Вычислительная система это в информатике кратко

Обновлено: 02.07.2024

Классификация вычислительных систем и принципы их построения

Вычислительная система – это совокупность программного обеспечения и аппаратных средств вычислительной техники, которая предназначена для обработки данных.

Первые вычислительные системы создавались для того, чтобы увеличить уровень надежности и быстродействие посредством параллельного выполнения операций вычисления. Время, за которое распространяется сигнал между составляющими вычислительной системы может быть значительно выше, чем время переключения электронных схем. