Вычислительная система. Классификация вычислительных систем

МИНОБР НАУКИ РОССИИ

 

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Нижегородский государственный  педагогический университет»

 

Факультет дизайна и информационных технологий

 

Кафедра математики и информатики

 

 

 

 

 

 

Контрольная работа

 

По дисциплине: вычислительная техника и сети в отрасли

на тему: «Вычислительная система. Классификация вычислительных систем»

 

 

 

 

 

 

 

                                      Выполнил:

                                                            студент группы АЗС-11-1

                                        Чечков С.В.

 

                                                   Проверил: кандидат

                                                      педагогических наук

                                                                                доцент кафедры Костылев Д. С.

 

 

 

 

Нижний Новгород

2013 г.

Содержание

 

Введение ……………………………………………………………………….….…..3

1. Понятие вычислительных систем……..…………….………………….……….5

1.2 Основные характеристики  ВС……………………………………………..8

2. Классификация вычислительных систем………………….……………….10

2.1 Признаки классификации   вычислительных систем…………...……......10

2.2 Архитектура вычислительных  систем...………………………………..…14

Заключение………..…………………………………………………………………..16 
Список используемой литературы……………………………..………………….17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

        Основным направлением  совершенствования ЭВМ является  неуклонный рост производительности (быстродействия) и интеллектуальности  вычислительных средств. Наиболее  перспективным и динамичным направлением  увеличения скорости решения  прикладных задач является широкое  внедрение идей параллелизма  в работу вычислительных систем (ВС).          

        Дальнейшее  поступательное развитие вычислительной  техники напрямую связано с  переходом к параллельным вычислениям,  с идеями построения многопроцессорных  систем и сетей, объединяющих  большое количество отдельных  процессоров и ЭВМ. 

       Термин вычислительная система появился в начале  60-х гг. при появлении ЭВМ III поколения. Это время знаменовалось переходом на новую элементную базу - интегральные схемы. Следствием этого явилось появление новых технических решений: разделение процессов обработки информации и ее ввода-вывода, множественный доступ и коллективное использование вычислительных ресурсов в пространстве и во времени. Появились сложные режимы работы ЭВМ - многопользовательская и многопрограммная обработка. Отражая эти новшества, и появился термин “вычислительная система”,т.е. возможность построения параллельных ветвей в вычислениях, что не предусматривалось классической структурой ЭВМ.

       Создание ВС преследует следующие основные цели: повышение производительности системы за счет ускорения процессов обработки данных, повышение надежности и достоверности вычислений, предоставление пользователям дополнительных сервисных услуг и т.д.

        Наличие нескольких  вычислителей в системе позволяет  совершенно по-новому решать проблемы  надежности, достоверности результатов  обработки, резервирования, централизации  хранения и обработки данных, децентрализации управления и  т.д. 

        К настоящему  времени спроектированы и опробованы  сотни различных компьютеров,  использующих в своей архитектуре  тот или иной вид параллельной  обработки данных. В научной литературе и технической документации можно найти более десятка различных названий, характеризующих лишь общие принципы функционирования параллельных машин: векторно-конвейерные, массивно-параллельные, компьютеры с широким командным словом, систолические массивы, гиперкубы, спецпроцессоры и мультипроцессоры, иерархические и кластерные компьютеры, dataflow, матричные ЭВМ и многие другие. Если же к подобным названиям для полноты описания добавить еще и данные о таких важных параметрах, как, например, организация памяти, топология связи между процессорами, синхронность работы отдельных устройств или способ исполнения арифметических операций, то число различных архитектур станет и вовсе необозримым.

       Основные принципы  построения, закладываемые при создании  ВС:

• возможность работы в разных режимах;

• модульность структуры технических  и программных средств, что позволяет  совершенствовать и модернизировать  вычислительные системы без коренных их переделок;

• унификация и стандартизация технических  и программных решений;

• иерархия в организации управления процессами;

• способность систем к адаптации, самонастройке и самоорганизации;

• обеспечение необходимым сервисом пользователей при выполнении вычислений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Понятие вычислительных систем

 

 

Вычислительная  система - это рассматриваемый как единое целое комплекс, предназначенный решать определенные задачи, в котором задействованы центральный процессор, память и различные внешние устройства. Пример вычислительной системы: IBM-совместимый персональный компьютер и его различные внешние устройства.

Оценить достоинства вычислительной системы - значит показать, насколько  удачно и оправданно были подобраны  ее компоненты. В соединении с набором  специальных программ вычислительная система становится автоматизированной системой. Так, например, компьютер с программой для бухгалтерии составляют автоматизированную систему бухгалтера, а в сочетании с программой для расчета деталей машин - автоматизированную систему проектирования деталей машин. Разумеется, и та и другая программы могут быть в одном и том же компьютере.

Особенно много вычислительных систем создается для решения  задач в области обработки  информации (информационно-поисковые вычислительные системы, информационно-справочные системы) и для управления объектами производства (управляющие вычислительные системы).

В зависимости от сущности решаемой задачи к вычислительным системам предъявляются разные требования. Все  задачи можно разделить на две  категории: на те, что надо решать с  максимальной надежностью, безошибочно  и на те, которые надо решать максимально  быстро. Разумеется, системы с высокой  скоростью решения не строят это  в ущерб их надежности. Просто, при  создании одних систем приоритетом  является надежность, а для других - производительность и скорость. Вычислительные системы, которые в состоянии  обрабатывать данные со скоростью их поступления называются системами реального времени. Это свойство особенно важно для выбора системы оперативного управления. В других системах, работающих в относительном масштабе времени, еще необработанные данные постепенно накапливаются.

Основные понятия, используемые при изучении ВС

 

       Вычислительная система - это совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенную для подготовки и решения задач пользователей. Отличительной особенностью ВС по отношению к ЭВМ является наличие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку.

       Структура ВС - это совокупность комплексируемых элементов и их связей. В качестве элементов ВС выступают отдельные ЭВМ и процессоры. В ВС, относящихся к классу больших систем, можно рассматривать структуры технических, программных средств, структуры управления и т.д.

       Основные понятия, используемые в ВС, - это ЭВМ, центральный процессор (ЦП), программное обеспечение (ПО), канал ввода-вывода, устройство управления внешними устройствами (УУВУ) и периферийные устройства.

       В настоящее  время под словом ЭВМ обычно понимают  цифровые электронные машины, предназначенные для автоматизации процесса обработки информации. ЭВМ часто называют компьютером. Термин компьютер означает вычислитель, т.е. устройство для вычислений. Это связано с тем, что первые ЭВМ создавались только для вычислений, т.е. должны были заменить механические вычислительные устройства (арифмометры). Современные ЭВМ делятся на основные классы: суперЭВМ, мини-ЭВМ, микроЭВМ.

       ЦП обеспечивает непосредственное преобразование данных по заданной программе и осуществляет управление взаимодействием всех устройств ЭВМ. В состав ЦП входит центральное устройство управления, арифметико-логическое (операционное) устройство (АЛУ), внутренняя память процессора  (регистровая, сверхоперативная, кэш-память).

       ПО – совокупность программ, процедур и правил вместе со связанной с этими компонентами документацией, позволяющей использовать ЭВМ для решения различных задач. ПО позволяет усовершенствовать организацию ра-боты ВС с целью максимального использования ее возможностей; повысить производительность и качество труда пользователя; адаптировать программы пользователя к ресурсам конкретной ВС; расширить ПО ВС.

       Каналы ввода-вывода предназначены для выполнения операций ввода-вывода и обеспечивают все двусторонние связи между оперативной памятью и процессором, с одной стороны, и множеством различных периферийных устройств, с другой.

       УУВУ обеспечивает управление периферийными устройствами через селекторные (быстрые) и мультиплексные (медленные) каналы ввода-вывода. УУВУ бывают одиночные (управляющие работой одного внешнего устройства) и групповые (обсуживающие несколько однотипных внешних устройств, причем в каждый момент времени они обслуживают лишь одно внешнее устройство).

       Периферийные устройства, такие как внешние запоминающие устройства (ВЗУ), обеспечивают хранение больших массивов информации. Наиболее широкое распространение получили ВЗУ на магнитных носителях (лентах и дисках).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2 Основные характеристики ВС

 

