Состав и свойства вычислительных систем. Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем (Информационные системы и технологии)

Содержание:

Введение

Вычислительные системы, сети и телекоммуникации являются в современном обществе самыми востребованными ресурсами. Войдя в человеческую жизнь, компьютеры стали сейчас неотъемлемой частью нашей жизни и деятельности. И хотя первая ЭВМ с автоматическим программным управлением была создана более полувека назад, к настоящему моменту уже насчитывается пять поколений вычислительных машин. Такого бурного развития не претерпевала ни одна технология.

Действительно, если первая ЭВМ «Эниак» (1946 год) занимала площадь около 150 м2, весила более 30 тонн и содержала около 17 тысяч электронных ламп, то сейчас такое количество электронных компонентов 0,15 мкм технологии позволяют разместить в срезе человеческого волоса.

Уже давно вычислительные системы, сети и телекоммуникации выполняют не столько вычисления, сколько преобразования информации (накопление, хранение, организацию, толкование информации), то есть представляют собой информационные системы.

Тем не менее, еще и сейчас в литературе часто используются традиционные, исторически сложившиеся их названия. Что касается толкования понятия «вычислительная система», то в литературе имеются различные ее определения. В данном пособии будем придерживаться следующего определения.

Вычислительная система – совокупность одного и более компьютеров или процессоров, программного обеспечения и периферийного оборудования, организованная для совместного выполнения информационно-вычислительных процессов.

Для индустриального общества характерными являются такие виды ресурсов, как материальные, природные, трудовые, финансовые и энергетические.

В информационном обществе акцент значимости смещается на информационный ресурс, представляющий собой знания, накопленные людьми для социального использования в обществе. Эти знания зафиксированы и материализованы в виде документов, баз данных, баз знаний, алгоритмов, компьютерных программ, произведений литературы, науки и искусства.

Инфраструктура информатизации включает: вычислительные машины

и сети, системы их коммуникаций и программное обеспечение этих систем; информационные средства; систему подготовки кадров для эксплуатации аппаратного, программного и информационного обеспечения; экономические

и правовые механизмы, обеспечивающие и способствующие эффективному развитию процесса информатизации.

Ключевая роль в современной инфраструктуре информатизации

принадлежит вычислительным системам, сетям и телекоммуникациям, в которых сосредоточены новейшие средства вычислительной техники, информатики, связи, а также самые прогрессивные информационные технологии. Именно они обеспечивают пользователям широкий набор информационно-вычислительных услуг с доступом к локальным и удаленным машинным ресурсам, технологиям, базам данных и знаний.

Возможности улучшения технико-эксплуатационных показателей компьютеров в значительной степени зависят от элементов, используемых для построения их электронных схем. Поэтому при рассмотрении этапов развития ЭВМ каждое поколение обычно в первую очередь характеризуется используемой элементной базой.

За 60 лет развития электронной вычислительной техники можно выделить (как уже было сказано) пять поколений ЭВМ (компьютеров), отличающихся элементной базой, функционально-логической организацией, конструктивно-технологическим исполнением, программным обеспечением, техническими и эксплуатационными характеристиками, степенью доступа к компьютерам со стороны пользователей.

Глава 1. Состав и свойства вычислительных систем.

1.1. Классификация вычислительных систем.

Вычислительная система (ВС) – это совокупность взаимосвязанных процессоров или компьютеров, программного обеспечения и периферийного оборудования, предназначенная для сбора, хранения, обработки, распределения и выдачи информации. Отличительной особенностью ВС по отношению к компьютеру является наличие в ней нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку. Создание ВС преследует следующие основные цели: повышение производительности системы, повышение надежности и достоверности вычислений, предоставление пользователям дополнительных сервисных услуг и т.д.

Параллелизм в вычислениях в значительной степени усложняет управление вычислительным процессом, использование технических и программных ресурсов. Эти функции выполняет ОС ВС.

Основные принципы построения ВС:

- возможность работы в разных режимах;

- унификация и стандартизация технических и программных решений;

- модульность структуры технических и программных средств;

- иерархия в организации управления процессами;

- способность систем к адаптации, самонастройке и самоорганизации;

- обеспечение сервисом пользователей при выполнении вычислений. 

Структура ВС – это совокупность элементов ВС и их связей. В качестве элементов ВС выступают отдельные компьютеры и (или) процессоры.

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

По назначению вычислительные системы делят на универсальные и специализированные. Универсальные ВС предназначаются для решения самых различных задач. Специализированные ВС ориентированы на решение узкого класса задач. Специализация ВС может устанавливаться различными средствами:

- структура ВС ориентирована на определенные виды обработки;

- структура ВС содержит специальное оборудование и пакеты.

