Состав и свойства вычислительных систем.Информационное и математическое обеспечение

Содержание:

Курсовая работа

Под вычислительной системой (ВС) будем понимать совокупность аппаратных средств (hardware) и программного обеспечения (software), образующих единую среду, предназначенную для сбора, хранения, обработки и распределения информации в целях решения информационно-вычислительных задач. Вычислительная система может представлять собой устройство, кластерную систему или некоторую вычислительную сеть.

В настоящее время наряду с термином вычислительная система с целью подчеркнуть особое значение обработки нечисловой информации часто используется понятие информационно-вычислительной системы (ИВС). Согласно ГОСТу, информационно-вычислительная система (программно-технический комплекс) есть совокупность данных (баз данных) и программ функционирующих на вычислительных средствах как единое целое для решения определенных задач.

Можно сказать, что с позиции пользователя информационно-вычислительная система – это вычислительная среда, в которой моделируются задачи реального мира. За счет ускорения процессов обработки данных, исключения вычислительных ошибок и увеличения объема обрабатываемой информации достигаются цели повышения производительности результатов обработки данных и повышения качества принимаемых управленческих решений.

Состав и свойства вычислительной системы

Состав вычислительной системы называется конфигурацией. Аппаратные и программные средства вычислительной техники принято рассматривать отдельно. Соответственно, отдельно рассматривают аппаратную конфигурацию вычислительных систем и их программную конфигурацию. Такой принцип разделения имеет для информатики особое значение, поскольку очень часто решение одних и тех же задач может обеспечиваться как аппаратными, так и программными средствами. Критериями выбора аппаратного или программного решения являются производительность и эффективность. Обычно принято считать, что аппаратные решения в среднем оказываются дороже, зато реализация программных решений требует более высокой квалификации персонала.

Аппаратное обеспечение

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

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

Программное обеспечение

Программы — это упорядоченные последовательности команд. Конечная цель любой компьютерной программы — управление аппаратными средствами. Даже если на первый взгляд программа никак не взаимодействует с оборудованием, не требует никакого ввода данных с устройств ввода и не осуществляет вывод данных на устройства вывода, все равно ее работа основана на управлении аппаратными устройствами компьютера.

Программное и аппаратное обеспечение в компьютере работают в неразрывной связи и в непрерывном взаимодействии. Несмотря на то что мы рассматриваем эти две категории отдельно, нельзя забывать, что между ними существует диалектическая связь, и раздельное их рассмотрение является по меньшей мере условным.

Состав программного обеспечения вычислительной системы называют программной конфигурацией. Между программами, как и между физическими узлами и блоками существует взаимосвязь — многие программы работают, опираясь на другие программы более низкого уровня, то есть, мы можем говорить о межпрограммном интерфейсе. Возможность существования такого интерфейса тоже основана на существовании технических условий и протоколов взаимодействия, а на практике он обеспечивается распределением программного обеспечения на несколько взаимодействующих между собой уровней. Уровни программного обеспечения представляют собой пирамидальную конструкцию. Каждый следующий уровень опирается на программное обеспечение предшествующих уровней. Такое членение удобно для всех этапов работы с вычислительной системой, начиная с установки программ до практической эксплуатации и технического обслуживания. Обратите внимание на то, что каждый вышележащий уровень повышает функциональность всей системы. Так, например, вычислительная система с программным обеспечением базового уровня не способна выполнять большинство функций, но позволяет установить системное программное обеспечение.

1. Базовый уровень. Самый низкий уровень программного обеспечения представляет базовое программное обеспечение. Оно отвечает за взаимодействие с базовыми аппаратными средствами. Как правило, базовые программные средства непосредственно входят в состав базового оборудования и хранятся в специальных микросхемаха, называемых постоянными запоминающими устройствами (ПЗУ— Read Only Memory, ROM). Программы и данные записываются («прошиваются») в микросхемы ПЗУ на этапе производства и не могут быть изменены в процессе эксплуатации.

В тех случаях, когда изменение базовых программных средств во время эксплуатации является технически целесообразным, вместо микросхем ПЗУ применяют перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ — Erasable and Programmable Read Only Memory, EPROM). В этом случае изменение содержания ПЗУ можно выполнять как непосредственно в составе вычислительной системы (такая технология называется флэш-технологией), так и вне ее, на специальных устройствах, называемых программаторами.

Как уже говорилось выше, вычислительные системы (ВС) можно также называть информационно-вычислительными системами (ИВС). В дальнейшем по Еизаровой Н. Н. вычислительную систему можно рассматривать как информационную технологию, которая делится в базовом уровне на несколько уровней: концептуальный, логический и физический уровень ИТ.

• 1. Концептуальный уровень.

Технология переработки информации начинается с формирования информационного ресурса, который после определенных целенаправленных преобразований должен превратиться в информационный продукт. Формирование информационного ресурса (получение исходной информации) начинается с процесса сбора информации, которая должна в информационном плане отразить предметную область, т. е. объект управления или исследования (его характеристики, параметры, состояние и т. п.).Собранная информация для ее оценки (полнота, достоверность, непротиворечивость и т.д.) и последующих преобразований должна быть т образом подготовлена (например, структурирована в виде таблиц).

