Состав и свойства вычислительных систем. Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем (Основные понятия, используемые при изучении ВС)

Содержание:

Введение

Разработка информационного, математического и программного обеспечения является трудоемкой задачей при создании вычислительных систем. Умение определять состав данных видов обеспечения и понимание их функций необходимы для реализации информационно-вычислительных, управляющих и вспомогательных задач, что обеспечивает достоверность информации, получаемой от первичных преобразователей, высокое качество управления работой технологических процессов и производства в целом.

С момента появления первых средств автоматизации производители аппаратного и программного обеспечения пытаются определить, каким образом будет развиваться автоматизация в будущем, предлагаются различные решения и подходы по совершенствованию процесса автоматизированного управления. Сегодня современные стандартные аппаратные средства способны принять любой стандартный физический сигнал, обменяться данными по любому стандартному протоколу, обработать программу, написанную на любом из стандартных языков. Большинство функций при автоматизации реализуется программно, путем соответствующей обработки информации в управляющем вычислительном комплексе. По этой причине важнейшим компонентом вычислительных систем является ее программное обеспечение (ПО), т.е. – совокупность программ, обеспечивающих реализацию функции АСУТП и заданное функционирование системы.

Во всем разнообразии программного обеспечения сложно выбрать необходимый продукт, соответствующий необходимым требованиям и условиям. Правильный выбор программного обеспечения во многом определяет дальнейший ход всего процесса автоматизации конкретного технологического процесса. Они различаются по назначению, своим возможностям, стоимости и другим характеристикам.

Объект исследования – вычислительные системы.

Предмет исследования – структура и свойства вычислительных систем.

Цель работы – рассмотреть состав и свойства вычислительных систем. информационное и математическое обеспечение вычислительных систем.

Задачи исследования:

- рассмотреть основные понятия, используемые при изучении ВС;

- изучить классификацию вычислительных систем;

- проанализировать реализацию информационного и математического обеспечения вычислительных систем.

Структура работы представлена введением, двумя главами, заключением, списком использованной литературы.

Глава 1. Теоретические основы исследования состава и свойств вычислительных систем

1.1. Основные понятия, используемые при изучении ВС

Вычислительная система, совокупность аппаратно-программных средств, образующих единую среду, предназначенную для решения задач обработки информации (вычислений). Первоначально универсальные вычислительные системы создавались на основе однопроцессорных ЭВМ с целью увеличения их быстродействия. В первых ЭВМ процессоры сами управляли операциями ввода-вывода. Однако скорость работы внешнего устройства значительно меньше скорости работы процессора, поэтому во время операций ввода-вывода процессор фактически простаивал. Чтобы сбалансировать их работу, в конце 1950-х - начале 1960-х годов ЭВМ начали комплектовать независимыми процессорами ввода-вывода для параллельного выполнения вычислений и операций обмена данными, тогда и появился термин «вычислительная система». Основные преимуществами вычислительных систем по сравнению с однопроцессорной ЭВМ являются: значительное повышение производительности за счёт статического или динамического распараллеливания процесса решения задачи (например, выполнение отдельных частей задачи на различный процессорах); увеличение эффективности использования оборудования за счёт более полной его загрузки; повышение надёжности системы и др[10, c.75].

Постоянное увеличение степени интеграции и быстродействия элементов современных микропроцессоров, высокий уровень их надёжности и относительная дешевизна позволяют строить вычислительные системы путём объединения необходимого числа микропроцессоров и организации параллельной обработки данных. Параллелизм в вычислениях в значительной степени усложнил управление вычислительным процессом, а также распределение аппаратных и программных ресурсов. Поэтому важная роль в вычислительных системах стала отводиться операционной системе, выполняющей функции планирования вычислительного процесса и распределения ресурсов (оперативной и внешней памяти, процессоров, периферийного оборудования и др.), а также оптимизирующим компиляторам с языков высокого уровня, позволяющим в наибольшей степени использовать архитектурные особенности микропроцессоров. Большую роль в достижении высокой эффективности работы вычислительных систем играет система коммутации, связывающая процессоры между собой или с модулями оперативной памяти. Как правило, для этого применяют общую шину, с которой соединены процессоры и модули памяти. В вычислительных системах, состоящих из нескольких процессоров, обычно используют матричные коммутаторы, а также топологию связи - кольцо, звезда и др. При объединении большого числа процессоров применяют более сложные топологии связи - тор, гиперкуб и др.

