Вычислительные системы

СОДЕРЖАНИЕ

Введение…………………………………………………………………….3

1. Вычислительные системы………………………………………………4

2. Отличительные особенности и принципы построения вычислительных систем…………………………………………………...6

Заключение………………………………………………………………..13

Литература…………………………………………………………...........15

ВВЕДЕНИЕ

Под вычислительной (компьютерной) системой (ВС) понимают совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенную для сбора, хранения, обработки и распределения информации. Отличительной особенностью ВС по отношению к ЭВМ является наличие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку. 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.

Основные принципы построения, закладываемые при создании ВС: возможность работы в разных режимах; модульность структуры технических и программных средств, которая 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.

Существует большое количество признаков, по которым классифицируют вычислительные системы: по целевому назначению и выполняемым функциям, по типам  и числу ЭВМ или процессоров, по архитектуре системы, режимам  работы, методам управления элементами системы, степени разобщенности  элементов вычислительной системы  и др. Однако основными из них  являются признаки структурной и функциональной организации вычислительной системы.

1. Вычислительные системы

Понятие «вычислительная  система» (ВС) появилось позже понятия  «вычислительная машина» и является более общим, т. к. в структуре  ВС есть нескольких равноправных и  взаимодействующих обрабатывающих устройств. Таким образом, классическая вычислительная машина представляет собой  всего лишь один из возможных видов  ВС – однопроцессорную ВС.

ВС – это комплекс технических  средств, имеющих общее управление, предназначенный для преобразования информации и обеспечивающий автоматическую обработку данных по заданной программе¹.

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  смешивать².

2. Отличительные особенности и принципы построения вычислительных систем

Как уже говорилось ранее  Термин «вычислительная система» появился в начале – середине 60-х годов  с появлением ЭВМ третьего поколения. Это время знаменовалось переходом  на новую элементную базу – интегральные схемы³.

Следствием этого явилось  появление новых решений, как  в структуре используемых вычислительных средств, так и в методах управления ими. Отражая эти новшества, и  появился термин «вычислительная система». Он не имеет единого толкования в  литературе, его часто даже используют применительно к однопроцессорным компьютерам. Однако общим здесь  является подчеркивание возможности  построения параллельных ветвей в вычислениях, что не предусматривалось классической структурой ЭВМ. Под вычислительной системой (ВС) будем понимать совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих  процессоров или ЭВМ, периферийного  оборудования и программного обеспечения, предназначенную для сбора, хранения, обработки и распределения информации. Отличительной особенностью ВС по отношению  к ЭВМ является наличие в них  нескольких вычислителей, реализующих  параллельную обработку. 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.

Самыми важными предпосылками  появления и развития вычислительных систем служат экономические факторы. Анализ характеристик ЭВМ различных  поколений показал, что в пределах интервала времени, характеризующегося относительной стабильностью элементной базы, связь стоимости и производительности ЭВМ выражается квадратичной зависимостью. Для каждого поколения ЭВМ  и ВС существует критический порог  сложности решаемых задач Пкр, после которого применение автономных ЭВМ становится экономически невыгодным, неэффективным.

Критический порог определяется точкой пересечения двух приведенных  зависимостей. Кроме выигрыша в стоимости  следует учитывать и дополнительные преимущества. 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.

В настоящее время накоплен большой практический опыт в разработке и использовании ВС самого разнообразного применения. Эти системы очень  сильно отличаются друг от друга своими возможностями и характеристиками. Различия наблюдаются уже на уровне структуры. Существует большое количество признаков, по которым классифицируют вычислительные системы: по целевому назначению и выполняемым функциям, по типам  и числу ЭВМ или процессоров, по архитектуре системы, режимам  работы, методам управления элементами системы, степени разобщенности  элементов вычислительной системы  и др. Однако основными из них  являются признаки структурной и  функциональной организации вычислительной системы.

По назначению вычислительные системы делят на универсальные и специализированные. Универсальные ВС предназначаются для решения самых различных задач. Специализированные системы ориентированы на решение узкого класса задач⁴.