После подготовки информация может быть передана для дальнейшего преобразования, а может быть подвергнута сразу процессу преобразования в машинные данные, т. е. процессу ввода.

Следующие за вводом информационные процессы уже производят преобразование данных в соответствии с поставленной задачей.

Процесс обработки данных связан с преобразованием значений и структур данных, а также их преобразованием в форму, удобную для человеческого восприятия, т. е. отображением.

Информационный процесс обмена предполагает обмен данными между процессами информационной технологии процесс накопления позволяет так преобразовать информацию в форме данных, что удается ее длительное время хранить, постоянно обновляя.

Наконец, процесс представления знаний включен в базовую информационную технологию как один из самых основных.

• 1. Логический уровень. Логический уровень информационной технологии представляется комплексом взаимосвязанных моделей, формализующих информационные процессы при технологических преобразованиях информации и данных. Формализованное в (виде моделей) представление информационной технологии позволяет связать параметры информационных процессов, а это означает возможность реализации управления информационными ресурсами.
  2. Физический уровень. Физический уровень информационной технологии представляет ее программно-аппаратную реализацию. При этом стремятся максимально использовать типовые технические средства и программное обеспечение, что существенно уменьшает затраты на создание и эксплуатацию ИТ. С помощью программно-аппаратных средств практически осуществляются базовые информационные процессы и процедуры в их взаимосвязи и подчинении единой цели функционирования. Таком образом, и на физическом уровне ИТ рассматривается как система, причем большая система, в которой выделяется несколько крупных подсистем Это подсистемы, реализующие на физическом уровне информационные процессы: подсистемы обработки данных, подсистема обмена данными, подсистема накопления данных, подсистема управления данными и подсистема представления знаний. С системой информационной технологии взаимодействует пользователь и проектировщик.

1. Системный уровень. Системный уровень — переходный. Программы, работающие на этом уровне, обеспечивают взаимодействие прочих программ компьютерной системы с программами базового уровня и непосредственно с аппаратным обеспечением, то есть выполняют «посреднические» функции.

От программного обеспечения этого уровня во многом зависят эксплуатационные показатели всей вычислительной системы в целом. Так, например, при подключении к вычислительной системе нового оборудования на системном уровне должна быть установлена программа, обеспечивающая для других программ взаимосвязь с этим оборудованием. Конкретные программы, отвечающие за взаимодействие с конкретными устройствами, называются драйверами устройств — они входят в состав программного обеспечения системного уровня.

Другой класс программ системного уровня отвечает за взаимодействие с пользователем. Именно благодаря им он получает возможность вводить данные в вычислительную систему, управлять ее работой и получать результат в удобной для себя форме. Эти программные средства называют средствами обеспечения пользовательского интерфейса. От них напрямую зависит удобство работы с компьютером и производительность труда на рабочем месте.

Совокупность программного обеспечения системного уровня образует ядро операционной системы компьютера. Полное понятие операционной системы мы рассмотрим несколько позже, а здесь только отметим, что если компьютер оснащен программным обеспечением системного уровня, то он уже подготовлен к установке программ более высоких уровней, к взаимодействию программных средств с оборудованием и, самое главное, к взаимодействию с пользователем. То есть наличие ядра операционной системы — непременное условие для возможности практической работы человека с вычислительной системой.

1. Служебный уровень. Программное обеспечение этого уровня взаимодействует как с программами базового уровня, так и с программами системного уровня. Основное назначение служебных программ (их также называют утилитами) состоит в автоматизации работ по проверке, наладке и настройке компьютерной системы. Во многих случаях они используются для расширения или улучшения функций системных программ. Некоторые служебные программы (как правило, это программы обслуживания) изначально включают в состав операционной системы, но большинство служебных программ являются для операционной системы внешними и служат для расширения ее функций.

В разработке и эксплуатации служебных программ существует два альтернативных направления: интеграция с операционной системой и автономное функционирование. В первом случае служебные программы могут изменять потребительские свойства системных программ, делая их более удобными для практической работы. Во втором случае они слабо связаны с системным программным обеспечением, но предоставляют пользователю больше возможностей для персональной настройки их взаимодействия с аппаратным и программным обеспечением.

1. Прикладной уровень. Программное обеспечение прикладного уровня представляет собой комплекс прикладных программ, с помощью которых на данном рабочем месте выполняются конкретные задания. Спектр этих заданий необычайно широк — от производственных до творческих и развлекательно-обучающих. Огромный функциональный диапазон возможных приложений средств вычислительной техники обусловлен наличием прикладных программ для разных видов деятельности.

Поскольку между прикладным программным обеспечением и системным существует непосредственная взаимосвязь (первое опирается на второе), то можно утверждать, что универсальность вычислительной системы, доступность прикладного программного обеспечения и широта функциональных возможностей компьютера напрямую зависят от типа используемой операционной системы, от того, какие системные средства содержит ее ядро, как она обеспечивает взаимодействие триединого комплекса человек — программа — оборудование.

