Состав и свойства вычислительных систем, информационное и математическое обеспечение вычислительных систем. Устройство современных компьютеров

Содержание:

Введение 3

1 Устройство современных компьютеров 5

1.1 Компьютер как универсальное устройство обработки информации 5

1.2 Архитектура компьютеров 8

1.3 Аппаратное обеспечение персонального компьютера 11

2 Информационное и математическое обеспечение информационных систем 14

2.1 Программное обеспечение современного компьютера 14

2.2 Сложные программные системы 17

2.3 Понятие архитектуры программной системы 21

2.4 Методологическое, математическое и информационное обеспечение автоматизированных систем научных исследований (АСНИ) 23

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 33

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 34

Введение

Компьютеры имеют очень большое значение в жизни современного человека. Многие современники связаны с использованием компьютерной техники на рабочих местах. При этом формы взаимодействия, как и функции компьютера, могут быть очень разными.

На заводе человек может управлять с помощью компьютера сложными станками, которые выполняют операции, например, по сбору деталей. Причем станки в силу своего специального устройства выполняют эту работу качественнее людей.

Инженер использует автоматизированные системы проектирования (САПР) для разработки сложных изделий и при помощи компьютера разрабатывает сложнейшие детали. С помощью графопостроителя можно распечатать чертеж в хорошем качестве. А 3D принтер поможет получить трехмерную модель изделия.

Медику компьютер, оснащенный специальным программным обеспечением, поможет грамотно поставить диагноз и подобрать эффективное лечение. Электронные нанороботы применяются для точной доставки лекарства непосредственно в организме человека. Развитие таких систем ученые считают очень перспективным направлением. Предполагается, что со временем нанороботы смогут изменять человеческие гены.

Незаменим компьютер и при выполнении любых видов офисных работ. Печать документов, красочные презентации – все эти работы современный человек реализует посредством использования компьютерных технологий.

Трудно найти сферу общественной жизни, в которой не использовался бы компьютер. Наблюдается усиление роли компьютера в жизни людей. На компьютеры возлагается все больше функций, и функции эти постоянно усложняются.

Компьютер является сложным высокотехнологичным многоуровневым устройством. Он представляет собой единство физического (аппаратное обеспечение), логического (программное обеспечение), интеллектуального (интерфейсное обеспечение) уровней.

Программы, под управлением которых работают современные компьютеры, должны быть очень качественными и надежными, так как часто от правильного срабатывания электроники зависит жизнь и здоровье людей.

Отдельно выделяют информационное обеспечение – совокупность программного обеспечения и специальным образом подготовленных данных.

В специализированных компьютерных системах совокупность программного и информационного обеспечения называют математическим обеспечением.

Актуальность изучения основных видов обеспечения компьютерной техники заключается в полезности этих знаний для профессиональной деятельности в любой сфере деятельности.

Объектом исследования курсовой работы являются состав и свойства вычислительных систем.

Предметом исследования курсовой работы являются информационное и математическое обеспечение вычислительных систем.

Цель курсовой работы – изучение основных принципов построения современных компьютеров и различные виды обеспечения их работы.

Задачи курсовой работы:

• изучить основы устройства компьютерной техники;
• изучить архитектуры современных компьютеров;
• изучить программное обеспечение современных компьютеров;
• изучить состав операционных систем современных компьютеров, их назначение и виды;
• исследовать информационное и математическое обеспечение компьютеров.

1 Устройство современных компьютеров

1.1 Компьютер как универсальное устройство обработки информации

Практические бытовые потребности заставили человека с древних времен искать способы делать вычисления быстро и изобретать устройства автоматизации этого процесса. Длительный многовековой путь в этом направлении привел, в конечном счете, к изобретению компьютеров.

Первый компьютер на электронной основе был сконструирован американскими инженерами в 1946 году. Вторая мировая война заставляла обе стороны конфликта заботиться об улучшении качества и эффективности вооружений. Расчеты траекторий баллистических ракет требовали очень скрупулезных и громоздких расчетов. Эти расчеты требовали очень длительного времени, так как выполняла их команда людей - специалистов.

Американские ученые и изобретатели создали первый компьютер для решения этой задачи. И, хотя война к моменту введения его в эксплуатацию уже закончилась, достигнутый эффект был революционным – ускорение и увеличение эффективности вычислений в 40 раз.

Первой электронно-вычислительной машиной стал ENIAC. Он имел следующие основные технические и конструкционные характеристики:

• вес 27 тонн;
• 167 кв.м занимаемой площади;
• 17, 5 тысяч электронных ламп, 7 тысяч диодов, 1500 реле, 70000 резисторов, 10000 конденсаторов;
• 6000 ручных переключателей;
• 5000 сложений или 357 умножений в секунду
• максимальное время непрерывной работы 20 часов;
• частота 100 КГц;
• десятичная система счисления.

Первый компьютер ENIAC представлен на рисунке 1.

Рисунок – Первый компьютер ENIAC

Программирование первой электронно-вычислительной машины было очень сложным занятием. Компьютер программировали, физически переключая контакты на специальной коммутационной панели. Инженеры могли разрабатывать новый порядок подключения контактов больше недели, для вычислений, которые компьютер производил затем за 5 минут.

Из-за часто случавшихся поломок, сгорания электронных ламп и существенного перегрева, ENIAC не мог работать непрерывно более 20 часов. Но даже в условиях таких ограничений использование ENIAC принципиально изменило качество и скорость выполнения расчетов. К примеру, расчеты, которые раньше человек – вычислитель осуществлял в течение четырех лет, ENIAC выполнял в течение двух недель.

Несмотря на некоторые неудобства в эксплуатации, первую ЭВМ использовали для выполнения различных вычислений в течение нескольких лет.

По результатам эксплуатации первой электронно-вычислительной машины ENIAC были сделаны некоторые важные выводы, главный из которых заключался в том, что компьютер – не просто очень быстрый вычислитель. При правильном конструкционном и логическом устройстве компьютеры могут стать универсальными обработчиками информации, то есть смогут со временем обрабатывать разные виды информации.

Конструкционные и логические основы, которые должны сделать производимые компьютеры надежным и универсальным устройством, были сформулированы в докладе группы ученых. Этот доклад был озвучен руководителем группы математиком фон Нейманом, поэтому предложенные в нем принципы устройства компьютера и улучшенная архитектура носят его имя.

Архитектура фон Неймана представлена на рисунке 2.

Рисунок – Архитектура фон Неймана

Основные принципы, предложенные группой фон Неймана:

• кодирование информации в двоичной системе счисления, разделение информации на минимальные единицы, называемые словами;
• алгоритм решения задачи представляется в виде последовательности управляющих слов, определяющих смысл операций (команд). Совокупность всех команд алгоритма называется программой;
• программа и данные хранятся в одной и той же области оперативной памяти;
• разнотипные слова отличаются способом использования, но не способом кодирования;
• устройство управления и арифметико-логическое устройство эффективно объединить в один блок (центральный процессор); процессор определяет порядок выполнения программы путем считывания команд из оперативной памяти;
• обработка информации сводится к последовательному выполнению команд в порядке, определенном программой; допускается нелинейных ход программы, определяемый заданным условием.

1.2 Архитектура компьютеров

Под архитектурой вычислительной системы понимают ее общую логическую организацию, определяющую структурную, схемотехническую и логическую организацию процессов кодирования и обработки данных, а также принципы взаимодействия ее технических средств и программного обеспечения.

Архитектура электронно-вычислительной машины представляет собой совокупность всех основных устройств, узлов и блоков компьютера, а также структуру и качество главных управляющих и информационных связей между ними, которая обеспечивает выполнение поставленных задач.

Базовыми свойствами архитектуры современных ЭВМ являются открытость архитектуры и магистрально-модульный принцип построения аппаратно-программных средств компьютера.

Магистрально-модульный принцип построения предполагает шинную организацию обеспечения связей между компонентами (модулями) компьютера, доступность этой связи для всех устройств.

Реализация магистрально-модульного принципа, в свою очередь, обеспечивает открытость системы – возможность конфигурирования компьютера произвольным образом и наращивания функций компьютера с помощью подключения на общих шинах самых разнообразных устройств, отвечающих заданным стандартам, от независимых производителей.

Архитектура современных компьютеров имеет отличия от классической архитектуры фон Неймана.

Процессорам большинства современных компьютеров присуща суперскалярная двух и более микропроцессорная (ядерная) структура и соответствующая специальная организация внутреннего устройства – конвейер.

Это позволяет реализовать современный принцип конвейеризации вычислений, который заключается в дроблении программы в процессе ее выполнения на фрагменты с одновременным параллельным выполнением «конвейера» команд.

К примеру пятиступенчатый конвейер микропроцессора i486 его пять включает пять этапов:

• выборка команды из памяти;
• декодирование команды;
• генерация адреса (определение адреса операндов в памяти);
• выполнение операции в арифметико-логическом устройстве;
• фиксация результата в памяти.

В результате на конвейере одновременно будут находиться в различных стадиях выполнения пять и более команд. В современных процессорах количество одновременно обрабатываемых команд доходит до десяти и более.

Для согласованности скорости медленной по сравнению с процессором оперативной памяти разработаны устройства многоуровневой памяти. Оперативную память (ее базовую часть большого объема) строят из относительно медленных (и более дешевых) элементов, а дополнительную кэш-память небольшого объема состоит из быстродействующих элементов.

Архитектура современных компьютеров предусматривает наличие каналов прямого доступа к оперативной памяти для обмена данными с устройствами ввода-вывода без задействования центрального процессора.

Микропроцессоры, имеющие в наличии один конвейер, называются скалярными, а два и более – суперскалярными.

Эволюция архитектуры компьютера представлена на рисунке 3.

Рисунок – Эволюция архитектуры компьютера

Аппаратура составляет базовую основу современного компьютера, но баз программного обеспечения аппаратура является безжизненным набором физических устройств.

Именно совокупность аппаратуры и программного обеспечения делает компьютер универсальным устройством, которые сегодня использует как в профессиональной, так и в повседневной жизни каждый современный человек.

1.3 Аппаратное обеспечение персонального компьютера

В современных персональных компьютерах принцип фон Неймана реализован посредством магистрально-модульного принципа построения.

Модульность устройства означает, что современный персональный компьютер может быть скомпонован пользователем из выбранных им самостоятельно устройств, соединив их при помощи унифицированных разъемов. Большинство производителей аппаратных комплектующих поддерживают принцип открытой архитектуры, выпуская детали, которые могут быть использованы в любом компьютере.

Рисунок – Системная плата компьютера

Все внешние (периферийные) устройства присоединяются к разъемам, расположенным на системной (материнской) плате (рисунок 4), которая является основным аппаратным компонентом компьютера. На системной плате реализована магистраль обмена информацией, расположены разъемы для установки оперативной памяти и процессора, а также слоты для установки контроллеров внешних устройств.

Для обмена информацией между процессором, внутренней памятью и периферийными устройствами, служит системная шина (магистраль), в состав которой входят:

• шина данных;
• шина адреса;
• шина управления.

Сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали, передаются по шине управления.

Шина адреса необходима для обмена информацией между оперативной памятью и процессором.

По шине данных идет обмен данными между внутренними и внешними устройствами.

Схематическая иллюстрация магистрально-модульного устройства компьютера представлена на рисунке 5.

Рисунок - Магистрально-модульное устройство компьютера

Физическое устройство персонального компьютера устроено следующим образом. Центральное устройство и некоторые внешние (например, устройство внешней памяти накопитель на жестких магнитных дисках) размещено системном блоке компьютера. При этом многие из устройств интегрируются на главной плате компьютера – системной (материнской) плате.

Внешние устройства подключаются через специальные унифицированные разъемы, выходящие обычно на заднюю панель системного блока. Современные устройства также могут подключаться по беспроводным технологиям через инфракрасный порт.

Внешний вид современного персонального компьютера представлен на рисунке 6.

Рисунок – Современный персональный компьютер

Устройства ввода информации – клавиатура, мышь, различные дисководы, устройства флеш - памяти, сканеры, цифровые фотоаппараты и видеокамеры, устройство звукового ввода – микрофон.

Устройства вывода информации – принтер, графопостроитель, звуковые колонки, различные дисководы, устройства флеш - памяти.

Монитор является универсальным устройством отображения информации.

Программное обеспечение подробно рассмотрено в следующей части.

2 Информационное и математическое обеспечение информационных систем

2.1 Программное обеспечение современного компьютера

Аппаратуры недостаточно для полноценного функционирования электронно-вычислительной машины. Компьютер – это совокупность аппаратуры и программ, под управлением которых он работает.

Набор программ, под управлением которых функционирует компьютер, а также выполняются профессиональные задачи пользователя, называется программным обеспечением.

Классификация программного обеспечения представлена на рисунке 7.

Рисунок – Классификация программного обеспечения

Программное обеспечение современных персональных компьютеров состоит из большого количества различных программ, которое условно делят на три большие группы:

• системное программное обеспечение (системные программы);  
• прикладное программное обеспечение (прикладные программы);  
• инструментальное обеспечение (инструментальные системы).

К системному программному обеспечению относят программы, которые управляют работой узлов компьютера и реализуют разные вспомогательные (сервисные) функции, такие, как:

• создание резервных копий информации
• управление ресурсами компьютера
• проверка исправности компонентов компьютера
• предоставление справочной информации о ПК.

Эти программы служат для всех категорий пользователей, нужны для обеспечения эффективной работы компьютера и пользователя, и для оптимального режима решения прикладных задач.  

Основное место среди системных программ принадлежит операционным системам.

Операционная система  представляет собой комплекс программ, необходимых для управления запуском, загрузкой и непрерывного безошибочного выполнения различных программ пользователя. Операционная система также управляет и планирует распределение вычислительных ресурсов компьютера.

Операционная система обеспечивает выполнение операций ввода/вывода информации, содержит специальные программы - драйверы для работы периферийных устройств, а также предоставляет пользователю удобные инструменты для работы с файловой системой.

В настоящее время пользователям предлагается большой выбор операционных систем, которые имеют свои особенности. В нашей стране большей частью используется операционные системы семейства Windows, разработанные компанией Microsoft.

На рисунке 8 представлен внешний вид одной из версий операционной системы Windows.

Рисунок – Операционная система Windows

Можно сказать, что операционная система управляет работой компьютера с момента его включения до окончательного отключения питания.

Прикладное программное обеспечение  служит для решения профессиональных задач. В его составе прикладного программного обеспечения выделяют прикладные программы и пакеты прикладных программ различного назначения.

Прикладной программой называют произвольную программу, которая предназначена для решения задач в пределах некоторой проблемной области.

Пакетами прикладных программ называются определенным образом скомпонованные комплексы прикладных программ, рассчитанные на общее применение в некоторой проблемной области и дополненные соответствующей технической документацией.

Таким пакетом прикладных программ является, например, популярный среди пользователей пакет офисных программ Microsoft Office, включающий полный набор программ для выполнения офисной работы: текстовый редактор, электронные программы, мастер презентаций, почтовые клиенты.

Инструментальное программное обеспечение состоит из:

• систем программирования;
• интегрированных сред разработки приложений;
• средства моделирования программного обеспечения.

Системы программирования основаны на использовании одного из языков программирования – например, Basic, C++, Pascal и др.

Система программирования, как правило, содержит:

• редактор текстов (обеспечивает создание и редактирование программного кода на исходном языке программирования (исходных программ);
• транслятор;
• динамические и статические библиотеки подпрограмм.

Интегрированные среды разработки приложений (IDE) как правило включают в себя средства визуального программирования и позволяют вести разработку на нескольких языках программирования высокого уровня.

Системы моделирования позволяют решить широкий спектр задач – от математического моделирования (Matlab, MathCAD) до моделирования бизнес-процессов (IBM Rational Rose, ARIS Express и др.).

2.2 Сложные программные системы

Ежегодно увеличивается сложность и многообразие систем, которые в международной научно-технической практике получили название Software Intensive Systems – SIS - систем с интенсивным использованием программного обеспечения. Для таких систем говорят об информационном обеспечении – совокупности программного обеспечения и подготовленных для обработки данных.

Успех эксплуатации систем, принадлежащих к такому виду, полностью или значительно определяется программным обеспечением. Согласно классификации общепризнанного лидера в сфере информационных исследований и разработок Software Engineering Institute (институт программной инженерии университета Карнеги - Меллон) к классу SIS – систем можно отнести системы, в которых программное обеспечение является существенным сегментом по таким позициям, как функциональность системы, время разработки, ее стоимость, риски в процессе разработки.

Программные компоненты в SIS – системах осуществляют взаимодействие с компонентами и подсистемами различной природы и датчиками, друг с другом, приборами и людьми, включенными в процессы использования системы.

Системы, которые относят к классу SIS- систем:

• автоматизированные системы управления;
• бортовые системы управления транспортными средствами;
• корпоративные системы на базе web-сервисов;
• телекоммуникационные системы.

Обычной является практика разработки сложных систем, в которой участвуют сотни (тысячи) разработчиков.

В разработку таких систем вкладываются очень большие финансовые средства. Большое количество подсистем сложной системы включает программные системы.

Представленные программные системы получили название больших или сложных программных продуктов или программных комплексов. Кроме того, что сложные программные системы отличаются большим объемом, они имеют также ряд отличительных характеристик – востребованности таких систем пользователями (потенциальные покупатели услуг, предоставляемых системами), развитая практика обучения работе с системой и другие.

Как правило, для сложной программы присущи следующие свойства:

1. программа должна решать одну или несколько взаимосвязанных прикладных задач, часто изначально не имеющих четкой постановки, решение которых дает возможность определенному кругу организаций или частных лиц приобрести существенные выгоды от ее использования;
2. программа может быть не предназначена для решения определенных прикладных задач, но эффективное решение этих прикладных задач от нее зависит. Примером таких программ являются системные программы - операционные системы, СУБД (системы управления базами данных), разнообразные инструментальные системы;
3. очень важной характеристикой является удобство программы в эксплуатации. Программа должна быть хорошо и полно задокументирована, иметь полный набор документов для обучения работе с программой и специальную документацию для администраторов;
4. от программы требуются высокая производительность, высокая реактивностью и иные требования, невыполнение которых может привести к существенным для клиентов потерям;
5. программа должна обеспечивать высокую надежность работы. Ошибки и сбои в работе могут нанести значительный ущерб клиентам и другим организациям и лицам, даже если они происходят редко;
6. программа должна удовлетворять требованиям совместимости, переносимости и интеграции с другим программным обеспечением, обеспечивать эффективную работу на разных аппаратных платформах;
7. пользователям, использующим программное обеспечение, возможно получить дополнительные выгоды за счет того, что программный продукт развивается, в него интегрируются новые функции, устраняются найденные ошибки и тонкие места. Для того, чтобы продукт можно было развивать, необходимо изначально разработать проектную документацию, на основе которой программа может дорабатываться любыми специалистами;
8. разработкой продукта занимается большой коллектив программистов, взаимодействующих между собой, а также тестеров программного обеспечения;
9. большое количество прямых и косвенных пользователей.

Появление и развитие больших систем объясняется ростом количества и распространением компьютерной техники, а также повышением ее социальной роли (рисунок 9).

Рисунок – График роста единиц компьютерной техники

В качестве примеров больших систем можно привести операционные системы Windows, Linux и другие, библиотеки классов C# или Java, системы сетевых протоколов и т.д.

Развитие Российского рынка IT- технологий представлен на рисунке 10.

Рисунок - Развитие Российского рынка IT- технологий

По рисунку видно, что развитие происходит с периодическими кризисами, но все же является поступательным. Тенденция развития российского IT – сектора совпадает с аналогичными мировыми тенденциями.

2.3 Понятие архитектуры программной системы

С началом развития электронной вычислительной техники термин «архитектура» изначально применяли только по отношению аппаратуры компьютеров. Обсуждалась архитектура электронно-вычислительных машин, архитектура компьютерных сетей, архитектура вычислительных комплексов.

С развитием и усложнением программного обеспечения, выделением разработки программных продуктов в отдельную мощную отрасль, в которой задействовано большое количество людей, термин «архитектура» начали применять и в отношении компьютерных программ.

В настоящее время дисциплина программных архитектур и их проектирования интенсивно развивается.

Пример программной архитектуры сложной системы – автоматизированной информационной системы службы медицинского обслуживания представлен на рисунке 11.

Рисунок – Программная архитектура сложной системы

Согласно действующему стандарту (IEEE Std 1472000 - IEEE 1471 «Рекомендуемые методы описания архитектуры преимущественно-программных систем»):

«Архитектура – это базовая организации системы, воплощенная в ее компонентах, их отношениях между собой и с окружением, а также принципы, определяющие проектирование и развитие системы».

Также архитектура определяется как набор согласованных между собой документов, который определяет и описывает программную архитектуру с точки зрения разных групп заинтересованных пользователей при помощи набора модулей.

Архитектура часто имеет несколько представлений, отражающих интересы и потребности разных групп разработчиков и пользователей.

Многоуровневая архитектура «клиент – сервер» представлена на рисунке 12.

Рисунок - Многоуровневая архитектура «клиент – сервер»

Конструктивно архитектура программной системы, как правило, является совокупностью ответов на вопросы:

• каково назначение системы (что она делает);
• какие составные части имеет система (структура системы);
• как взаимодействуют составные части системы (как система работает);
• каково размещение всех частей системы.

