Файл: Состав и свойства вычислительных систем. Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем.(Основные виды обеспечения вычислительных систем).pdf

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ

Любая деятельность человека основывается на информации. Информация – сведения об окружающем мире (объектах, явлениях, событиях, процессах и т.д.), которые уменьшают имеющуюся степень неопределенности, неполноты знаний, отчужденные от их создателя и ставшие сообщениями (выраженными на определенном языке в виде знаков, в том числе и записанными на материальном носителе), которые можно воспроизводить устным, письменным или другим способом (с помощью условных сигналов, технических средств, вычислительных средств и т.д.).

Наряду с понятием «информация» распространение получило понятие «данные». В общеупотребительном смысле это синонимы, но существует достаточно строгое различие, которое заключается в том, что «информация» имеет общетеоретическое значение – «меры упорядоченности системы», а понятие «данные» сводит информацию до объекта тех или иных преобразований. В этом отношении данные представляют собой конкретные сведения (информацию в определенной форме – речевую, аудио, видео) на носителе, которые можно подвергнуть обработке, в том числе и компьютерными средствами.

Наука, занимающаяся изучением свойств информации, вопросами ее сбора, хранения, поиска, переработки, преобразования, распространения и использования в различных сферах деятельности человека, называется информатикой.

Целью данной работы является изучение принципов организации вычислительных систем.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- изучить состав и свойства вычислительных систем

- изучить принципы организации информационного и математического обеспечения вычислительных систем

ГЛАВА 1.СОСТАВ И СВОЙСТВА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Понятие вычислительной системы

Для введения в дисциплину ознакомимся с основными понятиями, которые определяют ее содержание. Рассмотрим понятия «вычислительная машина», «вычислительная система», определим разницу между компьютерами и информационной системой, между понятиями «архитектура» и «структура» аппаратных средств вычислительной системы.

Согласно ГОСТ 15971-90 вычислительная машина (ВМ) — 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 ВМ входит и системное программное обеспечение.

---

Вычислительную машину, основные функциональные устройства которой выполнены на электронных компонентах, называют электронной вычислительной машиной (ЭВМ).

В последнее время в отечественной литературе широкое распространение получил англоязычный термин «компьютер» (англ. Computer — вычислитель). Мы будем использовать эти термины как равноправные. Следует отметить, что в настоящее время активно ведутся разработки компьютеров, работа которых основана на оптических, фотонных, квантовых и других физических принципах. Например, оптические компьютеры в своей работе используют скорость света, а не скорость электричества, что делает их наилучшими проводниками данных. Сверхъестественный мир квантовой механики не подчиняется законам общей классической физики. Квантовый бит (qubit) не существует в типичных 0- или 1-бинарных формах сегодняшних компьютеров — квантовый бит может существовать в одной из них или же в обеих системах одновременно. В связи с этим понятие «электронная вычислительная машина», в котором акцентируется, что машина построена на основе электронных устройств, становится более узким, чем понятие «компьютер».

С развитием вычислительной техники появились многопроцессорные системы и сети, объединяющие большое количество отдельных процессоров и вычислительных машин, программные системы, реализующие параллельную обработку данных на многих вычислительных узлах. Появился термин «вычислительные системы».

Система (от греч. systema — целое, составленное из частей соединение) — это совокупность элементов (объектов), взаимодействующих друг с другом, образующих определенную целостность, единство.

Объект (от лат. objectum — предмет) — это термин, используемый для обозначения элементов системы.

Вычислительную систему (ВС) стандарт ISO/IEC2382/1 -93 определяет как одну или несколько вычислительных машин, периферийное оборудование и программное обеспечение, которые выполняют обработку данных.

Вычислительная система состоит из связанных между собой средств вычислительной техники, содержащих не менее двух основных процессоров, имеющих общую память и устройство ввода-вывода.

Формально отличие ВС от ВМ выражается в количестве вычислительных средств. Множественность этих средств позволяет реализовать в ВС параллельную обработку.

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

---

Аппаратное средство (hardware) включает в себя все внешние и внутренние физические компоненты компьютерной системы (из п. 3.7.2 ГОСТ Р 53394-2009).

Программное обеспечение (software) по ГОСТ Р 53394-2009 — это совокупность информации (данных) и программ, которые обрабатываются компьютерной системой.

С технической точки зрения вычислительная система — это комплекс вычислительных средств, объединенных в информационно-вычислительную сеть.

Основной отличительной чертой вычислительных систем по отношению к ЭВМ является наличие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку. Точного различия между вычислительными машинами и вычислительными системами определить невозможно, так как вычислительные машины даже с одним процессором обладают разными средствами распараллеливания, а вычислительные системы могут состоять из традиционных вычислительных машин или процессоров.

Необходимо понимать разницу между компьютерами и информационной системой: компьютеры оснащены специальными программными системами, являются технической базой и инструментом для информационных систем.

Информационная система — это организационно упорядоченная совокупность документов (массивов документов) и информационных технологий, в том числе с использованием средств вычислительной техники и связи, реализующих информационные процессы [1, ст. 2] (из п. 3.1.7 ГОСТ Р 54089-2010).

Информационная система немыслима без персонала, взаимодействующего с компьютерами и телекоммуникациями.

Информационная система с технической точки зрения — это взаимосвязанная совокупность средств, методов и персонала, используемых для хранения, обработки и выдачи информации в интересах достижения поставленной цели.