Архитектурные свойства вычислительных систем

Основополагающие принципы (параллелизма, программируемости, однородности) и принципы модульности и близкодействия позволяют достичь полноты архитектурных свойств в вычислительных системах. Отметим важнейшие свойства архитектуры ВС. При этом заметим, что не все свойства и не в полной мере могут проявляться в той или иной реализации ВС.

Масштабируемость (Scalability) вычислительных систем

Под масштабируемостью ВС понимается их способность к наращиванию и сокращению ресурсов, возможность варьирования производительности. Сложность (трудоемкость) задач, решаемых на вычислительных средствах, постоянно растет. Для сохранения в течении длительного времени за вычислительной системой способности быть адекватным средством решения сложных задач необходимо, чтобы она обладала архитектурным свойством масштабируемости. Это означает, в частности, что производительность, достигнутую ВС на заданном количестве вычислителей, можно увеличить, добавив еще один или несколько вычислителей. Выполнение этого свойства ВС гарантируется принципами модульности, локальности, децентрализованности и распределённости.

Свойство наращиваемости производительности предоставляет потенциальную возможность решать задачи любой априори заданной сложности. Однако для практической реализации этой возможности требуется, чтобы алгоритм решения сложной задачи удовлетворял условию локальности, а межмодульные пересылки информации слабо влияли на время решения задачи. Это может быть достигнуто за счет крупноблочного распараллеливания сложных задач и (или) аппаратурных средств, позволяющих совместить межмодульные обмены информацией с вычислениями.

Универсальность ВС. Вычислительные системы алгоритмически и структурно универсальны.

Принято считать, что ЭВМ (основанные на модели вычислителя) являются алгоритмически универсальными, если они обладают способностью (без изменения своих структур) реализовать алгоритм решения любой задачи. С другой стороны, ВС – это коллектив вычислителей, каждый из которых обладает алгоритмической универсальностью, следовательно, и система универсальна (в общепринятом смысле).

В вычислительных системах могут быть реализованы не только любые алгоритмы, доступные ЭВМ, но и параллельные алгоритмы решения сложных задач. Последнее следует из определений модели коллектива вычислителей и, в частности, алгоритма функционирования ВС.

Структурная универсальность ВС – следствие воплощения архитектурных принципов коллектива вычислителей, в частности, принципа программируемости структуры. Суть этого принципа – возможность автоматически (программно) порождать специализированные (проблемно-ориентированные) виртуальные конфигурации, которые адекватны структурам и параметрам решаемых задач.

Таким образом, вычислительные системы сочетают в себе достоинства цифровой техники, где процесс вычислений в основном задаётся алгоритмически (точнее: программно) и аналоговой техники, где процесс вычислений предопределяется структурными схемами.

Структурная универсальность позволяет говорить и о специализированности ВС: для каждой задачи допустима автоматическая настройка такой конфигурации из ресурсов ВС, которая наиболее адекватна алгоритму решения задачи. Итак, вычислительная система – это средство, в котором диалектически сочетаются противоположные свойства универсальности и специализированности.

Рассматривая ИС (ВС) в технологическом аспекте, можно выделить аппарат управления (АУ). Оставшиеся компоненты – информационная технология (ИТ), информационная система решения функциональных задач (ИСФЗ) и система поддержки принятых решений (СППР).

Объектами проектирования ИТ являются обеспечивающие подсистемы, реализующие процедуры сбора, передачи, накопления и хранения информации, ее обработки и формирования результатов расчетов в нужном для пользователя виде. ИТ представляет собой информационно-технологический базис для функционирования ИСФЗ и СППР.

Информационная технология:

Математическое обеспечение

Программное обеспечение

Лингвистическое обеспечение

Правовое обеспечение

Эргономическое обеспечение

оор

Организационное обеспечение

Техническое обеспечение

Информационное обеспечение

Обеспечивающие подсистемы

Мы же будем рассматривать две подсистемы представленной информационной технологии: информационное и математическое обеспечение.

Информационное обеспечение

Информационное обеспечение (ИО) представляет собой совокупность проектных решений по объемам , размещению, формам организации информации, циркулирующей в ИС. Оно включает в себя специально организованную для автоматического обслуживания совокупность показателей, классификаторов и кодовых обозначений элементов информации, а также унифицированные системы, документации, массивы информации в базах и банках данных на машинных носителях и персонал, обеспечивающий надежность хранения, своевременность и качество технологии обработки информации.

Повторюсь, информационное обеспечение, т.е. совокупность показателей, справочных данных, классификаторов и кодификаторов информации, унифицированные системы документации, массивы информации, персонал, отвечающий за хранение, своевременность и качество технологии обработки информации.

Информационное обеспечение автоматизированной системы (АС) — совокупность форм документов, классификаторов, нормативной базы и реализованных решений по объемам, размещению и формам существования информации, применяемой в АС при ее функционировании [п. 2.8 ГОСТ 34.003-90].

