Содержание:

Введение

В курсовой работе изложены состав и свойства вычислительных систем. Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем., включающей изучение структуры и общих свойств информации и информационных процессов, общих принципов построения вычислительных устройств, а также систем обработки, хранения и передачи информации. Представлены определения ключевых понятий и конкретные вопросы по теме курсовой работы.

1. Состав вычислительной системы

Существует большое количество признаков, по которым классифицируют вычислительные системы: по целевому назначению и выполняемым функциям, по типам и числу ЭВМ или процессоров, по архитектуре системы, режимам работы, методам управления элементами системы, степени разобщенности элементов вычислительной системы и др. Однако основными из них являются признаки структурной и функциональной организации вычислительной системы. 

По назначению вычислительные системы делят на универсальные и специализированные. Универсальные ВС предназначаются для решения самых различных задач. Специализированные системы ориентированы на решение узкого класса задач 

По типу вычислительные системы разделяются на многомашинные и многопроцессорные ВС. Многомашинные вычислительные системы (ММС) появились исторически первыми. Основные различия ММС заключаются, как правило, в организации связи и обмене информацией между ЭВМ комплекса. Каждая из них сохраняет возможность автономной работы и управляется собственной ОС. Любая другая подключаемая ЭВМ комплекса рассматривается как периферийное специальное оборудование. В зависимости от территориальной разобщенности ЭВМ и используемых средств сопряжения обеспечивается различная оперативность их информационного взаимодействия

Состав вычислительной системы называется конфигурацией. Аппаратные и программные средства вычислительной техники принято рассматривать отдельно. Это важно, так как часто решение одних и тех же задач может обеспечиваться как аппаратными, так и программными средствами. Критериями выбора аппаратного или программного решения являются производительность, эффективность и стоимость. Обычно ап­паратные решения оказываются дороже, а реализация программных решений требует более высокой квалификации персонала.

1.1 Аппаратное обеспечение

К аппаратному обеспечению вычислительных систем относятся устройства и приборы, образующие аппаратную конфигурацию. Современные компьютеры и вычислительные комплексы имеют блочно-модульную конструкцию — аппаратную конфигурацию, необходимую для исполнения конкретных видов работ, можно собирать из готовых узлов и блоков.

По способу расположения устройств относительно центрального процессорного устройства (ЦПУ— CentralProcessingUnit, CPU)различают внутренние и внешние устройства. Внешними, как правило, являются большинство устройств ввода- вывода данных (их также называют периферийными устройствами) и некоторые устройства, предназначенные для длительного хранения данных. 

Согласование между отдельными узлами и блоками выполняют с помощью переходных аппаратно-логических устройств, называемых аппаратными интерфейсами. Стандарты на аппаратные интерфейсы в вычислительной технике называют протоколами. Таким образом, протокол—это совокупность технических условий, которые должны быть обеспечены разработчиками устройств для успешного согласования их работы с другими устройствами. 

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. Количество битов, участвующих в одной посылке, определяется разрядностью интерфейса, например, восьмиразрядные параллельные интерфейсы передают один байт (8 бит) за один цикл. 

Параллельные интерфейсы обычно имеют более сложное устройство, чем последовательные, но обеспечивают более высокую производительность. Их применяют там, где важна скорость передачи данных: для подключения печатающих устройств, устройств ввода графической информации, устройств записи данных на внешний носитель и т. п. Производительность параллельных интерфейсов измеряют бай- томи в секунду (байт/с; Кбайт/с; Мбайт/с).

Устройство последовательных интерфейсов проще; как правило, для них не надо синхронизировать работу передающего и принимающего устройства (поэтому их часто называют асинхронными интерфейсами). Первоначально пропускная способность последовательных интерфейсов была меньше, а коэффициент полезного действия — ниже. Из-за отсутствия синхронизации посылок полезные данные предваряют и завершают; посылками служебных данных, то есть на один байт полезных данных могут приходиться 1-3 служебных бита (состав и структуру посылки определяет конкретный протокол). 