1.2. Классификация вычислительных систем

Современные вычислительные системы сильно отличаются друг от друга своими возможностями и характеристиками, и этим обусловлено разнообразие признаков, по которым классифицируют вычислительные системы (например, по типам и числу ЭВМ или процессоров, архитектуре системы, режимам работы, методам управления элементами системы). Так, вычислительные системы бывают разделимые (включающие несколько ЭВМ, которые способны работать независимо друг от друга) и неразделимые (или многопроцессорные, состоящие из процессоров, каждый из которых может выполнять свои функции только в составе вычислительных систем). Одним из видов неразделимых вычислительных систем являются кластеры, состоящие из нескольких связанных между собой ЭВМ, которые находятся в едином корпусе или соединены скоростным каналом связи.

Вычислительные системы делят также на однородные и неоднородные. Однородная вычислительная система строится на базе однотипных процессоров или ЭВМ, а неоднородная состоит из ЭВМ или процессоров различных типов. Выделяют многомашинные и многопроцессорные вычислительные системы. В многомашинных вычислительных системах каждый из процессоров имеет свою локальную оперативную память и работает, как правило, под управлением своей операционной системы, а в многопроцессорных вычислительных системах процессоры работают с общей оперативной памятью под управлением единой операционной системы. Также выделяют классы параллельных вычислительных систем: SMP (симметричная мультипроцессорная обработка данных - группа процессоров работает с общей памятью), МРР (вычислительные системы с массовым параллелизмом - процессоры, число которых практически не ограничено, работают каждый со своей памятью), NUMA (промежуточная архитектура, сочетающая свойства классов SMP и МРР)[6, c.2].

Если в состав вычислительных систем кроме цифровых вычислительных машин входят аналоговые вычислительные машины, то она относится к гибридным вычислительным системам. Эти вычислительные системы обычно используются при моделировании сложных систем, динамических процессов и др., например, при разработке геолого-технологических моделей нефтяных и газовых месторождений, систем управления полётом самолёта.

В 1966 году М. Флинн (США) предложил классифицировать вычислительные системы по числу потоков команд и потоков данных. Он выделил 4 класса: SISD (один поток команд - один поток данных), к которому относятся системы с одним процессором; SIMD (один поток команд - много потоков данных), включающий однородные векторные и матричные вычислительные системы; MISD (много потоков команд - один поток данных); MIMD (много потоков команд - много потоков данных), в котором каждый процессор работает по своей программе и со своими данными. Эта классификация до сих пор актуальна, однако она не позволяет достаточно полно и точно охарактеризовать все виды вычислительных систем (например, потоковые), поэтому попытки более точно систематизировать всё разнообразие вычислительных систем продолжаются. Например, классификация Базу (США, 1987) основана на последовательном определении принятых при проектировании вычислительных систем решений: уровня параллелизма (данные, команды или задачи), метода реализации алгоритмов (аппаратный или программный), способа параллельного выполнения команд (конвейеризация или одновременное независимое), а также способа управления процессом выполнения команд (синхронный или асинхронный). Кришнамурти (Индия, 1989) предложил классифицировать вычислительные системы по четырём характеристикам: уровню параллелизма; способу реализации параллелизма (аппаратный или аппаратно-программный), топологии (матрица, линейный массив, тор, дерево, звезда и др.), степени связи процессоров (сильная, слабая, средняя) и механизму взаимодействия процессоров (посредством передачи сообщений, разделяемых переменных или по готовности операндов), способу управления (синхронный, асинхронный, потоком данных)[5].

Важными вехами в развитии вычислительных систем стало создание таких систем, как ILLIAC IV (сдана в эксплуатацию в 1974; матричная вычислительная система из 64 процессоров), векторно-конвейерные «Cray-1» (1976, США), «Cyber 205» (1981, США), «CrayC90» (1991, США), вычислительные системы с массовым параллелизмом «Connection Machine-1» (объединяла 65 536 одноразрядных процессоров, связанных через гиперкуб, 1986), «CrayTЗE» (1995) и др. В России выпускались вычислительные систем ПС-2000 (производство с 1981) и ПС-3000 (производство в 1984-87), многопроцессорные вычислительные комплексы «Эльбрус-1» (1980), «Эльбрус-2» (1985). Самая быстродействующая вычислительная система в России на начало 2006 года - МВС-15 000ВМ, установленная в Межведомственном суперкомпьютерном центре РАН. Она объединяет 924 процессора PowerPC и имеет пиковую производительность 8,1 Тфлопс (1 Тфлопс =1012 операций над вещественными числами в секунду). На январь 2006 года рекордная производительность, достигнутая вычислительной системой IBM BlueGene/L, составляла 280,6 Тфлопс.

1.3. Структурная организация ВС

Понятие «вычислительная система» предполагает наличие множества процессо­ров или законченных вычислительных машин, при объединении которых исполь­зуется один из двух подходов.