По ГОСТ 24.205-80 описание информационного обеспечения АСУ должно состоять из следующих разделов:

принципы организации информационного обеспечения;

организация сбора и передачи информации;

построение системы классификации и кодирования;

организация внутримашинной информационной базы;

организация внемашинной информационной базы.

Термин «информационное обеспечение» широко используется в разном контексте, применительно к разным функциям и видам деятельности, трактуется неоднозначно и является дискуссионным. Кроме обозначения этим термином информационных структур, под этим нередко понимается процесс предоставления необходимой информации для нужд определенного социально-экономического объекта.

Информационное обеспечение сети вычислительных центров включает массивы данных, средства их описания, сбора, хранения и выдачи, которые должны в совокупности создать наилучшие условия для централизованной интегрированной обработки информации, обеспечить коллективный доступ к общим для многих абонентов данным, повысить надёжность и достоверность получаемой информации. (см. БСЭ [1])

В прикладных науках под информационным обеспечением понимается поддержка процессов управления, технологии, обучения, научных исследований и другими средствами систем баз данных и знаний. А. В. Блек сформулировал следующее определение информационного обеспечения: "совокупность любых средств, позволяющих ученым с наименьшими затратами времени получать всю или по крайней мере более полную информацию, необходимую им для выполнения научной работы.

По мнению С. В. Звежинского, «информационное обеспечение представляет собой организованный непрерывный технологический процесс подготовки и выдачи информации потребителям в соответствии с их нуждами для поддержания эффективной научно-технической деятельности».

Г. М. Воскресенский предлагает рассматривать информационное обеспечение в качестве функции управления, как организуемую в рамках управления деятельность, направленная на проектирование, функционирование и совершенствование информационных систем, обеспечивающих эффективное выполнение задач управления.

Информационное обеспечение — это создание информационных условий функционирования предприятия, обеспечение необходимой информацией, включение в систему средств поиска, получения, хранения, накопления, передачи, обработки информации, организация банков данных. Непременным условием создания системы информационного обеспечения является построения и функционирования информационно-аналитической автоматизированных систем управления.

Математическое обеспечение

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

Следующим этапом автоматизации программирования было создание алгоритмических языков высокого уровня. Имеется свыше тысячи алгоритмических языков различного назначения, применение которых существенно сокращает затраты на разработку и создание программ. Первым, получившим широкое распространение, стал язык фортран. Затем появились языки алгол, алгамс, а в СССР и язык альфа, предназначенные в основном для проведения научно-технических расчетов. Для записи алгоритмов обработки экономической информации был создан язык кобол. Алголоподобный язык паскаль имеет средства для описания структуры данных. Для работы с текстовой информацией предназначены языки лисп, снобол, амбит, сдл и др. Для описания алгоритмов проведения аналитических преобразований на ЭВМ получила широкое распространение система Reduce, а в СССР и язык аналитик (см. [5]). Как развитие и обобщение языков фортран, алгол и кобол появились языки ПЛ/1 и алгол-68.

Параллельно с развитием языковых средств велись работы по созданию библиотек стандартных программ. Имеются тысячи подпрограмм, программ и программных комплексов, в которых реализованы алгоритмы общего и специального назначения с использованием методов вычислительной математики. Среди них: вычисление элементарных и специальных функций, линейная алгебра, счет интегралов, численное решение обыкновенных дифференциальных уравнений и уравнений с частными производными, метод наименьших квадратов и др. Стандартные программы организованы в виде библиотек подпрограмм, записанных на магнитные ленты или диски, так что они легко доступны. Для вызова подпрограммы достаточно поставить в программе оператор обращения к ней. Наиболее часто применяемые подпрограммы хранятся в виде стандартных модулей загрузки на языке, весьма близком к кодам ЭВМ. Как правило, трансляторы с алгоритмических языков выдают результат своей работы в виде последовательности отдельных подпрограмм и процедур, которые сразу же после трансляции записываются во временную библиотеку в виде стандартных модулей загрузки. Последующее объединение отдельных подпрограмм в рабочую программу в кодах ЭВМ с соответствующей настройкой осуществляет загрузчик либо перед началом счета (статический загрузчик), либо во время счета в момент вызова конкретной подпрограммы (динамический загрузчик). В некоторых системах объединение отдельных оттранслированных ранее частей программ в единую программу осуществляет т. н. редактор связей, а загрузчик только располагает готовую программу в памяти машины.

Наряду с пополнением библиотеки стандартных подпрограмм все большее распространение получает практика создания пакетов прикладных программ, рассчитанных на решение не отдельной задачи, а целого класса задач. Пакет программ представляет собой совокупность подпрограмм, работающих под управлением головной программы. Режим работы пакета задается посредством специализированного проблемно-ориентированного языка, чаще всего являющегося подмножеством обычного профессионального языка или жаргона.