По типу вычислительные системы  разделяются на многомашинные и  многопроцессорные ВС. Многомашинные  вычислительные системы (ММС) появились  исторически первыми. Основные различия ММС заключаются, как правило, в  организации связи и обмене информацией  между ЭВМ комплекса. Каждая из них  сохраняет возможность автономной работы и управляется собственной  ОС. Любая другая подключаемая ЭВМ  комплекса рассматривается как  периферийное специальное оборудование. В зависимости от территориальной  разобщенности ЭВМ и используемых средств сопряжения обеспечивается различная оперативность их информационного  взаимодействия Многопроцессорные  системы (МПС) строятся при объединении  нескольких процессоров. В качестве единого ресурса они имеют  оперативную память (ООП). Параллельная работа процессоров и использование  ООП обеспечивается под управлением  единой операционной системы. По сравнению  с ММС здесь достигается наивысшая  оперативность взаимодействия вычислителей-процессоров. Многие исследователи считают, что  использование МПС является основным магистральным путем развития вычислительной техники новых поколений⁵.

Однако МПС имеет и  существенные недостатки. Они, в первую очередь, связаны с ресурсами  ООП. При большом количестве комплексируемых процессоров возможно возникновение конфликтных ситуаций, когда несколько процессоров обращаются с операциями типа «чтение» и «запись» к одним и тем же областям памяти. Помимо процессоров к ООП также подключаются все каналы (процессоры ввода-вывода), средства измерения времени и т.д. Поэтому вторым серьезным недостатком МПС является проблема коммутации абонентов и доступа их к ООП. От того, насколько удачно решаются эти проблемы, и зависит эффективность применения МПС. Это решение должно обеспечиваться аппаратурно-программными средствами. Процедуры взаимодействия очень усложняют структуру ОС МПС. Накопленный опыт построения подобных систем показал, что они эффективны при небольшом числе комплексируемых процессоров.

По типу ЭВМ или процессоров, используемых для построения ВС, различают  однородные и неоднородные системы. Однородные системы предполагают объединение однотипных ЭВМ (процессоров), неоднородные – разнотипных. 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.

По степени территориальной  разобщенности вычислительных модулей  ВС делятся на системы совмещенного (сосредоточенного) и распределенного (разобщенного) типов. Обычно такое  деление касается только ММС. Многопроцессорные  системы относятся к системам совмещенного типа. Более того, учитывая успехи микроэлектроники, это совмещение может быть очень глубоким. При  появлении новых СБИС появляется возможность иметь в одном  кристалле несколько параллельно  работающих процессоров.

По методам управления элементами ВС различают централизованные, децентрализованные и со смешанным управлением. Помимо параллельных вычислений, производимых элементами системы, необходимо выделять ресурсы на обеспечение управления этими вычислениями. В централизованных ВС за это отвечает главная, или диспетчерская ЭВМ (процессор). Ее задачей является распределение нагрузки между элементами, выделение ресурсов, контроль состояния ресурсов, координация взаимодействия. Централизованный орган управления в системе может быть жестко фиксирован или эти функции могут передаваться другой ЭВМ (процессору), что способствует повышению надежности системы. Централизованные системы имеют более простые ОС. В децентрализованных системах функции управления распределены между ее элементами. Каждая ЭВМ (процессор) системы сохраняет известную автономию, а необходимое взаимодействие между элементами устанавливается по специальным наборам сигналов. С развитием ВС и, в частности, сетей ЭВМ, интерес к децентрализованным системам постоянно растет. В системах со смешанным управлением совмещаются процедуры централизованного и децентрализованного управления. Перераспределение функций осуществляется в ходе вычислительного процесса, исходя из сложившейся ситуации.

По принципу закрепления  вычислительных функций за отдельными ЭВМ (процессорами) различают системы  с жестким и плавающим закреплением функций. В зависимости от типа ВС следует решать задачи статического или динамического размещения программных модулей и массивов данных, обеспечивая необходимую гибкость системы и надежность ее функционирования.