По типу вычислительные системы можно разделить на многомашинные и многопроцессорные ВС. Многомашинные вычислительные системы (ММС) появились первыми (рисунок 1.1, а). Положения 1 и 3 электронного ключа (ЭК) обеспечивали режим повышенной надежности, когда одна из ЭВМ выполняла вычисления, а другая находилась в резерве. Положение 2 ЭК обеспечивало параллельный режим вычислений обоих ЭВМ. Здесь возможны две ситуации:

- обе машины решают одну и ту же задачу и периодически сверяют результаты, это повышает достоверность результата;

- обе машины параллельно решают разные задачи, сохраняя возможность обмена информацией, это повышает производительность.

Рисунок 1.1 – Типы ВС: а – многомашинные комплексы; б – многопроцессорные системы

Каждая ЭВМ ММС сохраняет возможность автономной работы и управляется собственной ОС. Любая дополнительно подключаемая ЭВМ рассматривается как периферийное устройство (ПфУ).

Многопроцессорные системы (МПС) состоят из нескольких процессоров (рисунок 1.1,б). В качестве общего ресурса они имеют общую оперативную память (ООП). Параллельная работа процессоров и использование ООП обеспечивается единой ОС. По сравнению с ММС достигается наивысшая оперативность взаимодействия процессоров.

Однако МПС имеет и существенные недостатки:

- возникновение конфликтных ситуаций при обращении нескольких процессоров и УВВ к одним и тем же областям ООП;

- проблема коммутации абонентов и доступа их к ООП, т.к.

- отсутствуют высокоэффективные коммутаторы общей памяти. Процедуры взаимодействия очень сильно усложняют структуру ОС МПС. Эти системы эффективны при 2-10процессорах. В отечественных системах «Эльбрус» обеспечивалась возможность работы до 10 процессоров, до 32 модулей памяти, до 4 процессоров ввода-вывода и до 16 процессоров связи.

По типу ЭВМ или процессоров, используемых для построения ВС, различают однородные и неоднородные системы.

Однородные системы предполагают комплексирование однотипных ЭВМ (процессоров), неоднородные – разнотипных. В однородных системах упрощается разработка и обслуживание технических и программных средств, обеспечивается возможность стандартизации и унификации соединений и процедур взаимодействия элементов системы.

Неоднородные ВС комплексируются из элементов сильно отличаются по своим техническим и функциональным характеристикам. Неоднородные системы находят применение в МПС.

По степени территориальной разобщенности вычислительных модулей ВС делятся на системы совмещенного и распределенного типов. МПС относятся к системам совмещенного типа. Учитывая успехи микроэлектроники (СБИС), появляется возможность иметь в одном кристалле несколько параллельно работающих процессоров.

В совмещенных и распределенных ММС оперативность взаимодействия зависит от удаленности ЭВМ. Все выпускаемые ЭВМ имеют средства прямого взаимодействия и средства подключения к сетям. Для ПК такими средствами являются модемы.

По методам управления элементами ВС различают централизованные, децентрализованные и со смешанным управлением.

В централизованных ВС имеется главная, или диспетчерская, ЭВМ (процессор). Ее задачей является распределение нагрузки между элементами, выделение ресурсов, контроль состояния ресурсов, координация взаимодействия. Функции управления могут быть жестко фиксированы или передаваться другой ЭВМ (процессору), что способствует повышению надежности системы. Централизованные системы имеют более простые ОС.

В децентрализованных системах функции управления распределены между ее элементами. Каждая ЭВМ (процессор) системы сохраняет автономию, а необходимое взаимодействие между элементами устанавливается по специальным наборам сигналов. С развитием ВС и сетей ЭВМ интерес к децентрализованным системам постоянно растет. В системах со смешанным управлением совмещаются процедуры централизованного и децентрализованного управления. Перераспределение функций осуществляется в ходе вычислительного процесса, исходя из сложившейся ситуации.

По принципу закрепления вычислительных функций за отдельными ЭВМ (процессорами) различают системы с жестким и плавающим закреплением функций.

По режиму работы ВС различают системы, работающие в оперативном и неоперативном временных режимах. Первые используют режим реального времени. Этот режим характеризуется жесткими ограничениями на время решения задач в системе.

Традиционно электронную вычислительную технику (ЭВТ) подразделяют на аналоговую и цифровую.