В вычислительных системах с общей памятью (рис.1) имеется общая основная память, совместно используемая всеми процессорами системы. Связь процессоров с памятью обеспечивается с помощью коммуникационной сети, чаще всего вырождающейся в общую шину. Таким образом, структура ВС с общей памятью аналогична рассмотренной выше архитектуре с общей шиной, в силу чего ей свой­ственны те же недостатки. Применительно к вычислительным системам данная схема имеет дополнительное достоинство: обмен информацией между процессо­рами не связан с дополнительными операциями и обеспечивается за счет доступа к общим областям памяти.

Рис.1. Структура вычислительной системы с общей памятью

Альтернативный вариант организации – распределенная система, где общая память вообще отсутствует, а каждый процессор обладает собственной локальной памятью (рис. 2). Часто такие системы объединяют отдельные ВМ. Обмен ин­формацией между составляющими системы обеспечивается с помощью коммуни­кационной сети посредством обмена сообщениями.

Рис.2. Структура распределенной вычислительной системы

Подобное построение ВС снимает ограничения, свойственные для общей шины, но приводит к дополнительным издержкам на пересылку сообщений между про­цессорами или машинами.

Любая ВС (точнее, информационно-вычислительная система) состоит из двух взаимно дополняющих составляющих: аппаратного обеспечения (АО, английский термин hardware) и программного обеспечения (ПО, английский термин software). Первое понятие включает в себя физические объекты – шины (проводники), электронные платы, микросхемы, включая процессор и др. Вторая составляющая является абстрактным понятием, основу которого составляют алгоритмы, записанные в виде последовательности операторов того или иного уровня вплоть до машинных команд.

Развитие АО ВС, начиная с момента создания первых электронных вычислительных машин (ЭВМ) в середине XX в., всегда шло опережающими темпами по отношению к развитию ПО. К настоящему времени разработан широкий спектр в/с, начиная от суперкомпьютеров и мэйнфреймов (большие ЭВМ) и кончая блокнотными и карманными компьютерами[14].

Упрощенная блок-схема классического компьютера показана на рис. 3.

1. Процессор(центральный процессор) – основной вычислительный блок компьютера, содержит важнейшие функциональные устройства:

- устройство управления с интерфейсом процессора (системой сопряжения и связи процессора с другими узлами машины);

- арифметико-логическое устройство;

- процессорную память.

Процессор, по существу, является устройством, выполняющим все функции элементарной вычислительной машины.

2.  Оперативная память– запоминающее устройство, используемое для оператив­ного хранения и обмена информацией с другими узлами машины.

3. Каналы связи(внутримашинный интерфейс) служат для сопряжения централь­ных узлов машины с ее внешними устройствами.

4.  Внешние устройства обеспечивают эффективное взаимо-действие компьютера с окружающей средой: пользователями, объектами управления, другими маши­нами. В состав внешних устройств обязательно входят внешняя память и уст­ройства ввода-вывода.

Рис. 3. Упрощенная блок-схема компьютера

Ограничимся рассмотрением структуры и назначения основных элементов такого массового представителя ВС как персональные компьютеры (ПК), которые получили наибольшее распространение.

ПК состоит из системного блока и соединенных с ним внешних устройств, к основным из которых следует отнести устройства ввода-вывода: монитор, клавиатуру и манипулятор мышь (и возможно другие устройства). В состав системного блока входит материнская (системная) плата, приводы (дисководы) жестких и других дисков – внешняя память, блок питания, различные разъемы для подключения внешних устройств. На материнской плате расположены: микропроцессор (центральный процессор, выполненный на одном кристалле полупроводникового материала); системная и локальные шины, связывающие между собой различные элементы, расположенные на материнской плате; модули постоянной и оперативной памяти; видеокарта; адаптеры для подключения внешней памяти и внешних устройств; разъемы для подключения дополнительных устройств.

Рассмотрим назначение основных элементов системного блока ПК. Микропроцессор является центральным звеном ПК: он выполняет основные вычислительные операции и функции управления другими составляющими ПК. Системная шина в физическом смысле представляет собой набор проводников, расположенных на системной плате в несколько слоев, и предназначена в первую очередь для связи между быстро-действующими компонентами системной платы (микропроцессор, оперативная память и видеокарта). Она состоит из шины данных, шины адреса и шины управления. Кроме нее на системной плате существуют так называемые локальные шины, которые связывают другие отдельные устройства с системной шиной.

Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) предназначены для хранения информации не только при включенном, но и при выключенном питании компьютера, в частности, о составе и настройках системного блока, системного времени и т. д. Оперативная память (ОП) предназначена для хранения и обмена информации только при включенном питании ПК. Здесь хранится информация о программах и данных, которые непосредственно находятся в процессе исполнения. При выключении питания вся информация в оперативной памяти теряется. Внешняя память предназначена для долговременного хранения информации в ПК, т. е. и при выключенном питании ПК. Она разделяется на несъемную и съемную внешнюю память. Несъемная внешняя память – это так называемые жесткие диски, которые расположены в системном блоке и представляют собой носители информации на магнитной основе. Отметим скорость работы и объемы рассмотренных видов памяти ПК. ПЗУ является самым низкоскоростным и малообъемным видом памяти. Оперативная память является более скоростным и объемным (несколько Гб) устройством. Жесткие диски как частично механические устройства уступают ОП по скорости, но значительно превосходят ее по объему (десятки и сотни Гб). Существуют разные виды съемной внешней памяти: гибкие диски, CD и DVD оптические диски, флэш-память и др.

Видеокарта представляет собой электронное устройство, расположенное на системной плате, и предназначено для хранения, обработки видеоинформации и связи с монитором. Видеокарта обладает своей собственной ОП. Адаптеры – это специальные электронные устройства, обеспечивающие связь между внешней памятью, внешними устройствами и системной и локальными шинами ПК.

Таким образом, была раскрыта структурная схема ЭВМ. Структура компьютера - это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов. Центральной частью компьютера является системный блок, с присоединенными к нему клавиатурой, монитором и мышью. Описаны основные компоненты ЭВМ: микропроцессор, внешняя и внутренняя память, генератор тактовой частоты, контроллеры (в том числе контроллер прерывания), системная шина, устройства ввода и вывода информации и другие. Рассмотрен принцип взаимодействия основных устройств. А так же рассмотрены принципы Фон Неймана, рассмотрена работа оперативной памяти и как представляется информация в ЭВМ.

Глава 2. Реализация информационного и математического обеспечения вычислительных систем

2.1. Математическое обеспечение ВС

Среди видов обеспечения АСУ (технического, математического, программного, информационного и лингвистического) в качестве приоритетного сегодня выделяется математическое, так как именно оно определяет прогностические возможности системы управления и, как следствие, обеспечивает выбор наиболее эффективного варианта принимаемого решения. Тем более что оно непосредственно реализуется в программном обеспечении, в значительной степени определяя его качество.

В настоящее время под специальным математическим обеспечением АСУ понимается совокупность математических моделей операций (боевых действий), информационных и расчетных задач, реализуемых в процессе управления войсками (силами)[9].

Следует дифференцированно оценивать направления развития специального математического обеспечения современных АСУ.

Следует отметить, что наличие операционной системы связано с применением нового языка программ. Обычно этот новый язык называют языком загрузки, в от­личие от первого, который называют языком машины. Составление программ непосредственно в языке загрузки (в его письменной форме) ненамного легче, а иногда и труднее, чем составление программ на языке ЭВМ.

Существуют языки программирования, более удобные для программиста, чем языки машины или загрузки. Применение таких языков связано с применением трансляторов. Использование ЭВМ требует наличия ряда вспомогатель­ных программ, которые не имеют отношения к конкретным задачам, но необходимы для того, чтобы можно было эф­фективно их решать.

Совокупность таких программ назы­вают математическим или программным обеспечением  ЭВМ. Такое объяснение термина «математическое обеспе­чение», конечно, слишком туманно. Кроме программ, вхо­дящих в математическое обеспечение, есть и другие програм­мы, содержательные, предусматривающие решение задач. Ведь именно для решения задач и нужны ЭВМ. Чем же отли­чаются одни программы от других? Прежде всего следует все программы разделить на два класса: программы сос­тавленные на языке машины, и программы, составленные на языке загрузки. Первые называются служебными, а вторые – рабочими.

Очевидно, программы пользователей после трансляции все являются рабочими. Но и некоторые программы мате­матического обеспечения тоже являются рабочими. На­пример трансляторы. В чем же особенность программ мате­матического обеспечения? Эта особенность заключается в определенной взаимосвязи между ними. Программное обес­печение ЭВМ – это не совокупность, а система программ. Их называют системными в отличие от программ пользова­телей.

Способ объединения программ в систему математическо­го обеспечения ЭВМ избирают в соответствии с целью, для которой создается математическое обеспечение. Этот способ частично относится к компетенции теории алгоритмов, час­тично выходит за ее рамки. Последнее неизбежно, так как математическое обеспечение предназначено для удовлетво­рения реальных потребностей, а не для выполнения каких-то абстрактных условий. Способ объединения программ можно коротко охарактеризовать.

1. Системные программы объединены в так называемую системную библиотеку программ. Это значит, что для каж­дой системной программы точно определено в запоминающих устройствах ЭВМ место, на котором она должна находить­ся (на магнитной ленте, магнитном диске в оперативной памяти, на перфоносителях; тогда должно быть известно место их хранения в то время, когда они не применяют­ся). Но этого недостаточно. Библиотека программ пред­полагает наличие массива информации, с помощью которо­го автоматически можно найти любую программу, включен­ную в библиотеку. Такой массив называется каталогом (как и в обычных библиотеках). Для того чтобы с его по­мощью автоматически находить системные программы, нуж­ны программы обслуживания библиотеки. Программы, не организованные в виде библиотеки программ, если их мно­го, практически недоступны.