2.4 Методологическое, математическое и информационное обеспечение автоматизированных систем научных исследований (АСНИ)

В сложных специализированных вычислительных системах (бортовых компьютерах автомобилей, судов, ракет, самолетов, космических летательных аппаратов и т. п.) совокупность программного и информационного обеспечения называют математическим обеспечением. В настоящем разделе математическое обеспечение рассмотрено на примере автоматизации научных исследований.

По мере усложнения научных знаний на теоретической стадии разработки модели возникает необходимость использования все более нетривиального математического аппарата, активного использования компьютера с высокой вычислительной мощностью.

На стадии вычислительного эксперимента усложнение модели объекта ведет к росту количества потоков информации и требует, начиная с некоторого момента, создания.

Основные цели, ради достижения которых разрабатываются автоматизированные системы научных исследований:

• повышение качества и эффективности научно-исследовательской работы на базе формирования и детализации более точных и полных моделей исследуемых объектов;
• получение принципиально новых научных результатов, получение которых без использования автоматизированной системы научных исследований невозможно;
• уменьшение времени выполнения и трудоемкости научных исследований.

Автоматизированная система научно-технических исследований – это аппаратно-программный комплекс на основе современных средств вычислительной техники, который предназначен для получения, уточнения и апробации математических моделей исследуемых объектов, процессов, явлений.

Особенности, характерные для автоматизированной системы научных исследований:

• ведущая роль компьютерной техники и компьютерных устройств (ни одна автоматизированная система научных исследований не обходится без них);
• неразделимое единство аппаратных и программных средств;
• целевое назначение автоматизированной системы научных исследований, ее нацеленность на получение математических моделей в виде формул, таблиц, графиков и других структурированных видах.

Типовая структура автоматизированной системы научных исследований представлена на рисунке 12.

Рисунок - Типовая структура автоматизированной системы научных исследований

Конфигурации экспериментальных установок для выполнения научных исследований будут зависеть от области науки, в которой проводятся экспериментальные исследования. Тем не менее, можно выделить несколько основных функциональных частей, которые присутствуют во всех системах АСНИ.

Обязательным компонентом системы является экспериментальная установка с объектом, которая воспроизводит реальный исследуемый процесс или явление.

Такой экспериментальной установкой может быть аэродинамическая труба с моделью самолета, ускоритель элементарных частиц с мишенью и другие аналогичные устройства.

Пример лабораторной установки представлен на рисунке 14.

Рисунок – Экспериментальная установка для научных исследований

Моделируемый процесс необходимо воспроизводить в заданных условиях при определенных значениях параметров. Для формирования и поддержания этих параметров в объект добавляется система управления.

Например, для экспериментальной установки изучения фотоэффекта, представленной на рисунке 15, в качеству системы управления выступают:

• потенциометр для регулирования напряжения;
• двойной ключ для изменения полярности.

Рисунок – Схема экспериментальной установки для изучения фотоэффекта

Экспериментальный автоматизированный комплекс в обязательном порядке имеет измерительную систему. Для системы, представленной на рисунке 18, измерительная система состоит из электроизмерительных приборов для снятия вольтамперной характеристики:

• вольтметра;
• амперметра.

В процессе проведения научного моделирования и вычислительного эксперимента в роли измеряемых параметров выступают физические величины – температура, физические размеры, модули перемещения на плоскости и в пространстве, сила тока, напряжение, влажность, давление и аналогичные параметры.

Основными источниками информации о величине измеряемых параметров являются датчики. Основным назначением датчиков является- преобразование измеряемого значения в электрический сигнал.

При большом количестве датчиков в системе может быть использован коммутатор.

Пример лабораторного цифрового датчика силы тока и напряжения представлен на рисунке 16.

Рисунок – Датчик напряжения

Многие датчики передают сигналы в аналоговой форме. Так как обработку ин6формации выполняет компьютер – цифровое устройство, то необходим аналогово-цифровой преобразователь (АЦП).

Также в системе должны присутствовать усилители сигналов (масштабаторы), так как исходные сигналы могут быть как очень малы, так и очень велики для изучения.

Измерительные устройства, которые используются в автоматизированных системах научных исследований, обычно оснащены системой цифровой индикации, и представляют результаты научных исследований на выходе в цифровом виде.