Эффективное применение вычислительной техники предполагает, что каждый вид вычислений требует использования  компьютера с определенными характеристиками. Выбирая компьютер для решения  своих задач, пользователь интересуется функциональными возможностями  технических и программных модулей (как быстро может быть решена задача, насколько ЭВМ подходит для решения  данного круга задач, какой сервис программ имеется в ЭВМ, возможности  диалогового режима, стоимость подготовки и решения задач и т.д.). При  этом пользователь интересуется не конкретной технической и программной реализацией  отдельных модулей, а общими вопросами  организации вычислений. Последнее  включается в понятие архитектуры  ЭВМ, содержание которого достаточно обширно. Каждый из уровней допускает многовариантное  построение и применение. Современный  компьютер относится к классу открытых систем. Конкретная реализация каждого из уровней таких систем определяет особенности структурного построения, что может менять характеристики в широких пределах. Именно архитектура  отражает основные принципы, положенные в основу построения компьютеров. Детализацией архитектурного и структурного построения ЭВМ занимаются различные категории  специалистов вычислительной техники. Инженеры-схемотехники проектируют отдельные технические устройства и разрабатывают методы их сопряжения друг с другом. Системные программисты создают программы управления техническими средствами, информационного взаимодействия между уровнями, организации вычислительного процесса. Программисты-прикладники разрабатывают пакеты программ более высокого уровня, которые обеспечивают взаимодействие пользователей с ЭВМ и необходимый сервис при решении ими своих задач. Указанные специалисты рассматривают понятие архитектуры в более узком смысле. Для них наиболее важные структурные особенности сосредоточены в наборе команд ЭВМ, являющемся границей между аппаратными и программными средствами. Пользователи ЭВМ, которые обычно не являются профессионалами в области вычислительной техники, рассматривают архитектуру через более сложные аспекты, касающиеся их взаимодействия с ЭВМ (человеко-машинного интерфейса), начиная со следующих групп характеристик ЭВМ, определяющих ее структуру:

технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ быстродействие и производительность; показатели надежности, достоверности, точности; емкость оперативной  и внешней памяти; габаритные размеры; стоимость технических и программных  средств; особенности эксплуатации и др.;

характеристики и состав функциональных модулей базовой  конфигурации ЭВМ;

возможность расширения состава  технических и программных средств; возможность изменения структуры;

состав программного обеспечения  ЭВМ и сервисных услуг операционная система или среда, пакеты прикладных программ, средства автоматизации программирования.

Важнейшими характеристиками компьютеров служат быстродействие и производительность. Эти характеристики достаточно близки, но их не следует  смешивать.

 

2. Классификация  вычислительных систем

 

В связи с кризисом классической структуры компьютера дальнейшее поступательное развитие вычислительной техники напрямую связано с переходом к параллельным вычислениям, с идеями построения многопроцессорных  систем и сетей, объединяющих большое  количество отдельных процессоров  и (или) компьютеров. Здесь появляются огромные возможности совершенствования  средств вычислительной техники. Но следует отметить, что при несомненных  практических достижениях в области  параллельных вычислений, до настоящего времени отсутствует их единая теоретическая  база.

 

2.1 Признаки классификации  вычислительных систем

 

Существует большое количество признаков, по которым  классифицируют вычислительные системы: по целевому назначению и выполняемым функциям, типам и числу ЭВМ или процессоров, архитектуре системы, режимам работы, методам управления элементами системы, степени разобщенности элементов вычислительной системы и др.

По назначению вычислительные системы делят на:

- универсальные;

- специализированные.

Универсальные ВС, или ВС общего назначения, предназначены для решения широкого круга задач, состав которого заранее не определен.

Специализированные ВС ориентированы на решение узкого, заранее определенного класса задач.

Специализацию ВС могут обеспечивать различные средства:

• сама структура системы (количество и типы параллельно работающих функциональных элементов, связи между  ними и т.д.) может учитывать особенности  выполняемых операций: матричные  вычисления (процессор, в составе команд которого есть команды с векторными операциями, называют  векторным), решение   алгебраических,   дифференциальных   и   интегральных  уравнений,  операции быстрого преобразования Фурье (такой процессор относят к процессорам цифровой обработки сигналов) и т.п. Практика разработки таких ВС показала, что чем уже класс задач, для решения которых предназначается специализированная ВС, тем большую производительность можно обеспечить при сокращении затрат ресурсов;

• специализация ВС может определяться наличием в составе ее периферийных устройств специального оборудования, для работы с которым требуется специальное программное обеспечение.

По виду составляющих элементов  вычислительные системы принято подразделять на:

- многомашинные;

- многопроцессорные ВС.

Многомашинная  ВС (ММВС) содержит несколько ЭВМ,  каждая из которых имеет свою оперативную память и работает  под управлением своей операционной системы. Обмен между ЭВМ идет с помощью специальных дополнительных программных и аппаратурных средств. Работа в условиях параллелизма множества объектов  — наиболее целесообразная область применения ММВС. Если в качестве элементов ВС используются процессоры, то такая ВС относится к классу многопроцессорных.

