Состав и свойства вычислительных систем.Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем

ВВЕДЕНИЕ

Любая деятельность человека основывается на информации. Информация – сведения об окружающем мире (объектах, явлениях, событиях, процессах и т.д.), которые уменьшают имеющуюся степень неопределенности, неполноты знаний, отчужденные от их создателя и ставшие сообщениями (выраженными на определенном языке в виде знаков, в том числе и записанными на материальном носителе), которые можно воспроизводить устным, письменным или другим способом (с помощью условных сигналов, технических средств, вычислительных средств и т.д.).
Наряду с понятием «информация» распространение получило понятие «данные». В общеупотребительном смысле это синонимы, но существует достаточно строгое различие, которое заключается в том, что «информация» имеет общетеоретическое значение – «меры упорядоченности системы», а понятие «данные» сводит информацию до объекта тех или иных преобразований. В этом отношении данные представляют собой конкретные сведения (информацию в определенной форме – речевую, аудио, видео) на носителе, которые можно подвергнуть обработке, в том числе и компьютерными средствами.
Наука, занимающаяся изучением свойств информации, вопросами ее сбора, хранения, поиска, переработки, преобразования, распространения и использования в различных сферах деятельности человека, называется информатикой.
Целью данной работы является изучение принципов организации вычислительных систем.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- изучить состав и свойства вычислительных систем
- изучить принципы организации информационного и математического обеспечения вычислительных систем
ГЛАВА 1.СОСТАВ И СВОЙСТВА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

1.1. Понятие вычислительной системы

Для введения в дисциплину ознакомимся с основными понятиями, которые определяют ее содержание. Рассмотрим понятия «вычислительная машина», «вычислительная система», определим разницу между компьютерами и информационной системой, между понятиями «архитектура» и «структура» аппаратных средств вычислительной системы.
Согласно ГОСТ 15971-90 вычислительная машина (ВМ) — совокупность технических средств, создающая возможность проведения обработки информации (данных) и получения результата в необходимой форме. Под техническими средствами понимают все оборудование, предназначенное для автоматизированной обработки данных. Как правило, в состав ВМ входит и системное программное обеспечение.
Вычислительную машину, основные функциональные устройства которой выполнены на электронных компонентах, называют электронной вычислительной машиной (ЭВМ).
В последнее время в отечественной литературе широкое распространение получил англоязычный термин «компьютер» (англ. Computer — вычислитель). Мы будем использовать эти термины как равноправные. Следует отметить, что в настоящее время активно ведутся разработки компьютеров, работа которых основана на оптических, фотонных, квантовых и других физических принципах. Например, оптические компьютеры в своей работе используют скорость света, а не скорость электричества, что делает их наилучшими проводниками данных. Сверхъестественный мир квантовой механики не подчиняется законам общей классической физики. Квантовый бит (qubit) не существует в типичных 0- или 1-бинарных формах сегодняшних компьютеров — квантовый бит может существовать в одной из них или же в обеих системах одновременно. В связи с этим понятие «электронная вычислительная машина», в котором акцентируется, что машина построена на основе электронных устройств, становится более узким, чем понятие «компьютер».
С развитием вычислительной техники появились многопроцессорные системы и сети, объединяющие большое количество отдельных процессоров и вычислительных машин, программные системы, реализующие параллельную обработку данных на многих вычислительных узлах. Появился термин «вычислительные системы».
Система (от греч. systema — целое, составленное из частей соединение) — это совокупность элементов (объектов), взаимодействующих друг с другом, образующих определенную целостность, единство.
Объект (от лат. objectum — предмет) — это термин, используемый для обозначения элементов системы.
Вычислительную систему (ВС) стандарт ISO/IEC2382/1 -93 определяет как одну или несколько вычислительных машин, периферийное оборудование и программное обеспечение, которые выполняют обработку данных.
Вычислительная система состоит из связанных между собой средств вычислительной техники, содержащих не менее двух основных процессоров, имеющих общую память и устройство ввода-вывода.
Формально отличие ВС от ВМ выражается в количестве вычислительных средств. Множественность этих средств позволяет реализовать в ВС параллельную обработку.
Таким образом, вычислительная система является результатом интеграции аппаратных средств и программного обеспечения, функционирующих в единой системе и предназначенных для совместного выполнения информационно-вычислительных процессов.
Аппаратное средство (hardware) включает в себя все внешние и внутренние физические компоненты компьютерной системы (из п. 3.7.2 ГОСТ Р 53394-2009).
Программное обеспечение (software) по ГОСТ Р 53394-2009 — это совокупность информации (данных) и программ, которые обрабатываются компьютерной системой.
С технической точки зрения вычислительная система — это комплекс вычислительных средств, объединенных в информационновычислительную сеть.
Основной отличительной чертой вычислительных систем по отношению к ЭВМ является наличие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку. Точного различия между вычислительными машинами и вычислительными системами определить невозможно, так как вычислительные машины даже с одним процессором обладают разными средствами распараллеливания, а вычислительные системы могут состоять из традиционных вычислительных машин или процессоров.
Необходимо понимать разницу между компьютерами и информационной системой: компьютеры оснащены специальными программными системами, являются технической базой и инструментом для информационных систем.
Информационная система — это организационно упорядоченная совокупность документов (массивов документов) и информационных технологий, в том числе с использованием средств вычислительной техники и связи, реализующих информационные процессы [1, ст. 2] (из п. 3.1.7 ГОСТ Р 54089-2010).
Информационная система немыслима без персонала, взаимодействующего с компьютерами и телекоммуникациями.
Информационная система с технической точки зрения — это взаимосвязанная совокупность средств, методов и персонала, используемых для хранения, обработки и выдачи информации в интересах достижения поставленной цели.