В аналоговых вычислительных машинах (АВМ) обрабатываемая информация представляется соответствующими значениями аналоговых величин (в основном напряжения). Эти машины обеспечивают высокое быстродействие, но низкую точность вычислений. Поэтому используются сейчас редко, только для решения специализированных задач.

Под словом ЭВМ (постепенно заменѐнным словом компьютер) обычно понимают массовые универсальные цифровые вычислительные машины, в которых информация представляется двоичными кодами.

Существуют три глобальные сферы деятельности человека, которые требуют использования качественно различных типов компьютеров:

- автоматизация вычислений;

- использование в системах управления;

- решение задач искусственного интеллекта.

Даже краткое перечисление областей применения компьютеров показывает, что для решения различных задач нужна соответственно и разная вычислительная техника.

Существует классификация средств ЭВТ, в основу которой положено их разделение по быстродействию:

суперЭВМ для решения крупномасштабных вычислительных задач и обслуживания крупнейших информационных банков данных;

большие ЭВМ для комплектования ведомственных, территориальных и региональных вычислительных центров;

средние ЭВМ широкого назначения для управления сложными технологическими производственными процессами. Компьютеры этого типа могут использоваться и для управления распределенной обработкой информации в качестве сетевых серверов;

персональные компьютеры, позволяющие удовлетворять индивидуальные потребности пользователей. На базе этого класса компьютеров строятся автоматизированные рабочие места (АРМ) для специалистов различного уровня;

встраиваемые микропроцессоры, осуществляющие автоматизацию управления отдельными устройствами и механизмами.

С развитием сетевых технологий начал использоваться другой классификационный признак, отражающий место и роль компьютеров в сети:

- мощные машины и вычислительные системы;

- кластерные структуры;

- серверы;

- рабочие станции;

- сетевые компьютеры.

Мощные машины и вычислительные системы предназначаются для обслуживания крупных сетевых банков данных и банков знаний. По своим характеристикам их можно отнести к классу суперЭВМ, но в отличие от них они являются более специализированными и ориентированными на обслуживание мощных потоков информации.

Кластерные структуры представляют собой многомашинные распределенные вычислительные системы, объединяющие несколько серверов. Это позволяет гибко управлять ресурсами сети, обеспечивая необходимую производительность, надежность и другие характеристики.

Серверы – это вычислительные машины и системы, управляющие определенным видом ресурсов сети. Различают файл-серверы ,серверы приложений, факс - серверы, почтовые, коммуникационные, Web-серверы и др.

Рабочие станции – абонентские пункты, ориентированные на работу профессиональных пользователей с сетевыми ресурсами. Этот термин отделяет их от ПК, обеспечивающих работу основной массы непрофессиональных пользователей, работающих обычно в автономном режиме.

Сетевые компьютеры представляют собой упрощенные персональные компьютеры, вплоть до карманных ПК. Их основным назначением является обеспечение доступа к сетевым информационным ресурсам.

1.2. Архитектура вычислительных систем

Архитектура ВС – совокупность характеристик и параметров, определяющих структурную и функционально-логическую организацию системы. Понятие архитектуры охватывает общие принципы построения и функционирования ВС.

Существует четыре основных архитектуры ВС.

одиночный поток команд – одиночный поток данных (ОКОД) или Single Instruction Single Data (SISD) – однопроцессорная архитектура;

множественный поток команд – одиночный поток данных (МКОД), или

Multiple Instruction Single Data (MISD) – конвейерная архитектура;

одиночный поток команд – множественный поток данных (ОКМД) или

Single Instruction Multiple Data (SIMD) – векторная архитектура;

множественный поток команд – множественный поток данных (МКМД),

или Multiple Instruction Multiple Data (MIMD) – матричная архитектура.

Рассмотрим данные архитектуры на схеме ниже (рисунок 1.2):

Рисунок 1.2  – Архитектуры ВС: а – SISD (однопроцессорная); б – MISD (конвейерная); в – SIMD (векторная); г – MIMD (матричная)

Архитектура ОКОД охватывает все однопроцессорные и одномашинные варианты систем, т.е. с одним вычислителем. Все ЭВМ классической структуры попадают в этот класс. Здесь параллелизм вычислений обеспечивается путем совмещения выполнения операций отдельными блоками АЛУ, а также параллельной работы процессора и устройств ввода-вывода.

Архитектура МКОД представляет своеобразный процессорный конвейер, в котором результаты обработки передаются от одного процессора к другому по цепочке. Конвейерная схема нашла применение в скалярных процессорах суперЭВМ, в которых они применяются как специальные процессоры для поддержки векторной обработки.