Поскольку обмен данными через последовательные устройства производится не байтами, а битами, их производительность измеряют битами в секунду (бит/с, Кбит/с, Мбит/с). Несмотря на кажущуюся простоту перевода единиц измерения скорости последовательной передачи в единицы измерения скорости параллельной передачи данных путем механического деления на 8, такой пересчет не выполняют, поскольку он не корректен из-за наличия служебных данных. В крайнем случае, с поправкой на служебные данные, иногда скорость последовательных устройств выражают в знаках в секунду или, что то же самое, в символах в секунду (с/с), но эта величина имеет не технический, а справочный, потребительский характер. 

Первоначально последовательные интерфейсы применяли для подключения «медленных» устройств (простейших устройств печати низкого качества, устройств ввода и вывода знаковой и сигнальной информации, контрольных датчиков, малопроизводительных устройств связи и т. п.), а также в тех случаях, когда отсутствуют существенные ограничения по продолжительности обмена данными. 

Однако с развитием техники появились новые, высокоскоростные последовательные интерфейсы, не уступающие параллельным, а нередко и превосходящие их по пропускной способности. Сегодня последовательные интерфейсы применяют для подключения к компьютеру любых типов устройств. 

1.2 Программное обеспечение

Программа – это упорядоченная последовательность команд. Конечной целью любой компьютерной программы является управление аппаратными средствами.

Программное и аппаратное обеспечение работают в неразрывной связи и в непрерывном взаимодействии. 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.

Рис 1.2. Уровни программного обеспечения

Выделяют 4 уровня программного обеспечения (рис 1.2) 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 специальных микросхемах, называемых постоянными запоминающими устройствами ПЗУ или ROM (ReadOnlyMemory). Соответствующие 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 (EPROM–Erasable and Programmable ReadOnlyMemory). В этом случае изменение содержания можно выполнить непосредственно в составе вычислительной системы (флэш-технология) или вне на специальных устройствах (программаторах).

Системный уровень – переходной. 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.

Другие программы системного уровня отвечают за взаимодейст­вие с пользователем. Благодаря им он получает возможность вводить данные в вычислительную систему, управлять ее работой и получать результат в удобной форме. Эти программные средства называют средствами обеспечения пользовательского интерфейса. От них непосредст­венно зависит удобство работы с компьютером и производительность труда на рабочем месте.

Совокупность программного обеспечения системного уровня образует ядро операционной системы. 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.

Классификация прикладных программных средств:

• системы подготовки (процессоры и редакторы) текстовых, табличных и других документов;
• системы подготовки презентаций;
• графические процессоры и редакторы;
• программы математических расчётов, моделирования и анализа экспериментальных данных;
• системы обработки финансово-экономической информации;
• системы, применяемые в юриспруденции;
• информационно-поисковые системы;
• системы управления проектами;
• экспертные системы и системы поддержки принятия решений;
• системы интеллектуального проектирования и совершенствования управления;
• личные информационные системы;
• прочие системы для использования в различных предметных областях, культуры, искусства, отдыха и т.п. 

Системы обработки финансово-экономической информации предназначены для обработки числовых данных, характеризующих различные производственно-экономические и финансовые явления и объекты, и для составления соответствующих управленческих документов и информационно-аналитических материалов. Они включают: универсальные табличные процессоры (Microsoft Excel); специализированные бухгалтерские программы («1С: Бухгалтерия»); специализированные банковские программы (для внутрибанковских и межбанковских расчетов); специализированные программы финансово-экономического анализа и планирования и др.

Экспертные системы (ЭС) и системы поддержки принятия решений (СППР) используются для реализации технологий информационного обеспечения процессов принятия управленчес-ких решений на основе применения экономико-математического моделирования и принципов искусственного интеллекта. 

Под экспертной системой понимают комплекс программ, моделирующих действия человека-эксперта при решении задач в узкой предметной области на основе знаний, сконцентрированных в базе знаний. 

Система поддержки принятия решений – компьютерная система, позволяющая лицам, принимающим решения, сочетать собственные предпочтения с компьютерным анализом ситуации при выработке рекомендаций в процессе принятия решений. 