Узел, переводящий информацию из аналоговой формы в цифровую, носит название аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

Еще одним обязательным компонентом АСНИ является узел обработки, состоящий из процессора, запоминающего устройства и системы математического обеспечения. В качестве узла обработки выступает чаще всего компьютер, оснащенный также периферийными устройствами (устройствами ввода/ вывода).

К математическому обеспечению автоматизированных систем научных исследований относят часть методологического обеспечения, реализованного в виде методик и алгоритмов обработки измерительной информации, ее интерпретации, обобщения и отображения, а также алгоритмов управления ходом эксперимента.

Состав математического обеспечения системы научных исследований зависит от задач, поставленных исследователями.

Функциональная система АСНИ и виды ее обеспечения представлены на рисунке 17.

Рисунок - Функциональная схема автоматизированной системы научных исследований

В состав математического обеспечения входят:

• алгоритмы исследования достоверности полученных экспериментальных результатов, а также исключения ошибочных данных;
• алгоритмы интерполяции и аппроксимации экспериментальных данных функцион6альными уравнениями, уравнениями регрессии со статистическим обоснованием уравнений зависимостей;
• совокупность математических моделей для классификации и идентификации изучаемого явления;
• алгоритмы определения адекватности моделей;
• алгоритмы управления реализацией эксперимента согласно разработанным сценариям и т.д.

Среди математического обеспечения научных экспериментов есть алгоритмы, которые применяются универсально, независимо от направленности исследования. К таким алгоритмам, например, относятся алгоритмы отбраковки статистически недостоверных результатов, алгоритмы аппроксимации – например, метод наименьших квадратов.

Наряду с универсальными часто используются специальные алгоритмы, которые разрабатываются специально для научных исследований определенной направленности.

Результаты экспериментов, научных наблюдений регистрируются и аккумулируются в системе с целью их дальнейшего использования. Эти данные часто формируются в табличной форме. Для более наглядного представления информации часто данные представляются графически – диаграммы, графики, схемы. Для систематизации и структурирования архивной информации в автоматизированных системах научных исследований предусматривают специальное информационное обеспечение.

Информационные системы компонуются на базе компьютеров, имеющих внешнюю память большой емкости и имеющих высокую скорость обмена информацией с этими устройствами.

Программное обеспечение автоматизированной системы научных исследований, может быть определено при помощи общего подхода как совокупность программ, под управлением которого функционирует АСНИ и выполняются, в том числе, вычислительные эксперименты, и обработка экспериментальных данных, и структурирование результатов исследований, и их хранение в долговременной памяти.

В состав программного обеспечения автоматизированной системы научных исследований входит системное программное обеспечение, роль которого состоит в координации работы узлов системы. Состав системного программного обеспечения АСНИ представлено на рисунке 18.

Рисунок – Системное программное обеспечение АСНИ

Системное программное обеспечение АСНИ должно быть достаточным для обеспечения эффективного взаимодействия специалистов, вычислительной системы и исследуемого процесса на всех уровнях.

К проблемному программному обеспечению АСНИ относят специализированные программы и совокупности программ, которые непосредственно реализуют основные функции системы научных исследований: получение, структурирование и обработка информации, полученной с объекта исследования, управление ходом эксперимента на объекте, моделирование процессов, явлений и их частей и его частей, оформление результатов проводимых исследований.

В проблемном программном обеспечении выделяют шесть групп программ с функциональным назначением для сбора информации, ее первичной и основной обработки, планирования эксперимента, управления экспериментом и моделирования процесса исследования.

Группы проблемного программного обеспечения представлены на рисунке 19.

Рисунок – Группы проблемного программного обеспечения АСНИ

Языками программирования научных исследований могут выступать как универсальные языки программирования высокого уровня – C++, C#, Phyton, Pascal, так и специальные языки математического моделирования и вычислительных экспериментов – MathCAD, MatLab и другие.

Математический пакет MatLab имеет развитые инструменты имитационного моделирования, механизмы разработки нейронных сетей, инструменты интеллектуального анализа, классификации и кластеризации данных и другие системы для научных исследований. Развитые графические возможности MatLab позволяют наглядно отобразить результаты научных исследований, в том числе в анимированной форме.

Примеры графического представления моделирования в MatLab представлены на рисунках 20 - 21.