Архитектура ОКМД предполагает создание структур векторной обработки. Системы этого типа обычно строятся как однородные, процессорные. Однако каждый процессор обрабатывает свой поток данных. Задачи с широким параллелизмом составляют достаточно узкий класс. Структуры ВС этого типа – это структуры специализированных суперЭВМ.

Архитектура МКМД предполагает, что все процессоры системы работают по своим программам с собственными потоками команд. В простейшем случае они могут быть автономны и независимы. Такая схема использования ВС часто применяется в крупных вычислительных центрах. Подобные системы могут быть многомашинными и многопроцессорными. На практике такие системы позволяют одновременно использовать сотни и тысячи процессоров.

1.3. Типовые структуры вычислительных систем

Практика показала, что каждая структура вычислительной системы эффективно обрабатывает лишь задачи определенного класса [6, 9,] При этом необходимо, чтобы структура вычислительной системы максимально соответствовала структуре решаемых задач. Только в этом случае система обеспечивает максимальную производительность. Универсальной структуры ВС, одинаково хорошо обрабатывающей задачи любого типа, не существует.

Классификация уровней программного параллелизма включает 6 позиций: независимые задания, отдельные части заданий, программы и подпрограммы, циклы и итерации, операторы и команды, фазы отдельных команд.

Рассмотрим возможные структуры ВС, которые обеспечивают перечисленные виды программного параллелизма.

ОКОД - структуры. Два нижних вида параллелизма реализуются в любых современных компьютерах, включая и ПК. Данный тип архитектуры объединяет любые системы в однопроцессорном (одномашинном) варианте.

Перечислим большое число улучшений классической структуры компьютера: иерархическое построение памяти компьютера, появление сверхоперативной памяти и кэш-памяти, относительная и косвенная адресация памяти, разделение процессора вввода-вывода и обработки задач, появление систем прерывания и приоритетов и т.д.

В этом ряду следует рассматривать и организацию конвейера последовательно выполняемых команд: формирование адреса команды, выбор команды, формирование адресов и выбор операндов, выполнение команды, запись результата. Линейные участки современных программ редко превышают 10-15 последовательно выполняемых команд. Поэтому конвейер часто перезапускается, что снижает производительность компьютера в целом.

В связи с успехами микроэлектроники появилась возможность построения RISC-компьютеров(Reduced Instruction Set Computing) с сокращенным набором команд.

Большие ЭВМ предыдущих поколений не имели большой сверхоперативной памяти, поэтому они имели достаточно сложную систему

CISC-команд (Complete Instruction Set Computing – вычисления с полной системой команд). В этих машинах большую долю команд составляли команды типа «память-память»,в которых операнды и результаты операций находились в оперативной памяти. Время обращения к памяти и время вычислений соотносились примерно 5/1. ВRISC-машинах с большой сверхоперативной памятью большой удельный вес составляют операции«регистр-регистр»и отношение времени обращения к памяти и времени вычислений составляет 2/1.

В RISC-компьютерах основу системы команд составляют «короткие» операции типа алгебраического сложения. Сложные операции выполняются как подпрограммы, состоящие из простых операций. Это позволяет значительно упростить внутреннюю структуру процессора, уменьшить фазы дробления конвейерной обработки и увеличить частоту работы конвейера. Но здесь необходимо отметить, что за эффект приходится расплачиваться усложнением процедур обмена данными между регистрами сверхоперативной памяти и кэш-памяти с оперативной памятью.

Другой модификацией классической структуры компьютера является

VLIW ( Very Large Instruction Word ) – компьютер с «очень длинным командным словом». Компьютер этого типа выбирает из памяти суперкоманду, включающую несколько команд. VLIW- компьютеры могут выполнять суперскалярную обработку, т.е. одновременно выполнять две или более команды. В целом ряде структур суперЭВМ использовалась эта идея. Отметим, что и в ПК последних выпусков имеется возможность выполнения двух команд одновременно.

ОКМД - структуры. Для реализации программного параллелизма, включающего циклы и итерации, используются матричные или векторные структуры. В них эффективно решаются задачи матричного исчисления, задачи решения систем алгебраических и дифференциальных уравнений, задачи теории поля, геодезические задачи, задачи аэродинамики. Подобные структуры могут использоваться как сопроцессоры в системах будущих поколений.

МКОД - структуры  большой практической реализации не получили. Задачи, в которых несколько процессоров могли бы эффективно обрабатывать один поток данных, в науке и технике неизвестны. С некоторой натяжкой к этому классу можно отнести фрагменты многофункциональной обработки, например обработку на разных процессорах команд с фиксированной и плавающей точкой.