Современные ЭВМ наряду со средствами, облегчающими написание и отладку программ, оснащаются также программными комплексами, обеспечивающими эффективное использование самих ЭВМ путем организации автоматического прохождения задач (управление заданиями), управления данными, динамического распределения памяти, внешних устройств (управления ресурсами). Совокупность этих программных средств наз. операционной системой (ОС) ЭВМ (см. [1]- [4], [6]). OG стали неотъемлемой частью вычислительных систем. Без ОС невозможно функционирование ЭВМ, т. к. управление работой внешних устройств, обмен информацией, организация взаимодействия отдельных элементов ЭВМ в значительной мере осуществляются посредством программ, входящих в ОС. Под управлением ОС функционируют трансляторы с алгоритмических языков, системы программ, облегчающих программирование и отладку (в том числе и в диалоговом режиме), а также обеспечивающих работу с графической информацией. ОС предоставляют средства для работы с большими массивами данных, для ведения файлов (последовательность групп данных, как правило, одинаковой структуры), создания баз данных и различного рода информационно-поисковых систем. ОС обеспечивает использование ЭВМ в составе многомашинных комплексов, в сетях ЭВМ. Кроме языковых средств, облегчающих программирование, пользователю также предоставляется возможность управления работой ОС посредством управляющих операторов (перфокарт), которые вводятся в ЭВМ вместе с программой.

В зависимости от режима работы, который обеспечивается ОС, различают три типа использования ЭВМ.

1) Пакетная обработка программ заключается в автоматическом прохождении (решении) потоков задач на ЭВМ, в том числе и в мультипрограммном режиме. Примерами ОС, обеспечивающих такой режим работы, являются ОС ЕС и ДОС ЕС для машин единой серии (см. [1], [8]) и машин фирмы ИБМ; системы ОС ДУБНА и ОС ДИСПАК для БЭСМ-6 (см. [91); система NOS/BE для машин фирмы Control Data.

2) Режим разделения времени дает возможность одновременно обслуживать многих пользователей, работающих с терминалов, связанных с ЭВМ, в том числе находящихся на больших расстояниях от нее. В качестве примеров ОС, обеспечивающих работу в таком режиме, можно назвать одну из ранних экспериментальных систем MULTICS и систему TSS/360 для машин ИБМ. В крупных вычислительных системах режим разделения времени, как правило, обеспечивается операционными системами, которые одновременно ведут счет и в режиме пакетной обработки. При этом взаимодействие с ОС происходит посредством специальных подсистем, работающих под управлением основной ОС. В NOS/BE это - система Intercom, в ОС ДУБНА - мультитайп, в ОС ДИСПАК - система ДИМОН (см. [10]), в ОС ЕС - ДУУВЗ и СРВ (см. [11]).

При работе с терминалов на ЭВМ, ведущей счет в пакетном режиме, пользователям предоставляются в режиме разделения времени только средства для набора, редактирования программ и их запуска на счет. Трансляция программ и счет идут в обычном режиме пакетной обработки, как правило, с высшим приоритетом. Пользователи имеют возможность просмотреть результат прохождения задач и, если необходимо, заново их отредактировать и вновь запустить на счет. Программа может обращаться к терминалу и в реальном времени, как к внешнему устройству ЭВМ, для ввода-вывода информации в режиме диалога.

Системы режима разделения времени часто оснащаются трансляторами, работающими в режиме интерпретации, когда отдельная инструкция (оператор языка) преобразуется в коды ЭВМ и выполняется сразу же после ее набора на терминале.

3) Операционные системы реального времени обеспечивают функционирование ЭВМ на линии с внешним оборудованием, к-рое в произвольные моменты времени может посылать в ЭВМ информацию, требующую оперативной обработки в момент ее поступления. ОС такого типа предназначены для управления экспериментальными и технологии, установками, работающими на линии с ЭВМ (см. [121, [13], [14], [15]). Нередко в роли ОС реального времени выступают соответствующим образом доработанные ОС пакетного режима. ЭВМ, предназначенные для работы на линии с оборудованием (управляющие ЭВМ), имеют технические и программные средства, облегчающие создание программ и их функционирование в реальном времени.

Понятия и терминология в области М. о. и системного программирования еще не четко установились. Ранее в состав ОС включались трансляторы, теперь большинство исследователей относят их к прикладным программам, работающим под управлением ОС. Разными учеными название компонент ОС, а часто и разбиение ОС на отдельные компоненты делается по-разному. Это связано главным образом с быстрым развитием этой области науки и непрерывным появлением новых понятий.

Кроме рассмотренного выше М. о. ЭВМ общего назначения (операционные системы и прикладные пакеты общего назначения), имеется и продолжает активно создаваться М. о., нацеленное на решение конкретных проблем в различных отраслях науки, техники и народного хозяйства. Программные проблемно-ориентированные комплексы создаются с использованием языковых средств и других возможностей, предоставляемых ОС ЭВМ. Объем этого М. о. намного превосходит объем М. о. ЭВМ общего назначения.

