалось переходом на новую элементную базу - интегральные схемы.

Следствием этого явилось появление новых решений, как в структуре используемых вычислительных средств, так и в методах управления ими. Отражая эти новшества, и появился термин «вычислительная система». Он не имеет единого толкования в литературе, его часто даже используют применительно к однопроцессорным компьютерам. Однако общим здесь является подчеркивание возможности построения параллельных ветвей в вычислениях, что не предусматривалось классической структурой ЭВМ. Под вычислительной системой (ВС) будем понимать совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенную для сбора, хранения, обработки и распределения информации. Отличительной особенностью ВС по отношению к ЭВМ является наличие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку. Создание ВС 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.