МКМД - структуры являются наиболее интересным классом структур вычислительных систем. В данных системах можно найти все перечисленные виды параллелизма. Этот класс дает большое разнообразие структур, сильно отличающихся друг от друга своими характеристиками (рисунок 1.3).

Важную роль здесь играют способы взаимодействия компьютеров или процессоров в системе. В сильно связанных системах достигается высокая оперативность взаимодействия процессоров посредством общей оперативной памяти. При этом пользователь имеет дело с многопроцессорными ВС. Наиболее простыми по строению и организации функционирования являются однородные, симметричные структуры. Они обеспечивают простоту подключения процессоров и не требуют очень сложных централизованных ОС, размещаемых на одном из процессоров.

Рисунок 1.3 – Типовые структуры ВС в МКМД (MIMD) – классе.

Появление мощных микропроцессоров типа Pentium привело к экспериментам по созданию многопроцессорных систем на их основе. Так, для включения мощных серверов в локальные сети ПК была предложена несколько измененная структура использования ООП - мультипроцессирование с разделением памяти (Shared Memory multiprocessing, SMP). На общей шине оперативной памяти можно комплексировать до четырех микропроцессоров.

Слабосвязанные МКМД – системы могут строиться как многокомпьютерные комплексы или использовать в качестве средств передачи информации общее поле внешней памяти на дисковых накопителях большой емкости.

Появление БИС и СБИС позволили расширить границы этого направления. Возможно построение систем с десятками, сотнями и тысячами процессорных элементов, с размещением их в непосредственной близости друг от друга. Если каждый процессор системы имеет собственную память, то он также будет сохранять известную автономию в вычислениях. Именно такие системы займут доминирующее положение в мире компьютеров в ближайшие 10-15 лет. Подобные ВС получили название систем с массовым параллелизмом (Mass-ParallelProcessing, MPP).

Передача данных в МРР-системах предполагает обмен не отдельными данными под централизованным управлением, а подготовленными процессами (программами вместе с данными). Подобный подход позволяет строить системы с громадной производительностью и реализовывать проекты с любыми видами параллелизма.

Глава 2. Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем.

2.1. Функции программного обеспечения ВС и компьютеров.

Программное обеспечение (ПО) отдельных компьютеров и вычислительных систем (ВС) может сильно различаться составом используемых программ, режимами применения вычислительной техники, содержанием вычислительных работ пользователей и т.п. Развитие ПО современных компьютеров и ВС в значительной степени носит эволюционный характер, но можно выделить закономерности в его построении.

В общем случае процесс подготовки и решения задач на компьютере предусматривает выполнение следующей последовательности этапов.

1) Формулировка проблемы и математическая постановка задачи;

2) Выбор метода и разработка алгоритма решения;

3) Программирование (запись алгоритма) с использованием операторов алгоритмического языка;

4) Планирование и организация вычислительного процесса – порядка и последовательности использования ресурсов компьютера и ВС;

5) Формирование машинной программы, которую непосредственно будет выполнять компьютер;

6) Собственно решение задачи – выполнение вычислений по готовой программе.

По мере развития вычислительной техники автоматизация этих этапов идет снизу вверх. В компьютерах 1-гопоколения автоматизации подлежал только шестой этап. Все пять предыдущих этапов пользователь должен был готовить вручную самостоятельно. Поэтому в компьютерах следующих поколений появились, сначала элементы, а затем целые системы, облегчающие процесс подготовки задач к решению.

Для компьютеров 2-гопоколения характерно широкое применение алгоритмических языков (Автокоды, Алгол, Фортран и др.) и соответствующих трансляторов, позволяющих автоматически формировать машинные программы по их описанию на алгоритмическом языке. Здесь же широко стали внедряться библиотеки стандартных программ, что позволило строить машинные программы блоками.

Компьютеры 3-гопоколенияхарактеризуются расцветом операционных систем , отвечающих за организацию и управление вычислительным процессом. Слово компьютер все чаще стало заменяться понятием вычислительная система, что отражало усложнение, как аппаратной, так и программной частей компьютера.

Операционная система (ОС) планирует последовательность распределения и использования ресурсов вычислительной системы, обеспечивает их согласованную работу. Под ресурсами обычно понимают средства, которые применяют для вычислений: машинное время отдельных процессоров или компьютеров, 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. Функции ОС по обработке внештатных ситуаций (защита программ от взаимных помех, системы прерываний и приоритетов, служба времени, сопряжение с каналами связи и т.д.) были полностью или частично реализованы аппаратно. Одновременно были реализованы более сложные режимы работы: коллективный доступ к ресурсам, мультипрограммные режимы. Часть этих решений стала своеобразным стандартом и начала использоваться повсеместно в компьютерах различных классов. Это позволило в значительной степени повысить эффективность применения компьютеров и ВС в целом.