По режиму работы ВС различают  системы, работающие в оперативном и неоперативном временных режимах. Первые, как правило, используют режим реального времени. Этот режим характеризуется жесткими ограничениями на время решения задач в системе и предполагает высокую степень автоматизации процедур ввода-вывода и обработки данных⁶.

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:

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

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

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

4. 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 изучены⁷.

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 суперЭВМ⁸.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Вычислительные системы, как мощные средства обработки заданий  пользователей, широко используются не только автономно, но и в сетях  ЭВМ в качестве серверов. С увеличением  размеров сетей и их развитием  возрастают плотности информационных потоков, нагрузка на средства доступа  к сетевым ресурсам и на средства обработки заданий. Круг задач, решаемый серверами, постоянно расширяется, становится многообразным и сложным. Чем выше ранг сети, тем более  специализированными они становятся. Администраторы сетей должны постоянно  наращивать их мощь и количество, оптимизируя  характеристики сети под возрастающие запросы пользователей.

Управление вычислительными  процессами в ВС осуществляют операционные системы, которые являются частью общего программного обеспечения. В состав ОС включают как программы централизованного  управления ресурсами системы, так  и программы автономного использования  вычислительных модулей. Последнее  условие необходимо, поскольку в  ВС обычно предусматривается более  высокая надежность функционирования, например требование сохранения работоспособности  при наличии в ней хотя бы одного исправного модуля. Требование увеличения производительности также предполагает возможность параллельной и даже автономной работы модулей при обработке  отдельных заданий или пакетов  заданий. В зависимости от структурной  организации ВС можно выявить  некоторые особенности построения их операционных систем. Операционные системы многомашинных ВС являются более простыми. Обычно они создаются  как надстройка автономных ОС отдельных  ЭВМ, поскольку здесь каждая ЭВМ  имеет большую автономию в  использовании ресурсов (своя оперативная  и внешняя память, свой обособленный состав внешних устройств и т.д.). В них широко используются программные  методы локального (в пределах вычислительного центра) и дистанционного (сетевая обработка) комплексирования.

Общим для построения ОС многомашинных комплексов служит тот  факт, что для каждой машины ВС другие машины играют роль некоторых внешних  устройств, и их взаимодействие осуществляется по интерфейсам, имеющим унифицированное  программное обеспечение. Все обмены данными между ЭВМ должны предусматриваться  пользователями путем включения  в программы специальных операторов распараллеливания вычислений. По этим обращениям ОС ВС включает особые программы  управления обменом. При этом ОС должна обеспечивать распределение и последующую  пересылку заданий или их частей, оформляя их в виде самостоятельных  заданий. Такие ОС, организуя обмен, должны формировать и устанавливать  связи, контролировать процессы обмена, строить очереди запросов, решать конфликтные ситуации.

В многомашинных ВС диспетчерские  функции могут решаться на централизованной или децентрализованной основе. Связь  машин обычно устанавливается в  порядке подчиненности: «главная ЭВМ - вспомогательная ЭВМ».

ЛИТЕРАТУРА

1. Бройдо В. Ильина О. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации, изд. – Питер, 2011.
2. Емельянов С.В Информационные технологии и вычислительные системы. М., 2010.
3. Таненбаум Э. Современные операционные системы, изд. – Питер, 2011.
4. Чекмарев Ю.В. Вычислительные системы, сети и коммуникации, Издательство: ДМК-Пресс, 2009.

¹ Емельянов С.В Информационные технологии и вычислительные системы. М., 2010

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

³ Чекмарев Ю.В. Вычислительные системы, сети и коммуникации, Издательство: ДМК-Пресс, 2009

⁴ Таненбаум Э. Современные операционные системы, изд. – Питер, 2011

⁵ Емельянов С.В Информационные технологии и вычислительные системы. М., 2010

⁶ Бройдо В. Ильина О. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации, изд. – Питер, 2011

⁷ Чекмарев Ю.В. Вычислительные системы, сети и коммуникации, Издательство: ДМК-Пресс, 2009

⁸ Емельянов С.В Информационные технологии и вычислительные системы. М., 2010