Рисунок – Графическое моделирование в MatLab

Рисунок – График контрольной и тестовой группы нейронной сети

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполнение курсовой работы на тему «Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем» посвящено изучению устройства современного компьютера, различных видов его обеспечения и новейших моделей программного обеспечения, а также обеспечения информационного и математического.

Работа состоит из двух глав.

В первой главе рассмотрены теоретические вопросы появления и развития компьютерной техники, базовая архитектура электронно-вычислительных машин. На примере персонального компьютера рассмотрен состав аппаратного и программного обеспечения.

Представлены принципы магистрально-модульного построения компьютера и принцип открытой архитектуры.

Во второй главе представлена общая классификация программного обеспечения, представлены универсальные и специализированные виды программного обеспечения. Исследованы информационное обеспечение вычислительной системы как совокупность программного обеспечения и подготовленных данных, а также математическое обеспечение как совокупность программного и информационного обеспечения сложных специализированных систем.

Курсовая работа освещает вопросы информационного и математического обеспечения на примере формирования автоматизированных систем научных исследований, их базовую конфигурацию и состав АСНИ. В процессе выполнения работы научные исследования были рассмотрены как объект автоматизации, изучены основные особенности автоматизированных систем научных исследований, а также универсальные и специализированные инструменты реализации этих систем.

Задачи курсовой работы реализованы, цель достигнута.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Архитектуры и топологии многопроцессорных вычислительных систем. Курс лекций / А.В. Богданов и др. - М.: Интернет-университет информационных технологий, 2014. - 522 c.
2. Афонин, В. В. Моделирование систем / В.В. Афонин, С.А. Федосин. - М.: Интернет-университет информационных технологий, Бином. Лаборатория знаний, 2016. - 190 c.
3. Виноградова Н.А. , Есюткин А.А., Филаретов Г.Ф.Автоматизированные системы научных исследований. Техническое обеспечение./ Под ред. В.А. Кабанова. М.: Высшая школа, 2015. -412с.
4. Гецци К. Основы инженерии программного обеспечения. - СПб.: БХВ-Петербург, 2015. - 832 c.
5. Дюваль М. Непрерывная интеграция. Улучшение качества программного обеспечения и снижение риска. - М.: Гостехиздат, 2016. – 240 c.
6. Иванов Д.Е. Жизненные стадии и циклы организации. - М.: Парта, 2015. - 75 с.
7. Инженерная логистика. Логистически - ориентированное управление жизненным циклом продукции. - М.: Горячая линия - Телеком, 2014. - 644 c.
8. Исаев Г. Информационные технологии. - М.: Омега-Л, 2014, 464 с.
9. Карлберг К. Бизнес-анализ с помощью Excel 2000.: пер. с англ.: Уч. пос. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2016. – 480 с.: ил.
10. Карминский А.М., Нестеров П.В. Информатизация бизнеса. – М.: Финансы и статистика, 2017. – 416 с.: ил.
11. Коберн А. Быстрая разработка программного обеспечения. - М.: ЛОРИ, 2013. - 336 c.
12. Кузьмичев Д.А., Радкевич И.А., Смирнов А.Д. Автоматизация экспериментальных исследований: Учеб. пособие. - М.: Наука, 2017. – 358 с.
13. Левенталь Л. Введение в микропроцессоры: Программное обеспечение, аппаратные средства и программирование. - Л.: Энергоатомиздат, 2014. – 464 c.
14. Левин А., Самоучитель работы на компьютере. 10‑е издание. – СПб.: Питер, 2018. – 616 с.
15. Маккарти Д. Правила разработки программного обеспечения. - М.: Русская Редакция, 2016. - 240 c.
16. Назаров С.В. Архитектуры и проектирование программных систем: монография. - М.: ИНФРА-М, 2017. - 413 с.
17. Рассел Д. Жизненный цикл программного обеспечения. - М.: Книга по Требованию, 2017. - 89 c.
18. Синицын С. В. Верификация программного обеспечения. - М.: Бином. Лаборатория знаний, 2017. - 368 c.
19. Системы автоматизированного проектирования. Кн. 2: Технические средства и операционные системы / Д.М. Жук., В.А. Мартынюк, П.А. Сомов; Под ред. И.П. Норенкова. Минск: Научная книга, 2014. – 451 с.
20. Таейр Т. Надежность программного обеспечения. - М.: СИНТЕЗ, 2015. - 323 c.