В крупных институтах ядерной физики и физики высоких энергий используются десятки (иногда более сотни) ЭВМ разного класса в основном для управления и съема информации с экспериментальных установок. Для каждой такой установки созданы специализированные ОС реального времени или разделения времени (см. [16]). Специализированные ОС обеспечивают функционирование не. <только ЭВМ, но и сложных электронно-механических систем. Большие комплексы программ под управлением этих ОС контролируют правильность работы аппаратуры, съем информации, ее обработку, сжатие и накопление. Экспериментатору предоставляются богатые средства диалогового графического взаимодействия с системой.

Часть систем работает в режиме автоматического опознавания событий и их изображений. Кроме специализированных ОС, в состав М. о. экспериментов также входят большие комплексы программ, предназначенные для обработки экспериментальной информации. Система программ для обработки фильмовой информации имеет объем в десятки тысяч операторов фортрана, она создана в рамках модульной системы программирования ГИДРА (см. [17]). Система ГИДРА предоставляет пользователю средства для редактирования, организации хранения различных версий программ, для создания версий программ для конкретной трековой камеры, эксперимента и типа доступной электронной машины. В системе нашли воплощение все современные достижения программирования: модульный принцип, структурное программирование, самодокументирование, динамическое распределение оперативной памяти, удобные средства генерации. Создание конкретной версии программы сводится к написанию последовательности строк, указывающих тип измерительного устройства, этап обработки и форму выдачи информации, и к заданию числовой информации, описывающей параметры трековой камеры (константы оптической системы, карта магнитного поля) и топологию изучаемых событий. Результатом работы системы является текст программы на фортране, сгенерированный из модулей, хранящихся в системе или введенных пользователем.

Не только для ядерной физики, но и для многих других отраслей науки и техники созданы большие проблемно-ориентированные комплексы программ (см. [18]). Среди них комплексы программ для обработки информации в молекулярной биологии и кристаллофизике (см. [19]), электро- (ЭПАК) и сейсморазведке (СЕИСПАК) полезных ископаемых (см. [20]), программные комплексы для автоматизации проектирования (см. [21] ), для автоматизированных систем управления(АСУ) в народном хозяйстве и многие др. Как правило, создание программы для решения той или другой задачи с использованием проблемно-ориентированных систем сводится к подготовке ее описания на языке, являющемся управляющим, входным языком системы и построенным на основе определений и понятий, используемых в данной области науки, техники.

Таким образом, М. о. ЭВМ можно представить в виде двух уровней.

Первый уровень - комплекс программ, входящих в ОС или работающих под ее непосредственным управлением, который является общим М. о., поставляемым вместе с вычислительной системой. Кроме программ собственно ОС, в общее М. о. входят в первую очередь трансляторы с машинно-ориентированных и широко распространенных процедурно-ориентированных алгоритмических языков, а также библиотеки стандартных подпрограмм общего назначения.

Второй уровень представлен проблемно-ориентированными программными комплексами. Они являются, как правило, надстройкой над общим М. о. первого уровня и создаются с использованием языковых средств и др. возможностей, представляемых М. о. первого уровня. Проблемно-ориентированное М. о. по общей организации и назначению можно разбить на два типа. Первый - это программные комплексы, создаваемые на универсальных ЭВМ общего назначения с использованием средств, представляемых М. о. Они предназначены для решения определенных классов задач или обработки данных. С точки зрения связи с ОС ЭВМ эти комплексы являются обычными прикладными программами. Второй тип представлен специализированными ОС реального времени или управляющими программами, которые создаются как с использованием средств, предоставляемых стандартными ОС ЭВМ, так и без их использования. Это М. о. управляет сложными электронными и электромеханическими системами, в которых ЭВМ составляют только часть из всего оборудования системы.

Все методы формализации задач управления, в том числе и те, на основе которых строится рациональная эксплуатация технического обеспечения информационных систем, принято называть математическим обеспечением.

Математическое обеспечение – совокупность математических методов, моделей, алгоритмов обработки информации, используемых при решении задач в информационной системе (функциональных и автоматизации проектирования информационных систем). К средствам математического обеспечения относятся:

• средства моделирования процессов управления;

• типовые задачи управления;

• методы математического программирования, математической статистики, теории массового обслуживания и т.п.

Технологическая документация по этому виду обеспечения ИТ содержит описание задач, задания по алгоритмизации, экономико-математические методы и модели решения задач, текстовку и контрольные примеры их решения. Персонал составляют специалисты в области организации управления объектом, постановщики функциональных задач математики-специалисты по моделированию процессов управления и вычислительным методам, проектировщики ИТ.

Математическое обеспечение является составной частью программного обеспечения ИС. Прикладные и обеспечивающие программы формируются, прежде всего, на базе математических методов и моделей. В тех случаях, когда для решения той или иной актуальной задачи не удается подобрать математический метод, используются эвристические алгоритмы.

При этом следует помнить, что каждый из методов и моделей может быть применен для решения различных по специфике задач пользователей. И наоборот: одна и та же задача может решаться с помощью различных методов. Весь набор математических алгоритмов, использующихся для решения экономических задач, принято называть экономико-матема­тическими методами

Важнейшие экономико-математические методы представлены в виде некоторых укрупненных группировок (вообще моделирование можно разделить по Кокину В. М. на аналитическое и имитационное):

Линейное программирование (аналитическое моделирование по Кокину В. М.) – линейное преобразование переменных в системах линейных уравнений. Сюда следует отнести: симплекс-метод, распределительный метод, метод разрешающих множителей, статический матричный метод решения материальных балансов.