Многопроцессорная  ВС (МПВС)  —эффективное средство решения задач с параллелизмом входных данных; ее также можно использовать и при параллелизме множества задач.

В зависимости от  типов  ЭВМ  или  процессоров,  из которых  состоит ВС, различают:

- однородные;

- неоднородные системы.

В составе однородных систем — однотипные ЭВМ или процессоры, в составе  неоднородных  — разнотипные.

В однородных системах значительно  упрощается разработка и обслуживание технических и программных (в основном ОС) средств. В них обеспечивается возможность стандартизации и унификации соединений и процедур взаимодействия элементов системы, упрощается обслуживание систем, облегчается модернизация и их развитие.

Вместе с тем существуют и неоднородные ВС, в которых комплексируемые элементы очень сильно отличаются по своим техническим и функциональным характеристикам и могут представлять собой специализированные процессоры.

По  характеру пространственного  распределения  элементов ВС  делятся на:

- системы  сосредоточенного (локального) типа;

-  распределенного типа.

Обычно такое деление  касается только ММВС: в  этом классе можно найти вычислительные системы  как распределенного, так и локального типов. Как правило, многопроцессорные системы относятся к системам локального типа. Более  того, благодаря успехам микроэлектроники локализация ресурсов в микропроцессорах может быть очень глубокой: в перспективных СБИС появляется возможность иметь на одном кристалле несколько параллельно работающих процессоров.

Если взаимодействие ЭВМ  в составе многомашинной ВС  распределенного типа организуется с помощью специальных линий связи, то такую ВС называют вычислительной сетью.

В локальных и распределенных ММВС сильно различается  оперативность  взаимодействия в зависимости от удаленности ЭВМ: время передачи информации между соседними ЭВМ, соединенными простым кабелем, может быть много меньше времени передачи данных по каналам связи.

По  методам управления элементами  ВС делятся на:

- централизованные,

- децентрализованные;

- со смешанным управлением.

Каждая из этих структур имеет определенные достоинства  и недостатки по отношению к структурам других типов.

В централизованных ВС управление системой возлагается на одну главную —диспетчерскую  — ЭВМ или процессор. Ее задачей является  распределение нагрузки между элементами, выделение ресурсов, контроль состояния ресурсов, координация взаимодействия. Централизованные системы имеют более простые ОС. Однако выход из строя управляющей машины-диспетчера полностью парализует работу всей системы; кроме того, в централизованной ВС усложняется процесс отладки. Это ее недостатки.

В децентрализованных системах функции управления распределены между  ее элементами. Каждая ЭВМ или процессор  системы сохраняет известную  автономию, а необходимое взаимодействие между элементами устанавливается  по специальным наборам сигналов. С развитием ММВС, и в частности  сетей ЭВМ, интерес к децентрализованным системам постоянно растет.

В системах со смешанным  управлением совмещаются процедуры централизованного и децентрализованного управлений. Перераспределение функций осуществляется в ходе вычислительного процесса исходя из сложившейся ситуации.

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

Плавающее закрепление  функций  обеспечивает высокую гибкость и  надежность функционирования системы, но это связано с дополнительными затратами ресурсов на решение задачи динамического размещения  программных модулей и массивов данных.

По режиму работы  различают  вычислительные системы, работающие в  оперативном  и  неоперативном  временных режимах. 

Оперативный режим ВС характеризуется тем, что время реализации  алгоритма представляет собой фактор, определяющий эффективность системы. В неоперативных ВС такой зависимости нет.

В свою очередь в оперативных  ВС выделяют системы, работающие в реальном времени — «мягком» и «жестком». Понятие реального времени подчеркивает, что допустимое время реализации алгоритма определяется динамикой объекта управления.

В системах «мягкого» реального  времени допускаются (но достаточно редко) ситуации, когда временные  ограничения на время реализации алгоритма не выполняются.

Для систем «жесткого» реального  времени справедливо утверждение: «Правильное решение,  полученное с опозданием, есть ошибочное решение» и это правило работает всегда, без каких бы то ни было исключений.

Вычислительные системы  реального времени характеризуются, как правило, повышенными требованиями к надежности  функционирования и высокой степенью автоматизации процедур подготовки входных данных.

