Теория вычислительных систем
Теория вычислительных систем — это инженерное направление в науке, которое объединяет методики решения задач проектирования и эксплуатации вычислительной техники.
Введение
Вычислительная техника с момента своего зарождения в середине прошлого века прошла очень непростой, но стремительный и успешный путь, который отмечен периодическими сменами поколений электронных вычислительных машин (ЭВМ). Этот процесс имеет определённый набор закономерностей:
- Вся история развития электронных вычислительных систем отмечена доминированием стандартной структурной организации, то есть структуры фон Неймана, которая основана на методике последовательных вычислений.
- Главным направлением усовершенствования вычислительных систем считается постоянный рост их производительности и интеллектуальных свойств.
- Модификация вычислительных систем выполнялась в комплексном режиме, то есть совершенствовалась элементно-конструкторская база, структурные и аппаратные решения, системный и программный, а также пользовательский и алгоритмический уровни.
- В последнее время стал заметен кризис классических структур вычислительных систем, который связан с тем, что все основные идеи последовательного счёта себя исчерпали. На пределе возможностей находится и микроэлектроника, возможности которой также имеют границы.
Далее непрерывное развитие вычислительного оборудования может быть прямо сопряжено с использованием параллельных вычислений, с реализацией многопроцессорных систем и сетей, которые соединяют значительное число отдельных процессоров и (или) компьютеров. В этом направлении могут появиться просто гигантские возможности по усовершенствованию вычислительных систем. Однако необходимо заметить, что при безусловно заметных достижениях в сфере параллельных вычислительных процессов, пока нет их единой теоретической базы.
Теория вычислительных систем
Сам термин «вычислительная система» возник в шестидесятые годы прошлого века, когда появись компьютеры третьего поколения. Именно в тот период был осуществлён переход к новой элементной базе, а именно, интегральным схемам. Как следствие, появились новые технические решения, такие как, отделение процессов информационной обработки от ввода и вывода данных, общий коллективный доступ с общим использованием доступных вычислительных ресурсов во времени и пространстве. Были разработаны сложные режимы использования ЭВМ, а именно, многопользовательская и многопрограммная обработка.
Отражением этих новшеств и стало появление термина «вычислительная система». У него нет однозначного истолкования в литературе, и часто его даже относят к однопроцессорным компьютерам. Тем не менее, общим здесь может считаться выделение возможности формирования параллельных вычислительных ветвей, чего нет, и не предполагалось в стандартной структурной организации компьютеров.
Вычислительной системой является набор связанных взаимно и взаимодействующих между собой процессоров или компьютеров, набора периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенный для сбора, сохранения, обработки и перераспределения информации. Главным отличием вычислительной системы от компьютера считается присутствие в ней набора вычислителей, которые способны реализовать параллельную обработку. Формирование вычислительной системы имеет следующую совокупность целей:
- Увеличение производительности системы за счёт повышения быстродействия в процессах информационной обработки.
- Увеличение уровня надёжности и достоверности вычислительных процессов.
- Обеспечение пользователей рядом дополнительных сервисных услуг и так далее.
Однако параллельные вычисления способны существенно усложнить управление вычислительными процессами, использованием аппаратного и программного обеспечения. Данные функции возложены на операционную систему вычислительной системы.
Базовые принципы, которые учитываются при реализации вычислительных систем, следующие:
- Возможность использования системы в различных режимах работы.
- Модульная структура аппаратного и программного обеспечения, которая даёт возможность усовершенствования и модернизации вычислительных систем без коренного их переоборудования.
- Применение унификации и стандартизации технических и программных решений.
- Иерархический принцип организации управления процессами.
- Обеспечение способности системы адаптироваться к изменяющимся условиям, способности к самонастройке и самоорганизации.
- Наличие необходимых сервисных возможностей для пользователей при осуществлении вычислений.
На текущий момент имеется уже значительный практический опыт в проектировании и применении вычислительных систем различного использования. Данные системы могут иметь значительные отличия между собой по параметрам и набору возможностей. Отличия начинаются уже на уровне структурной организации.
Структурой вычислительной системы является набор составляющих её компонентов с их связями. Компонентами вычислительной системы могут быть отдельное компьютерное оборудование и процессорные модули. В вычислительных системах, которые относятся к категории больших систем, могут рассматриваться в качестве отдельных структур технические, программные, управленческие и другие структуры.
Известны следующие признаки, по которым может осуществляться классификация вычислительных систем:
- Целевое предназначение и исполняемые функции.
- Количество компьютерного оборудования или процессорных модулей.
- Архитектурная организация системы.
- Совокупность режимов работы.
- Методика управления компонентами системы.
- Уровень разобщённости компонентов вычислительной системы и другие признаки.
Но главными из них считаются признаки структурной и функциональной организации вычислительной системы.
Основы теории вычислительных систем Конспект лекций
Теория вычислительных систем (ВС) рассматривает методы построения и эксплуатации ВС. Под термином «ВС» понимается как ВС, так и информационная система, так и управляющая система.
Под средствами вычислительной техники могут пониматься вычислительные машины, вычислительные комплексы, многопроцессорные вычислительные комплексы, построенные на базе нескольких процессоров, либо объединение ВС в сети.
Основной компонент построения ВС и основным элементом анализа теории ВС является система обработки данных (СОД)
СОД – совокупность аппаратных и программных средств, предназначенных для информационного обслуживания пользователей. В качестве пользователя может выступать как одушевленный предмет, так и неодушевленный (техническая система).
Для того, чтобы создать некоторую ВС, ядром которой будет СОД, необходимо провести адаптацию СОД для выполнения определенного круга задач.
Проблема адаптации является одной из ключевых в построении ВС.
- адаптация систем, построенных на универсальных вычислительных средствах с применением прикладного ПО;
- адаптация систем, построенных на универсальных вычислительных средствах с применением специализированного ПО.
Характерной чертой теории ВС является представление системы, как совокупности ее составляющих частей с тесной взаимосвязью между собой и внешней средой. Поведение этой системы обуславливается взаимодействием всех свойств системы (производительность, надежность, стоимость).
Вторая существенная особенность – рассматривается технические и программные средства, как единое целое. При таком подходе глубина рассмотрения составных элементов системы должна быть ограниченной. Это позволяет сделать системно-технический подход используемым для построения теории ВС.
Первый раздел изучает архитектуру, как общую, логическую организацию системы. Логическая организация определяет методы и режимы обработки данных, а также протоколы взаимодействия аппаратных и программных средств. Исследования в этой области направлены на выявление способов построения систем с заданными свойствами.
Метрическая теории направлена на количественную оценку показателей, характеризующих организацию и функционирование системы. Здесь исследуется влияние организации системы на ее характеристики. В рамках этой же теории может решаться вопрос о выборе оптимальных характерных устройств, входящих в состав системы.