В компьютерах 4-гопоколения продолжается усложнение технических и программных структур (иерархия управления средствами, увеличение их количества). Следует отметить заметное повышение «интеллектуальности» машин. Особенно это стало видно при появлении персональных компьютеров, ориентированных на определенные категории пользователей. Программное обеспечение этих машин создает дружественную среду общения человека и компьютера. Оно управляет процессом обработки информации и создает необходимый сервис для работы пользователя.

Подобные тенденции будут сохраняться и в компьютерах последующих поколений. По мнению исследователей, компьютеры нынешнего столетия будут иметь встроенный в них «искусственный интеллект», что позволит пользователям обращаться к компьютерам (системам) на естественном языке, вводить и обрабатывать тексты, документы, иллюстрации, создавать системы обработки знаний и т.д. Все это приводит к необходимости разработки сложного иерархического ПО систем обработки данных.

2.2. Структура программного обеспечения.

Литературные источники по-разному трактуют структуры программного обеспечения (ПО) компьютеров различных классов [6, 7]. В общем случае ПО компьютеров делят на общее (системное) и специальное (прикладное), см. рисунок 2.1.

Общее ПО (ОПО) объединяет программные компоненты, обеспечивающие многоцелевое применение компьютеров. Сюда входят программы, организующие вычислительный процесс в различных режимах работы машин, программы контроля работоспособности компьютеров, диагностики и локализации неисправностей, программы контроля заданий пользователей, их проверки, отладки и т.д.

Общее ПО обычно поставляется потребителям комплектно с компьютером. Часть этого ПО следует рассматривать как неотъемлемую часть этих машин, например, в ПК часть программ ОС и часть контролирующих тестов.

Рисунок 2.1. Структура программного обеспечения

Специальное ПО (СПО) содержит пакеты прикладных программ пользователей (ППП), обеспечивающие специфическое применение компьютеров и ВС.

Прикладной программой называется программный продукт, предназначенный для решения конкретной задачи пользователя. Обычно прикладные программы объединяются в пакеты, что предопределяет многофункциональную обработку данных.

Специализация пакета определяется характером решаемых задач или необходимостью управления специальной техникой. Программы СПО разрабатываются с учетом интересов определенной группы пользователей.

СПО ПК комплектуется в зависимости от места и роли автоматизированного рабочего места (АРМ) пользователя. В ПО ПК обычно включают небольшое число программ (текстовый и табличный процессор, система управления базами данных и др.). Например, пакет MS Office объединяет все перечисленные продукты.

Общее ПО включает в свой состав:

- операционную систему (ОС);

- систему автоматизации программирования (САП);

- пакеты программ, дополняющие возможности ОС (ППОС);

- комплекс программ технического обслуживания (КПТО);

- систему документации (СД).

ОС служит для управления вычислительным процессом путем обеспечения его необходимыми ресурсами.

САП объединяют программные модули, обеспечивающие этапы подготовки задач к решению.

КПТО предназначен для проверки работоспособности вычислительного комплекса.

СД, не являясь программным продуктом, предназначена для изучения программных средств подсистем ПО.

По мере развития компьютеров и ВС программное обеспечение постоянно усложнялось по своей структуре и составу программных модулей.

ПО современных компьютеров и ВС строится по иерархическому модульному принципу, используемому пользователем при решении своих задач (рисунок 2.2). Это дает возможность адаптации компьютеров и ВС к конкретным условиям применения, открытость системы для расширения состава предоставляемых услуг, способность систем к совершенствованию, наращиванию мощности и т.д.

Рисунок 2.2 – Иерархия программных средств компьютеров

Нижний уровень образуют программы ОС, которые играют роль посредника между техническими средствами системы и пользователем.

Однако на практике пользователи работают не напрямую с ОС, а через командные системы – пакеты программ, дополняющие возможности ОС (ППОС). Работа пользователя при этом заключается в выборе определенных рубрик меню. Механизм обращения к модулям ОС упрощается. Развитие и усложнение средств обработки, ОС и командных систем привело к появлению ОС MS Win.95/98/2к/XP/2к3 и др., обеспечивающих графический интерфейс с широчайшим спектром услуг.