2. Системные программы должны быть документально оформлены по единым правилам, принятым для данной сис­темы математического обеспечения. При этом, во-первых, должны быть сделаны подробные описания программ, для того чтобы можно было ознакомиться с их функциями, а, во-вторых, должны быть в наличии инструкции по приме­нению программ и оформлению исходных данных.

3. Системные программы должны удовлетворять системе правил, определяющих их структуру как предложений фор­мального языка, для того, чтобы было возможно их вза­имодействие при выполнении процессорами. Такие правила называются системными соглашениями.

4. Системные программы должны быть выполнимы на ЭВМ либо непосредственно, либо благодаря наличию дру­гих программ в составе математического обеспечения.

Каким из указанных условий не удовлетворяют про­граммы пользователей? Прежде всего, эти программы не включены в системную библиотеку. Кроме того, обычно они не имеют документального оформления, требуемого данной системой. Что касается системных соглашений, то програм­мы пользователей им удовлетворяют, так как без этого они были бы невыполнимы с помощью операционной системы. Мало того, они были бы непереводимы с помощью систем­ных трансляторов на алгоритмический язык загрузки.

Программы пользователей обычно выполнимы на ЭВМ с помощью операционной системы. Поэтому четвертому тре­бованию они удовлетворяют. Четвертое требование касает­ся не пользовательских, а системных программ. Оно не допускает включения в систему математического обеспече­ния некоторых программ до тех пор, пока не будут в нее включены определенные другие программы.

Из описания математического обеспечения ЭВМ видно, что между программами пользователей и системными про­граммами пропасти нет, но есть довольно глубокий ров, наполненный довольно мутной водой. Стоит только доку­ментально оформить программу пользователя так, как это принято в данной системе математического обеспечения, и включить эту программу в библиотеку – и все! Пользо­вательская программа стала системной.

Следует иметь в виду, что «бессистемное» размножение системных программ может переполнить системную библиотеку, если она рассчитана на малое коли­чество программ.

Некоторые реальные системы математического обеспе­чения составлялись, видимо, без учета вышеприведенных четырех требований, на основе интуиции их разработчиков. Документированы они недостаточно (потому что при их аморфности документирование связано с большими труд­ностями), главным образом инструкциями по применению. Системная библиотека «раздергана» на отдельные группы команд и коды и разбросана среди других команд. Разви­тие такой системы практически невозможно, так как неиз­вестно, как включать в нее новые программы. Подобные системы представляют собой огромные совокупности ко­манд, в которых сами разработчики ориентируются с трудом и которые незаслуженно вызывают восхищение и почти­тельный трепет у неискушенных пользователей этих систем.

2.2. Информационное обеспечение ВС

Программное обеспечение вычислительной техники – это программные средства, автоматизированные системы, системы обработки информации (программные средства – программу, программы на носителе данных с технической документацией автоматизированные системы и системы обработки информации, комплексы технических и программных средств с технической документацией).

Согласно ГОСТ 17194-76 к информационным функциям относятся функции автоматизированной системы управления, целью которых является сбор, преобразование, хранение информации о состоянии объекта управления, представление этой информации оперативному персоналу или передача ее для последующей переработки.

Информационное обеспечение АСУ ТП содержит, прежде всего, алгоритмы сбора и обработки технологической информации. Кроме алгоритмов сбора информации с датчиков и ее обработки (усреднение, фильтрация и т.д.) сюда же входят алгоритмы контроля достоверности исходной информации.

Кроме сбора и обработки входной информации с организацией массивов данных для решения задач управления информационные алгоритмы АСУ ТП осуществляют: проверку соответствия основных параметров ТП допустимым значениям с сигнализацией выхода за пределы, вычисления ряда комплексных показателей, характеризующих качество ведения ТП, расчет необходимых технико-экономических показателей, составление оперативной и отчетной документации. Объем этих функций зависит от сложности информационной модели данной системы управления. Под информационной моделью понимается отображение параметров внешней среды и переменных систем управления, организованное с помощью специальных средств по определенным алгоритмам.

Информационное обеспечение АСУ ТП должно отвечать основному требованию, которое заключается в представлении всем функциональным подсистемам информации для решения задач управления в необходимом объеме, в требуемые сроки и в удобной для пользования форме. Отсюда вытекают основные принципы организации информационного обеспечения:

- обеспечение полноты данных, необходимых для решения задач системы; минимальное дублирование данных;

- одноразовый ввод и многократное использование данных задачами-пользователями;

- быстрый поиск информации;

- поддержание информации в достоверном состоянии.