Системы управления проектами предназначены для управления ресурсами различных видов (материальными, техническими, финансовыми, кадровыми, информационными) при реализации сложных научно-исследовательских, проектно-строительных и производственных работ.

Системы интеллектуального проектирования и совершенствования управления предназначены для использования CASE-технологий (Computer Aid System Engineering), ориентированных на автоматизированную разработку проектных решений по созданию и совершенствованию систем организационного управления.

Личные информационные системы предназначены для информационного обслуживания рабочего места пользователя и позволяют:

• планировать личное время на различных временных уровнях, при этом система может своевременно напоминать о наступлении запланированных мероприятий;
• вести персональные или иные картотеки и автоматически выбирать из них необходимую информацию;
• вести журнал телефонных переговоров и использовать функции, характерные для многофункциональных телефонных аппаратов;
• вести персональные информационные блокноты для хранения разнообразной личной информации.

2. Обеспечение информационных систем

Обеспечение информационных систем подразделяется на: информационное, техническое, математическое и программное, методическое, лингвистическое, правовое и организационное (Рис. 2.1).

Рис.2.1. Подсистемы информационной системы.

Информационное обеспечение включает совокупность данных, методы построения БД, а также проектных решений по объёмам, размещению, формам организации информации, циркулирующей в ИС организации.

Техническое обеспечение - комплекс ТС, предназначенных для работы ИС, документация на эти средства и технологические процессы.

Математическое обеспечение - совокупность математических методов, моделей, алгоритмов обработки информации, используемых при решении функциональных и проектных задач в ИС.

Программное обеспечение - совокупность программ для реализации целей, задач ИС и нормального функционирования как отдельных, так комплекса ТС.

Методическое и организационное обеспечение - комплекс методов, средств и документов, регламентирующих взаимодействие персонала ИС с программно-техническими средствами (ПТС) и между собой в процессе разработки и эксплуатации ИС.

Лингвистическое обеспечение - совокупность языков общения персонала ИС и пользователей с программно-техническим и информационным обеспечением, а также сумму терминов, используемых в ИС.

Правовое обеспечение - правовые нормы, используемые для соблюдения законности (законы, указы, постановления государственных органов власти, приказы и инструкции вышестоящих органов и руководителей организации).

2.1 Информационное обеспечение вычислительных систем

Для того чтобы понимать друг друга и передавать информацию люди имеют мощный инструмент – естественный язык. В случае если мы говорим на разных языках, то прибегаем к услугам переводчика или изучаем иностранный язык. Все это делается ради одной единственной цели – создать единую среду обмена информацией. Этот аспект не менее актуален и для ЭВМ, тем более в составе вычислительной сети, тем более, если ИВС территориально рассредоточена и включает сотни и даже тысячи ЭВМ. Кроме этого, все ИВС состоят из набора уровней.

Состав требований к информационному обеспечению ИВС обширен и содержит множество важных, а зачастую, очевидных аспектов. Попытаемся их предельно четко сформулировать и изложить в сжатой форме.

Результатная информация, предоставляемая пользователю по его запросу должна иметь удобный для него вид. Базы данных, используемые для решения поставленных перед ИВС задач должны содержать всю необходимую для этого информацию.  Неполнота и противоречивость данных недопустимы.

Форматы данных и сообщений, должны максимально эффективно использовать производительность технических средств. Различные сегменты ИВС должны обладать свойством информационной совместимости. Это означает, что данные, имеющие гетерогенную природу (различные по своей природе – это аудио, видео, и пр. виды информации) должны обрабатываться одинаково эффективно.

Необходимость организации ИВС подразумевает создание единой информационно-коммуникационной среды. Для этого могут быть применены две основные технологии –  клиент-серверная и файл-серверная.

Кроме этого, массивы информации в виде баз данных (БД), могут иметь статус коллективного (доступны всем пользователям) и индивидуального ресурса (имеется один владелец-пользователь).

БД, используемые в ИВС, размещаются локально на одной ЭВМ или являются распределенными и располагаются на нескольких ЭВМ. Для управления БД применяются стандартные СУБД (системы управления БД) и СУРБД (системы управления распределенными БД) [11].