С помощью ОС пользователь может активизировать любую нужную ему программу. В настоящее время на любой вид деятельности существуют, разрабатываются и совершенствуются ППП, позволяющие пользователям, не имеющим хорошей компьютерной подготовки, эффективно решать специфические задачи обработки информации. Квалифицированные пользователи, разрабатывающие собственные программные продукты, используют компоненты САП.

В иерархии программных средств отсутствуют программы КПТО. Эти компоненты участия в вычислениях не принимают, они обеспечивают их, проверяя работоспособность аппаратуры и параметров сопряжения перечисленных уровней ПО перед началом вычислений.

2.3. Математическое обеспечение вычислительных систем. Обзор и тенденции развития.

ЭВМ состоит из “жесткого” аппаратного оборудования и “мягкого” оборудования — программного обеспечения, которое в свою очередь принято разделять на системное, прикладное и математическое обеспечение ЭВМ.

Системное программное обеспечение является неотъемлемой частью ЭВМ, без него машина просто не может работать. Прикладное программное обеспечение предоставляет пользователю дружественный интерфейс общения с ЭВМ. Для составления программы ему достаточно знать правила по использованию ЭВМ в терминах своей предметной области — предметно-ориентированную среду программирования. Так, для экономистов предлагается среда программирования Кобол, для инженеров — Фортран, Си, для параллель-

ного программирования разработаны свои среды программирования —

MPI, OpenMP, Оккам, Фортран-GNS, Фортран-DVM, НОРМА и др. Ускорить программирование задач можно средствами математического обеспечения ЭВМ.

Математическое обеспечение ЭВМ.

Математическое обеспечение — МО 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. При описании

истории МО использованы некоторые данные из работы [12].

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 способность алгоритмического языка служить языком публикаций вычислительных алгоритмов проявилась у языка Алгол-60. В СССР и за рубежом был опубликован обширный спектр вычислительных алго-

ритмов 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.

В настоящее время подпрограммы научно-технического характера публикуются в основном на языке Си. Язык Фортран сохраняет позиции как язык публикаций для описания вычислительных алгоритмов. Также известно, что тексты последовательных Фортран-программ удобнее для распараллеливания, чем тексты Си-программ.

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 Расче-

тов) [13], 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.

Техника ППП широко используются в системах программирования, предназначенных для решения задач линейной алгебры. Базовым уровнем пакетов этого класса служит пакет BLAS (Basic Linear Algebra Subroutine), реализующий основные операции нижнего уровня вычислительной линейной алгебры. Он входит в состав всех пакетов и библиотек линейной алгебры, обеспечивая низкоуровневый интерфейс между программами широкого класса библиотек и ЭВМ различных архитектур. Пакет разделяется на три уровня BLAS: Level 1 BLAS для векторных операций, Level 2 BLAS — для матрично-векторных операций, Level 3 BLAS — для матричных операций. Этот пакет был разработан еще в 70-ые годы, поэтому возникла необходимость раз-работки методологии автоматической генерации высокоэффективных подпрограмм для современных вычислительных машин.

Наиболее простой и широко используемый метод оптимизации программ пакета заключается в параметризации характеристик вычислителей и использовании этих данных на уровне трансляции приложений. Другим способом оптимизации программ пакета является разработка кодового генератора. Основой такой технологии является возможность генерации нескольких вариантов объектного кода, а адаптация пакета заключается в определении его наилучшей версии для конкретной архитектуры ЭВМ и может производиться с учетом времени счета эталонных задач. Эти технологии использовались в рамках проекта ATLAS (Automatically Tuned Linear Algebra Software) [9] — создание инструментальных систем разработки программного обеспечения для адаптации оптимального объектного кода пакета линейной алгебры на различные архитектуры ЭВМ.

Пакет PETS (Portable, Extensible Toolkit for Scientific Computation — 1991 г.) для численного решения дифференциальных уравнений в частных производных (ДУЧП) реализован на широком классе последовательных и параллельных архитектур.

Библиотеки программ. Данный вид математического обеспечения состоят из набора пакетов программ (пакет пакетов), предназначенных для решения широкого круга задач, например задач численного анализа, математической статистики и др. Прототипами библиотек можно считать программы общего назначения, поставляемые производителями ЭВМ для своих машин. В СССР наиболее известна была библиотека такого класса — SSP (Scientific Subroutine Package) фирмы IBM. Она была адаптирована для ЭВМ серии ЕС и БЭСМ-6.