Основные функции информационного обеспечения состоят в создании и ведении информационной базы, а также в обеспечении задач системы информацией, необходимой для автоматизации функций управления. Таким образом, информационное обеспечение играет роль обеспечивающей подсистемы. При этом оно должно обеспечить: решение всех задач информацией с минимальными временными и стоимостными затратами на решение этих задач; единство использования технико-экономических показателей; возможность сокращения времени, необходимого для получения технико-экономических данных.

Информационное обеспечение системы однозначно и окончательно определяется только после определения всех функций системы, завершения технического проекта по всем задачам и выдачи уточненных требований и исходных данных для информационного обеспечения. Его составной частью является информационная база (ИБ) АСУ ТП, под которой понимается совокупность входных и промежуточных массивов и записей данных, используемых для решения задач.

Информационные массивы представляют собой функциональную совокупность однородных по форме записей информационных сообщений, закодированных и нанесенных на носители средств вычислительной техники и в соответствии с ГОСТ 14.408-83 должны обеспечивать: минимальные временные и стоимостные затраты на обработку информации; минимальную избыточность информации; оптимальный уровень дублирования.

Помимо понятия массивов информации при обработке информации техническими средствами АСУ используются такие информационные единицы, как данные записи, блоки и др. Данные - это информация, представленная в формализованном виде, позволяющем передавать или обрабатывать ее при помощи технических средств. Данные группируются в массивы.

Программное обеспечение АСУ ТП представляет собой совокупность программ для реализации АСУ ТП на базе применения средств вычислительной техники. Структура программного обеспечения АСУ рис.4. Программное обеспечение составляют:

- операционная система вычислительного комплекса (системное программное обеспечение);

- система программ, включая пакеты прикладных программ, осуществляющих организацию и обработку данных с целью реализации необходимых функций управления в рамках определенных экономико-математических и организационных моделей (специальное программное обеспечение);

- инструктивно-методические материалы по применению средств программного обеспечения[3,c.90].

Все множество средств программного обеспечения можно условно разделить на две группы: общесистемное (общее) и функциональное (специальное) программные обеспечения. Общесистемное программное обеспечение включает следующие компоненты: средства автоматизации программирования для создания и ведения АБД; системы управления базами данных (СУБД); средства телеобработки; средства организации вычислительного процесса; системы сортировки данных; системные сервисные средства программирования.

Основой общесистемного программного обеспечения являются операционные системы. Операционная система (ОС) представляет собой систему, обеспечивающую автоматическое или автоматизированное прохождение задачи на машине, и состоит из набора стандартных управляющих и обрабатывающих программ, созданных для конкретной ЭВМ (обрабатывающей, управляющей). ОС обеспечивает: организацию ввода-вывода данных программы, сообщений оператора и ЭВМ; включение и выключение транслятора или интерпретатора, средств обнаружения и исправления ошибок; запуск программы на решение; планирование решения на ЭВМ нескольких задач; установление контакта между пользователем и машиной.

Рис.4.Структура программного обеспечения АСУ:

1 - средства разработки и эксплуатации программ; 2 - средства технического обслуживания; 3 - операционная система; 3.1 - управляющие системы (программы); 3.2.- обрабатывающие программы; 4 -- оригинальные программы; 5 - пакеты прикладных программ (ППП); 5.1 - ППП общего назначения; 5.2 - ППП функционального назначения[2]

Программное обеспечение многоуровневых АСУ представляет собой совокупность ряда компонентов: технологии проектирования и программирования; операционных систем; средств автоматизации проектирования; программного обеспечения решения задач конкретной ИАСУ. Технология проектирования и программирования включает: порядок разработки и внедрения; технологию проектирования; технологию эксплуатации и развития. В состав средств автоматизации входят: типовые проектные решения (ТПР) общесистемного и функционального назначения; ППП общего, общесистемного и функционального назначения; системы автоматизированного проектирования.

Функциональное (специальное) программное обеспечение состоит из программ решения конкретных задач АСУ ТП и ППП, получивших в настоящее время наибольшее распространение. Функциональное обеспечение предназначено для целевого использования и определяется спецификой комплексов задач, реализуемых в АСУ ТП.

2.3. Функциональная и логическая структура

В условиях конкурентной борьбы повышение эффективности работы информационного, математического и программного обеспечения позволяет предприятиям снизить затраты и повысить качество выпускаемой продукции.