Стохастическое программирование (аналитическое программирование) делится на статистическое и динамическое. В статистических задачах исследуемые параметры являются случайными величинами на определенном этапе. В динамических задачах имеют дело со случайными последовательностями. Большинство статистических задач сводится к задачам линейного программирования. Динамические задачи являются предметом так называемого Марковского программирования.

Марковским называется случайный процесс, будущее состояние которого E(t+Δt) определяется только настоящим состоянием E(t) и не зависит от предыстории процесса (состоянием процесса до момента времени t).

Таким образом, поскольку в соответствии с марковским свойством вся предыстория процесса сказывается на его поведении в будущем только через текущее состояние, то нет необходимости знать, как долго процесс в нем находился. Иначе говоря, независимо от времени, которое процесс уже провел в текущем состоянии, распределение остающегося интервала времени пребывания процесса в этом состоянии останется тем же самым, что и для полного интервала. Таким свойством обладает только одно распределение - экспоненциальное.

В классе марковских процессов выделяют процессы с дискретным состоянием, называемые марковскими цепями. Цепь может быть непрерывной и дискретной.

Марковские цепи классифицируются в зависимости от возможности перехода из одних состояний в другие. Наиболее востребованными в прикладных задачах являются два класса марковских цепей – поглощающие и эргодические.

Моделирование клиент-серверного взаимодействия (аналитическое моделирование). В качестве примера рассмотрим математическую модель взаимодействия в передачи данных автоматизированных производств. В общем случае в данной системе невозможно точно идентифицировать причины возникновения информационных потоков между узлами сети и определить ответный поток данных от пользователя на полученное им сообщение. Поэтому достаточно предполагать, что потоки между узлами сети имеют случайный характер и являются независимыми. Поскольку информационные потоки на центрах коммутации представляют собой суперпозицию множества случайных пользовательских потоков, то выполняются условия центральной предельной теоремы, согласно которой входной поток можно считать пуассоновским.

На основании этого предположения математическая модель обработки запросов сервером, описывающая взаимодействие сервера и клиентов, использующих пользовательский интерфейс, может быть представлена моделью массового обслуживания, согласно которой сервер является обслуживающим устройством, выполняющим требования (запросы) клиентов.

Модели массового обслуживания(аналитическое моделирование) (и родственное ей направление – теория управления запасами) включает большой класс экономических задач, где на основе теории вероятностей оценивается, например, мощность или количество агрегатов, обслуживающих какой-либо производственный процесс, численность ремонтных рабочих, запасы ресурсов и т.п. в зависимости от характера спроса на них. При этом многие задачи управления запасами формализуются как задачи массового обслуживания и алгоритмически представляются как эвристические модели.

Для построения моделей производительности вычислительных систем широко используется аппарат теории массового обслуживания. Задачи массового обслуживания возникают в случаях, когда имеется совокупность пунктов, называемая системой обслуживания, в которую через случайные промежутки времени поступают заявки (требования) на выполнение некоторых работ. Поступившая заявка обслуживается в системе путем предоставления ей на время обслуживания некоторых ресурсов (обслуживающих устройств), длительность выполнения отдельных заявок предполагается случайной, будучи обслуженной, заявка покидает систему. Из-за несоответствия между скоростью поступления требований и скоростью обслуживания образуется очередь, в которой поступившие заявки ждут момента освобождения ресурсов, занятых обслуживанием других, или оказываются простаивающими обслуживающие устройства. Порядок обслуживания заявок определяется законом дисциплины очереди.

К₁

Входной поток заявок

очередь

Выходной поток заявок

а)

Выходной поток заявок

Входной поток заявок

очередь

К₁

К₂

К₃

б)

Одноканальная (а) и многоканальная (б) система массового обслуживания.

Модели массового обслуживания являются моделями систем, процесс работы которых может быть представлен как случайный процесс с дискретным состоянием и непрерывным временем. В каждый момент времени система находится в одном из возможных состояний, определяемых длиной очереди занятостью обслуживающих устройств, причем переход из одного состояния в другое происходит в результате совершения событий, которые происходят в тот или иной случайный момент времени.

Дискретное программирование (имитационное моделирование) представлено двумя классами методов: локализационные и комбинаторные методы. К локализационным относятся методы линейного целочисленного программирования. К комбинаторным – метод ветвей и границ, который используется для построения графиков производства и т.п

Дискретно-событийное имитационное моделирование используется для построения модели, отражающей развитие системы во времени, при этом предполагается, что в каждый момент времени система находится в одном из возможных ее состояний, которые изменятся мгновенно (дискретно) в некоторые моменты времени.

Состояние системы определяется множеством значений переменных, описывающих существенный для задачи исследования набор свойств, которыми система обладает в данный момент времени. Таком образом, путем изменения значений переменных, можно имитировать движение системы от состояния к состоянию.