Библиотека программ ANSYS заявлена как многоцелевая конечно элементная библиотека для проведения анализа в широкой области инженерных дисциплин (прочность, теплофизика, динамика жидкостей и газов и электромагнетизм). Она представляет собой набор свыше десяти специализированных пакетов, включая учебный. Па кеты сертифицированы по целому ряду международных стандартов, в том числе по стандартам Американской атомной промышленности и ГОСАТОМНАДЗОРа России. Разработчики ANSYSа также используют лицензионные программы для обеспечения интеграции с другими пакетами. Распределенные вычисления на вычислительных кластерах поддерживаются не на всех пакетах библиотеки.

Системы математического обеспечения. Система математического обеспечения — это библиотека программ широкого назначения с проблемно-ориентированным языком, обеспечивающим дружественный интерфейс с пользователями. Одной из старейших систем математического обеспечения ЭВМ является MATLAB. В расчетах допускается использования таких мощных типов данных, как многомерные массивы чисел, символов, структур, задаваемых пользователями. Область применения MATLABа — это построение математических моделей и разработка алгоритмов, программирование и проведение вычислений, использование научной и технической графики для визуализации и анализа данных.

Библиотеки, классифицируемые как системы математического обеспечения, например MATLAB, обеспечиваются интерфейсом языками Фортран и Си. Но системы программирования для этих языков, встроенные в библиотеку, не могут соревноваться по качеству объектного кода с кодом, продуцированным отдельными независимыми компиляторами с этих универсальных языков. Наконец, приложения, получаемые при помощи данной среды программирования, не отчуждаемы от среды и поэтому также не мобильны. Конечно, библиотеки допускают использование своих математических подпрограмм и пакетов из независимых Фортран и Си-систем программирования, однако наибольший эффект от использования библиотеки получается при погружении в ее среду приложения целиком. Коммерческие мотивы в проблеме мобильности приложений несомненны.

Одним из главных критериев качества математического обеспечения считается надежность вычислений, которая обеспечивается, в частности, сертификацией библиотечных программ. Так как лицензия одной программы дешевле лицензии целой библиотеки, то на рынке математического обеспечения всегда будут востребованы пакеты программ, ориентированные под конкретные запросы пользователей.

Можно предположить, что будущее данного направления состоит в ускоренном развитии технологии “облачных пакетов” — генерация сертифицированных пакетов программ с открытым исходным кодом, настроенных на заданную предметную область и конкретную вычислительную среду.

Заключение

В ходе выполнения курсового проекта на тему «Состав и свойства вычислительных систем. Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем» было изучено устройство вычислительных систем, технические характеристики, информационное составляющее и точное представление математического состава на примерах производства интегральных схем. Накоплен и получен большой колоссальный опыт в разработке и использовании ВС самого разного применения.

В разделе классификации вычислительных систем получили опыт и научились выполнять

В данной курсовой работе я провел небольшую аналитику средств математического обеспечения ВС. Была собрана информация из разных источников и сделан краткий вывод о тенденциях развития данного направления.

Список используемой литературы:

1. Учебник Бройдо В.Л. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: Учебник для вузов. 2-е издание. СПб: Питер,

2. Леинванд Алан, Пински Брюс. Конфигурирование маршрутизаторов Cisco. Издательский дом «Вильямс» М., 2002.

3. Катрин Пакет, Тир Дайана. Создание масштабируемых сетей Cisco. Издательский дом «Вильямс» М., 2002.

4. Cisco systems и др. Руководство по поиску неисправностей в объединенных сетях. Издательский дом «Вильямс» М., 2003.

5. 2004Вито Амато. Основы организации сетей Cisco. т. 1,2. Издательский дом «Вильямс» М., 2002.

6. Устинова Г.М. Информационные системы менеджмента. Учебное пособие. – СПб: ДиаСофт ЮП, 2000.

7. Руководство по изучению дисциплине «Автоматизированные информационные системы» - Алешин Л.И., 2006.

8. Алексеев А.П. Информатика 2001.- М.: Солон-Р, 2001. – 346с.: ил.

9. Whaley R.C., Petitet A., Dongarra «Optimization of Software and the ATLAS Project, UT-CS-00-448, September 2000.

10.Информатика: учебник / под ред. Н.В. Макаровой. – М.: Финансы и статистика, 2004.

11.Основы современных компьютерных технологий: учебник / под ред. проф. А.Д. Хомоненко. – СПб.: КОРОНА принт, 2005.

12 ЗахаровА. Ю., Маркачев Ю. Е. «Современные пакеты и библиотеки программ математического обеспечения» // Препринт ИПМ им. М.В. Келдыша. 1987 № 126 28 с.

13 Горбунов - Посадов М. М., Корягин Д. А., Мартынюк В. В. «Системное обеспечение пакетов прикладных программ.» М.: Наука, 1990 208 с.