На современном этапе имеется возможность внедрять в единое интегрированное пространство АСУ ТП модули средств проектирования и математического моделирования алгоритмов систем контроля и управления с элементами управления жизненного цикла. Программное обеспечение имеет в своем составе графический редактор, компоненты для динамического представления графической информации, обработки и архивирования данных, компоненты поддержки клиент-серверной архитектуры, компоненты для связи с подсистемами АСУ ТП. Для создания программного обеспечения АСУ ТП используются разнообразные средства разработки, которая идет по пути модульности и в основном создаются для решения конкретной задачи в определенной предметной области, т.е. не универсальны, и используются в качестве постпроцессора основного программного обеспечения.

Важным этапом в разработке и использовании АСУ ТП является применение методов математического моделирования для настройки регуляторов систем управления, подбора оптимальных режимов управления и обоснования достоверности полученных данных. Используются как классические методы моделирования, так вновь созданные методики, разработанные для решения конкретной задачи, а информационное обеспечение развивает концепцию синтеза систем автоматизации реального времени как базовых элементов единого информационного поля для комплексного управления предприятием.

Все три вида обеспечений АСУ ТП связаны между собой и являются неотъемлемой частью друг друга. Многообразие видов информационного, математического и программного обеспечения и сложные взаимосвязи между ними затрудняют специалистам в области автоматизации выбор требуемых составляющих обеспечения для разработки систем автоматизации.

В рамках работы над выпускной квалификационной работой (ВКР) по направлению 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов», была поставлена задача, представить этапы разработки АСУ ТП структурированным наборами экранных форм, которые отобразят взаимосвязи информационного, математического и программного обеспечения для использования их в учебном процессе.

Для разработки экранных форм необходимо было изучить регламентирующие документы [2–4] по разработке АСУ ТП в части программного, информационного обеспечения и математического обеспечения. Для разработки использовалась программа AllFusion Process Modeler (BPwin) [5].

Полученная диаграмма декомпозиции этапов создания АСУ ТП является шаблоном для разработки АСУ ТП (рисунок 1). Входными данными для проектирования являются: техническое задание по варианту каждого студента и исходные данные по методическому материалу. Работа студента над заданием включает в себя следующие этапы:

1. Формирование требований к АС. «На начальном этапе создания АС необходимо проведение обследования объекта автоматизации. В рамках обследования происходит сбор и анализ данных об организации, производственной структуре и функционировании объекта автоматизации» [2];

Рис. 5. диаграмма декомпозиции этапов создания АСУ ТП

2. Разработка концепции. В соответствие с результатами исследований объекта автоматизации, согласно ГОСТ разрабатывается несколько вариантов концепций АС, которые удовлетворяют требованию пользователя.

3. Разработка технического задания. Главным этапом при создании АС является разработка и согласование технического задания, он определяет требования и порядок разработки, развития и модернизации системы. Данный документ в дальнейшем регламентирует проведение работ по испытанию и приемке системы в эксплуатацию.

4. Разработка эскизного проекта. Данный этап посвящен разработке проектных решений АС и созданию технической документации:

5. Разработка технического проекта. В связи с аналогичностью проводимых работ, этапы разработки эскизного и технического проекта можно объединить.

6. Разработка рабочей документации. Данный этап подразумевает разработку рабочей документации на АС или ее части.

7. Ввод в действие АС. Этап ввода в действие согласно требованиям ГОСТа включает подготовку комплекса технических средств, обучение персонала и проведение пусконаладочных работ.

8. Этап сопровождения АС включает в себя работы по гарантийному и послегарантийному обслуживанию системы.

Таким образом, назначение подсистемы информационного обеспечения состоит в своевременном формировании и выдаче достоверной информации для принятия управленческих решений.

Информационное обеспечение - совокупность унифицированных систем документации, схем информационных потоков, циркулирующих в организации, а также методология построения баз данных.

Унифицированные системы документации создаются на государственном, республиканском, отраслевом и региональном уровнях. Главная задача - это обеспечение сопоставимости показателей различных сфер общественного производства. С этой целью разработаны стандарты, в которых устанавливаются требования к унифицированным системам документации.

Математическое и программное обеспечение - совокупность математических методов, моделей, алгоритмов и программ для реализации целей и задач информационной системы, а также нормального функционирования комплекса технических средств.

Заключение

Математическое и программное обеспечение - совокупность математических методов, моделей, алгоритмов и программ для реализации целей и задач информационной системы, а также нормального функционирования комплекса технических средств.

К средствам математического обеспечения относятся:

средства моделирования процессов управления;

типовые задачи управления;

методы математического программирования, математической статистики, теории массового обслуживания и др.

В состав программного обеспечения входят общесистемные и специальные программные продукты, а также техническая документация.

К общесистемному программному обеспечению относятся комплексы программ, ориентированных на пользователей и предназначенных для решения типовых задач обработки информации. Они служат для расширения функциональных возможностей компьютеров, контроля и управления процессом обработки данных.