Теория графов (имитационное моделирование) – направление математики, где на основе определенной символики представляется формальное (схематическое) описание взаимосвязанности и взаимообусловленности множества работ, ресурсов, затрат и т.п. Набольшее практическое применение получил так называемый сетевой график (сетевой метод). На основе этой формализации с помощью эвристических или математических методов осуществляется исследование выделенного множества на предмет установления оптимального времени производства работ, оптимального распределения запасов и т.п. Одним из методов формализованного исследования являются эвристические алгоритмы систем ПЕРТ и ДЕРЕВО, а также линейное и нелинейное программирование на базе симплекс-метода. Здесь же можно говорить о

Объектно-ориентированному подходу (имитационное моделирование) – имитационные методы основаны на представлении порядка функционирования системы в виде алгоритма, который называется имитационной (алгоритмической) моделью. Алгоритмы описывают процедуры, изменяющие состояние элементов имитационной модели и регистрирующие данные для оценки характеристик моделируемой системы. Построенная на основе описанных алгоритмов имитационная модель представляет собой программу, написанную на универсальном алгоритмическом языке программирования, и, следовательно, к ее разработке могут быть применены методы, обычно используемые при проектировании программных средств.

Одним из современных подходов к разработке программного обеспечения является объектно-ориентированный анализ и проектирование, для поддержки которого создан унифицированный язык моделирования UML, являющийся удобным средством разработки и документирования программных систем. В объектной технологии в качестве основных строительных блоков выступают объект и класс. В самом общем смысле объект - это сущность, обычно извлекаемая из словаря предметной области, а класс является описанием множества однотипных объектов. Каждый объект обладает идентичностью (его можно поименовать или как то по-другому отличить от прочих объектов), состояние (обычно с объектом бывают связаны некоторые данные, которые предопределяют множество существенных свойств объекта) и поведением (объект может изменять свои собственные параметры и состояние или каким то образом воздействовать на другие объекты).

При использовании ООП все объекты являются в некотором смысле обособленными друг от друга. Реальные функциональные блоки (элементы), образующие вычислительную систему, взаимодействуют между собой по установленным между ними интерфейсам, определяющим структуру системы. В имитационной модели, реализованной средствами ООП, взаимодействие моделируется как поведение, выражающееся в обмене сообщениями между множествами объектов. Сообщением называется спецификация обмена данными между объектами, при котором передается некая информация в расчете на то, что в ответ последует определенное действие. В имитационном моделировании для передачи информации между объектами используется механизм обработки событий.

Унифицированный язык моделирования UML является общепризнанным стандартом для описания моделей, ориентированных на объекты программных систем на разных стадиях анализа и проектирования. Он также предоставляет удобные средства общения между разработчиками. Диаграммы языка UML являются удобным средством документирования всех этапов построения имитационной модели, начиная от концептуальной модели предметной области и заканчивая описаниями алгоритмов функционирования элементов.

Математическая статистика применяется для корреляционного, регрессионного и дисперсионного анализов экономических явлений и процессов.

Корреляционный анализ применяется для установления тесноты связи между двумя или более стохастически независимыми явлениями или процессами.

Регрессионный анализ устанавливает зависимость случайной величины от неслучайного аргумента. Дисперсионный анализ используется для установления зависимости результатов наблюдений от одного или нескольких факторов в целях выявления важнейших. Методы математической статистики используются также для прогностических экономических расчетов.

Динамическое программирование применяется для планирования и анализа экономических процессов во времени. Динамическое программирование представляется в виде многошагового вычислительного процесса с последовательной оптимизацией целевой функции. Сюда следует отнести и имитационное моделирование.

Теория игр представляется рядом методов, использующихся для определения стратегии поведения конфликтующих сторон. Известные методы можно разделить на два класса – точные и приближенные (итеративные). Условно точная игра может, например, реализовываться на основе линейного программирования путем определенного упорядоченного перебора матрицы-игры. Реализация игры на основе приближенных методов имеет несколько вариантов, но каждый из методов основан на аналитическом осмыслении стратегии на каждом шаге (в каждой партии) с целью совершенствования поведения на последующих шагах (в следующих партиях).

Параметрическое программирование является разновидностью линейного программирования, где коэффициенты при переменных линейного функционала, или коэффициенты при переменных системы линейных уравнений, или те и другие коэффициенты зависят от некоторого параметра. К этому направлению может быть отнесен динамический матричный метод решения материальных балансов.

Нелинейное программирование относится к наименее изученному (применительно к экономическим явлениям и процессам) математичес­кому направлению. Большинство изученных численных методов нелинейного программирования посвящено решению задач квадратичного программирования на основе симплекс-метода.

Литература:

ЕлизароваН. Н. «Информационные технологии. Курс лекций», ИГЭУ им. Ленина, 2007 год

Кокин В. М. «Моделирование вычислительных систем», ИГЭУ им. Ленина, 2019 год

https://studepedia.ru

https://helpiks.org

https://studopedia.ru