1.2. Общий состав и структура вычислительных систем

Основой цифровых вычислительных систем являются логические цифровые схемы, основанные на элементах, принимающих два возможных фиксированных значения — «О» и «1». Информация в таких схемах представлена в виде импульсных электрических сигналов, имеющих амплитуду выше некоторого уровня (логический ноль) или ниже определенного уровня (логическая единица). При построении цифровой ВС реализован принцип программного управления. Суть этого принципа в следующем: цифровая схема построена таким образом, что может решать некоторый определенный набор простых задач или выполнять определенные действия (команды); комбинируя эти действия в соответствии с заданным алгоритмом решения сложной задачи (программа), можно получить решение для очень широкого круга задач.
Таким образом, цифровая ВС состоит из аппаратных и программных средств, которые выступают как неразрывное единство.
К аппаратным средствам относятся электронные схемы, из которых построена система, и схемы, обеспечивающие их работоспособность.
К программным средствам относятся последовательности команд, реализующие решение задач и функции по обработке информации.
Технические и эксплуатационные характеристики
вычислительных машин
Производительность вычислительной машины. Этот показатель определяется архитектурой процессора, иерархией внутренней и внешней памяти, пропускной способностью системного интерфейса, системой прерывания, набором периферийных устройств в конкретной конфигурации, совершенством ОС и т.д. Основные единицы оценки производительности:
• абсолютная, определяемая количеством элементарных работ, выполняемых в единицу времени;
• относительная, определяемая для оцениваемой ЭВМ относительно базовой в виде индекса производительности.
Для каждого вида производительности применяются следующие традиционные методы их определения.
Пиковая производительность (быстродействие) определяется средним числом команд типа «регистр — регистр», выполняемых в одну секунду без учета их статистического веса в выбранном классе задач.
Номинальная производительность (быстродействие) определяется средним числом команд, выполняемых подсистемой «процессор — память» с учетом их статистического веса в выбранном классе задач. Она рассчитывается, как правило, по формулам и специальным методикам, предложенным для процессоров определенных архитектур, и измеряется с помощью разработанных для них измерительных программ, реализующих соответствующую эталонную нагрузку.