 

2.2 Архитектура  вычислительных систем

 

Основным отличием ВС от компьютеров является наличие в их структурах нескольких вычислителей (компьютеров или процессоров). Поэтому они способны выполнять параллельные вычисления. Поскольку ВС появились как параллельные системы, то рассмотрим классификацию архитектур c этой точки зрения. Такая классификация архитектур была предложена М. Флинном в начале 60-х годов. В ее основу заложено два возможных вида параллелизма: независимость потоков заданий (команд), существующих в системе, и независимость (несвязанность) данных, обрабатываемых в каждом потоке. Согласно данной классификации существует четыре основных архитектуры ВС:

- одиночный поток команд - одиночный поток данных (ОКОД), в  английской аббревиатуре Single Instruction Single Data, SISD - одиночный поток инструкций - одиночный поток данных;

- одиночный поток команд - множественный поток данных (ОКМД), или Single Instruction Multiple Data, SIMD - одиночный поток инструкций - одиночный поток данных;

- множественный поток  команд - одиночный поток данных (МКОД), или Multiple Instruction Single Data, MISD - множественный поток инструкций - множественный поток данных;

. множественный поток  команд - множественный поток данных (МКМД), или Multiple Instruction Multiple Data, MIMD -множественный поток инструкций - множественный поток данных.

Архитектура ОКОД охватывает все однопроцессорные и одномашинные варианты систем, то есть системы с одним вычислителем. Все ЭВМ классической структуры попадают в этот класс. Здесь параллелизм вычислений обеспечивается путем совмещения выполнения операций отдельными блоками АЛУ, а также параллельной работой устройств ввода-вывода информации и процессора. Закономерности организации вычислительного процесса в этих структурах достаточно хорошо изучены.

Архитектура ОКМД предполагает создание структур векторной или  матричной обработки. Системы этого  типа обычно строятся как однородные: процессорные элементы, входящие в  систему, идентичны, и все они  управляются одной и той же последовательностью команд. Однако каждый процессор обрабатывает свой поток данных. Под эту схему  хорошо подходят задачи обработки матриц или векторов (массивов), задачи решения  систем линейных и нелинейных, алгебраических и дифференциальных уравнений, задачи теории поля и др. В структурах данной архитектуры желательно обеспечивать соединения между процессорами, соответствующие  реализуемым математическим зависимостям. Как правило, эти связи напоминают матрицу, в которой каждый процессорный элемент связан с соседними. Векторный или матричный тип вычислений является необходимым атрибутом любой супер ЭВМ.

 

Заключение

 

       Повышение производительности ВС классической организации сдерживалась ограниченными возможностями элементной базы.

       ЭВМ пятого  поколения предполагает создание  параллельных систем, имеющих отличную  от представленной выше структуру. Основой таких систем является большое количество элементарных процессоров, которые могут работать параллельно в различном сочетании. Подобные структуры получили название потоковых. Такое название связано с наличием потока команд – последовательности команд, выполняемых ВС, и потока данных -  последовательности данных, обрабатываемых под управлением потока команд.

      Отдельные ЭВМ  включаются в ВС без проводов (с помощью радиоволн), что значительно расширило возможности их использования.

         Модели машин пятого поколения  ориентированы на потоковую архитектуру,  на реализацию интеллектуального  человеко-машинного интерфейса, обеспечивающего  не только системное решение  задач, но и способность машины  к логическому мышлению, к самообучению, ассоциативной обработке информации  и получению логических выводов.  Предполагается, что общение человека  с ЭВМ будет осуществляться  на естественном языке, в т.ч.  в речевой форме. 

        Таким  образом, современные тенденции  развития ВС приводит к коренной перестройке технологии производства практически во всех отраслях промышленности, коммерческой и финансово-кредитной деятельности и, как следствие, к повышению производительности и улучшению условий труда людей. Именно поэтому современный специалист должен владеть теоретическими знаниями в области информатики и практическими навыками использования вычислительной техники, систем связи и передачи информации, знать основы новых информационных технологий, уметь оценивать точность и полноту информации, влияющей на принятие управленческих решений.

 
 
Список использованной литературы

 

1. Алексеев А.П. Информатика 2001.- М.: Солон-Р, 2001.

2. Бройдо В. Ильина О. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации, изд. - Питер, 2011.

3. Емельянов С.В Информационные технологии и вычислительные системы. М., 2010.

4. Макарова Н.В. Информатика. – М.: Финансы и статистика, 1997.

5. Мамзелев И.А. Вычислительные системы в технике связи Издательство: Радио и связь, 2007.

6. Острейковский В.А. Информатика: Учебник для вузов. – М.: «Высшая школа», 1999.

7. Паттерсон Д., Хеннесси. Дж. Архитектура компьютера и проектирование компьютерных систем. изд. - Питер. 2012.