Программно-технические средства ИВС должны быть рассчитаны на перспективу длительной эксплуатации и развития. Это подразумевает чередующиеся этапы эволюционного наращивания возможностей в рамках предусмотренного ресурса и радикальной замены отдельных компонентов как технических, так и программных средств.

ИВС должна обеспечивать корректное взаимодействие с прикладными программами, написанными в разных средах и разными специалистами. Правила и соглашения, используемые для обмена информацией между компьютерами на одном уровне, называется протоколом.

Между каждой парой смежных уровней находится интерфейс, определяющий набор примитивных операций, предоставляемых нижним уровнем верхнему.

Набор уровней и протоколов называется архитектурой сети. Согласованная и открытая архитектура ИВС должна поддерживаться стандартными прикладными интерфейсами.

Шаг в будущее, сделанный нами порядка трех десятилетий назад, подразумевает переход от баз данных к базам знаний (БЗ). Точнее к системам, основанным на знаниях, информационное обеспечение вычислительных процессов в которых отличается от используемых повсеместно БД. БЗ также входят в состав информационного обеспечения ИВС. 

Иску́сственная нейро́нная се́ть (ИНС) — математическая модель, а также её программное или аппаратное воплощение, построенная по принципу организации и функционирования биологических нейронных сетей — сетей нервных клеток живого организма. Это понятие возникло при изучении процессов, протекающих в мозге, и при попытке смоделировать эти процессы. Первой такой попыткой были нейронные сети У. Маккалока и У. Питтса[1]. После разработки алгоритмов обучения получаемые модели стали использовать в практических целях: в задачах прогнозирования, для распознавания образов, в задачах управления и др.

ИНС представляет собой систему соединённых и взаимодействующих между собой простых процессоров (искусственных нейронов). Такие процессоры обычно довольно просты (особенно в сравнении с процессорами, используемыми в персональных компьютерах). Каждый процессор подобной сети имеет дело только с сигналами, которые он периодически получает, и сигналами, которые он периодически посылает другим процессорам. И, тем не менее, будучи соединёнными в достаточно большую сеть с управляемым взаимодействием, такие по отдельности простые процессоры вместе способны выполнять довольно сложные задачи.

С точки зрения машинного обучения, нейронная сеть представляет собой частный случай методов распознавания образов, дискриминантного анализа, методов кластеризации и т. п.

С математической точки зрения, обучение нейронных сетей — это многопараметрическая задача нелинейной оптимизации.

С точки зрения кибернетики, нейронная сеть используется в задачах адаптивного управления и как алгоритмы для робототехники.

С точки зрения развития вычислительной техники и программирования, нейронная сеть — способ решения проблемы эффективного параллелизма,

А с точки зрения искусственного интеллекта, ИНС является основой философского течения коннективизма и основным направлением в структурном подходе по изучению возможности построения (моделирования) естественного интеллекта с помощью компьютерных алгоритмов.

Нейронные сети не программируются в привычном смысле этого слова, они обучаются. Возможность обучения — одно из главных преимуществ нейронных сетей перед традиционными алгоритмами. Технически обучение заключается в нахождении коэффициентов связей между нейронами. В процессе обучения нейронная сеть способна выявлять сложные зависимости между входными данными и выходными, а также выполнять обобщение. Это значит, что в случае успешного обучения сеть сможет вернуть верный результат на основании данных, которые отсутствовали в обучающей выборке, а также неполных и/или «зашумленных», частично искажённых данных.

2.2 Математическое обеспечение вычислительных систем.

Математическое обеспечение — состоит из фонда программ вычислительных алгоритмов, в частности, фонд содержит решения типовых задач математической физики. Фонд непрерывно пополняется, на рынке программных продуктов идет конкуренция между разработчиками МО. Одна из классификаций математического обеспечения предполагает деление его на следующие разделы:

• 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.