Специальное программное обеспечение представляет собой совокупность программ, разработанных при создании конкретной информационной системы. В его состав входят пакеты прикладных программ (ППП), реализующие разработанные модели разной степени адекватности, отражающие функционирование реального объекта.

Техническая документация на разработку программных средств должна содержать описание задач, задание на алгоритмизацию, экономико-математическую модель задачи, контрольные примеры.

Информационно-математическое обеспечение и системные математические модели, разрабатываемые в интересах предотвращения и мониторинга тяжелых аварийных ситуаций и катастроф, а также прогнозов и оперативной ликвидации их последствий, ориентированы на построение обобщенных математических моделей сложных технических систем на разных стадиях возникновения и развития аварий и катастроф, в том числе анализ аварий и катастроф, создание алгоритмов их математического моделирования, а также алгоритмов и программ математического моделирования аварий и катастроф с учетом их масштабов.

Информационно-математическое обеспечение и системные математические модели, разрабатываемые в интересах предотвращения и мониторинга аварийных ситуаций и катастроф, а также прогнозов и оперативной ликвидации их последствий, ориентированы на построение обобщенных математических моделей сложных технических систем для разных стадий возникновения и развития аварий и катастроф, включая анализ аварий и катастроф и создание алгоритмов их математического моделирования, а также алгоритмов и программ математического моделирования аварий и катастроф с учетом их масштабов.  

Список использованной литературы

1. Архитектура ЭВМ и вычислительные системы : учебник / В.В. Степина. – М.: КУРС: ИНФРА-М, 2018. – 384 с. – (Среднее профессиональное образование).
2. Будущее промышленной автоматизации в эпоху коммуникаций – [Электронный ресурс] – Режим доступа. URL: http://isup.ru/articles/2/5670/ (Дата обращения 19.12.2016).
3. Горский А.В. О возможностях использования систем компьютерной математики в учебном процессе // Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И.Я. Яковлева, №. 3-1 (95), 2017, С. 90-99.
4. Информационные системы и технологии: Научное издание. / Под ред. Ю.Ф. Тельнова. - М.: ЮНИТИ, 2016. - 303 c.
5. Казакова И. И., Царегородцев А. В., Цацкина Е. П. Математическое и информационное обеспечение системы сценарного моделирования действий инсайдера [Электронный ресурс] // Огарев-online. – 2017. – №13. – Режим доступа: http://journal.mrsu.ru/arts/matematicheskoe-i-informacionnoe-obespechenie-sistemy-scenarnogo-modelirovaniya-dejstvij-insajdera
6. Казакова И.И., Царегородцев А.В., Цацкина Е.П. Математическое и информационное обеспечение системы сценарного моделирования действий инсайдера // Огарёв-Online, №. 13 (102), 2017, С. 2.
7. Мезенцев, К.Н. Автоматизированные информационные системы: Учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования / К.Н. Мезенцев. - М.: ИЦ Академия, 2013. - 176 c.
8. Младышева Д.С., Яшин Д.О. Разработка и оформление информационного, математического, программного обеспечения АСУ ТП // Молодежный научный форум: Технические и математические науки: электр. сб. ст. по мат. XL междунар. студ. науч.-практ. конф. № 11(40). URL: https://nauchforum.ru/archive/MNF_tech/11(40).pdf (дата обращения: 06.10.2018)
9. Младышева Д.С., Яшин Д.О. Разработка и оформление информационного, математического, программного обеспечения АСУ ТП // Молодежный научный форум: Технические и математические науки: электр. сб. ст. по мат. XL междунар. студ. науч.-практ. конф. № 11(40). URL: https://nauchforum.ru/archive/MNF_tech/11(40).pdf (дата обращения: 06.10.2018)
10. Основы архитектуры, устройство и функционирование вычислительных систем: Учебник / В.В. Степина. – М.: КУРС: ИНФРА-М, 2017. – 288 с. – (Среднее профессиональное образование)
11. Основы архитектуры, устройство и функционирование вычислительных систем: Учебник / В.В. Степина. – М.: КУРС: ИНФРА-М, 2018. – 288 с. – (Среднее профессиональное образование)
12. Рыжко, А.Л. Информационные системы управления производственной компанией: Учебник для академического бакалавриата / А.Л. Рыжко, А.И. Рыбников, Н.А. Рыжко. - Люберцы: Юрайт, 2016. - 354 c.
13. Уткин, В.Б. Информационные системы в экономике: Учебник для студентов высших учебных заведений / В.Б. Уткин, К.В. Балдин. - М.: ИЦ Академия, 2012. - 288 c.
14. Федорова, Г.Н. Информационные системы: Учебник для студ. учреждений сред. проф. образования / Г.Н. Федорова. - М.: ИЦ Академия, 2013. - 208 c.