Общий состав и структура вычислительных систем

Основой цифровых вычислительных систем являются логические цифровые схемы, основанные на элементах, принимающих два возможных фиксированных значения — «О» и «1». Информация в таких схемах представлена в виде импульсных электрических сигналов, имеющих амплитуду выше некоторого уровня (логический ноль) или ниже определенного уровня (логическая единица). При построении цифровой ВС реализован принцип программного управления. Суть этого принципа в следующем: цифровая схема построена таким образом, что может решать некоторый определенный набор простых задач или выполнять определенные действия (команды); комбинируя эти действия в соответствии с заданным алгоритмом решения сложной задачи (программа), можно получить решение для очень широкого круга задач.

---

Таким образом, цифровая ВС состоит из аппаратных и программных средств, которые выступают как неразрывное единство.

К аппаратным средствам относятся электронные схемы, из которых построена система, и схемы, обеспечивающие их работоспособность.

К программным средствам относятся последовательности команд, реализующие решение задач и функции по обработке информации.

Технические и эксплуатационные характеристики

вычислительных машин

Производительность вычислительной машины. Этот показатель определяется архитектурой процессора, иерархией внутренней и внешней памяти, пропускной способностью системного интерфейса, системой прерывания, набором периферийных устройств в конкретной конфигурации, совершенством ОС и т.д. Основные единицы оценки производительности:

• абсолютная, определяемая количеством элементарных работ, выполняемых в единицу времени;

• относительная, определяемая для оцениваемой ЭВМ относительно базовой в виде индекса производительности.

Для каждого вида производительности применяются следующие традиционные методы их определения.

Пиковая производительность (быстродействие) определяется средним числом команд типа «регистр — регистр», выполняемых в одну секунду без учета их статистического веса в выбранном классе задач.

Номинальная производительность (быстродействие) определяется средним числом команд, выполняемых подсистемой «процессор — память» с учетом их статистического веса в выбранном классе задач. Она рассчитывается, как правило, по формулам и специальным методикам, предложенным для процессоров определенных архитектур, и измеряется с помощью разработанных для них измерительных программ, реализующих соответствующую эталонную нагрузку.

Для данных типов производительностей используются следующие единицы измерения:

• MIPS (Mega Instruction Per Second) — миллион команд в секунду;

• МFLOPS (Mega Floating Operations Per Second) — миллион операций над числами с плавающей запятой в секунду;

• GFLOPS (Giga Floating Operations Per Second) — миллиард операций над числами с плавающей запятой в секунду и т.д.

Системная производительность измеряется с помощью синтезированных типовых (тестовых) оценочных программ, реализованных на унифицированных языках высокого уровня. Унифицированные тестовые программы используют типичные алгоритмические действия, характерные для реальных применений, и штатные компиляторы ЭВМ. Они рассчитаны на использование базовых технических средств и позволяют измерять производительность для расширенных конфигураций технических средств. Результаты оценки системной производительности ЭВМ конкретной архитектуры приводятся относительно базового образца, в качестве которого используются ЭВМ, являющиеся промышленными стандартами систем ЭВМ различной архитектуры. Результаты оформляются в виде сравнительных таблиц, двумерных графиков и трехмерных изображений.

---

Эксплуатационная производительность оценивается на основании использования данных о реальной рабочей нагрузке и функционировании ЭВМ при выполнении типовых производственных нагрузок в основных областях применения. Расчеты делаются главным образом на уровне типовых пакетов прикладных программ текстообработки, систем управления базами данных, пакетов автоматизации проектирования, графических пакетов и т.д.

Разнообразие современных вычислительных машин очень велико, но все они представляет собой реализацию так называемой фон-неймановской (принстонской) архитектуры, представленной Джорджем фон Нейманом еще в 1945 г. Рассмотрим классическую архитектуру вычислительной машины на примере архитектуры фон Неймана.

Принцип действия вычислительной машины состоит в выполнении программ — последовательностей арифметических, логических и других операций, описывающих решение определенной задачи.

Программа (для ЭВМ) — это упорядоченная последовательность команд, подлежащая обработке (стандарт 180 2382/1-84).

Команда — это описание операции, которую должна выполнить вычислительная машина.

Результат команды вырабатывается по точно определенным для данной команды правилам, заложенным в конструкцию компьютера. Электронные схемы каждого компьютера могут распознавать и выполнять ограниченный набор простых команд.

На рис. 1 представлена схема фон-неймановской вычислительной машины, на основе которой уже более полувека создаются современные вычислительные машины.

Рис. 1. Схема фон-неймановской вычислительной машины

Фон-неймановская архитектура состоит из следующих основных устройств:

• памяти, которая включала 4096 машинных слов разрядностью 40 бит. Машинное слово содержало или команды (две команды по 20 бит), или целое число со знаком на 40 бит (8 бит указывали на тип команды, а остальные 12 бит определяли одно из 212 = = 4096 слов);

• арифметико-логического устройства (АЛУ), внутри которого находится особый внутренний регистр разрядностью 40 бит, так называемый аккумулятор;

• устройства управления (УУ), выполняет функции управления устройствами;

• устройства ввода информации;

• устройства вывода информации.

Эти устройства соединены каналами связи, по которым передается информация.

В современных вычислительных машинах арифметико-логическое устройство и устройство управления сочетаются в одной микросхеме, которая называется центральным процессором (ЦП).

---