Первые численные модели на ЭВМ программировались в двоичных кодах, эти подпрограммы были машинно-ориентированными. Мобильность подпрограмм — возможность их использования на различных ЭВМ появилась с внедрением универсальных языков программирования: Алгола и Фортрана. Другим эффектом внедрения алгоритмических языков высокого уровня было появление новой среды описания вычислительных алгоритмов, программа на таком языке может также служить формальным описанием алгоритма. Особенно ярко эта спо-

собность алгоритмического языка служить языком публикаций вычи-

слительных алгоритмов проявилась у языка Алгол-60. В СССР и за рубежом был опубликован обширный спектр вычислительных алгоритмов на этом языке. С 70-х годов описания вычислительных алгоритмов публикуются на Фортране из-за широкого распространения этого языка. Набор алгоритмов, опубликованных в журнале “ACM Transactions on Mathematical Soft.”, охватывает почти все сферы численного анализа.

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 свыше тысячи программ. Системная часть пакета обеспечивает подбор оптимальной последовательности программ для решения общей задачи. устриальной технологии производства программ приложений.

Современное МО, 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.

Библиотеки создаются как коммерческий продукт; причем, чем шире круг пользователей и, соответственно, более разнообразен диапазон удовлетворяемых запросов, тем выше цена продукта. Библиотечная программа для расширения области применения должна допускать широкую вариацию входных параметров, обеспечивать настройку на особенности исходных данных и аппаратной среды.

Появление математического обеспечения было вызвано необходимостью повышения производительности труда программистов и специалистов, эксплуатирующих ЭВМ. Действительно, команды вычислительной машины представляют собой с точки зрения возможности записи алгоритма весьма элементарные операции, и запись алгоритма (программирование) в виде последовательности этих команд является трудоемкой работой. Это стимулировало создание средств автоматизации программирования. Происходило укрупнение операций, понимаемых электроникой машины, но это не решило проблемы. Даже у современных ЭВМ команды, как правило, представляют собой элементарные операции. Существенно больший успех был достигнут на пути создания программных средств, облегчающих программирование. Первым шагом было создание М. о., позволяющего программировать на автокоде. Программа на автокоде фактически представляет собой ту же последовательность команд ЭВМ, но записанных символическими обозначениями - в мнемоническом виде. Преобразование мнемонич. кода программы в команды машины осуществляют специальные программы - ассемблеры. Затем появились макроассемблеры, к-рые дали возможность использовать в текстах программ макрооператоры, обеспечивающие выполнение группы команд машины.

Следующим этапом автоматизации программирования было создание алгоритмических языков высокого уровня. Имеется свыше тысячи алгоритмических языков различного назначения, применение которых существенно сокращает затраты на разработку и создание программ.

Список используемой литературы

1. Степанов А. Н.. Архитектура вычислительных систем и компьютерных сетей, 2007
2. А.П. Пятибратов, Л.П. Гудыно, А.А. Кириченко. Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы, 2009
3. О.А. Акулов Н.В. Медведев. Информатика и вычислительная техника, 2005
4. Захаров А. Ю., Маркачев Ю. Е. Современные пакеты и библиотеки

программ математического обеспечения // Препринт ИПМ им. М.В. Келдыша. 1987

1. W h a l e y R. C., P e t i t e t A., D o n g a r r a J. Automated Empirical

Optimization of Software and the ATLAS Project, UT-CS-00-448, September 2000

1. Горбунов - Посадов М. М., Корягин Д. А., Мартынюк В. В.

Системное обеспечение пакетов прикладных программ. М.: Наука, 1990.

1. Форсайт Дж., Малькольм М., Моулер К. Машинные методы математических вычислений. М.: Мир, 1980
2. О.А. Акулов Н.В. Медведев. Информатика и вычислительная техника. 2005
3. Симонович С. В. Информатика. Базовый курс: Учебник для вузов. 3-е издание

Степанов А. Н.. Архитектура вычислительных систем и компьютерных сетей. 

1. Завгордний В. И. Комплексная защита информации в компьютерных системах. – М. “Логос”, 2001.
2. Малюк А. А., Пазизин С. В., Погожин Н. С. Введение в защиту информации в автоматизированных системах. – М. “Горячая линия – телеком”, 2001. –
3. Симонович С. В. Информатика. Базовый курс. – СПб: Питер, 2001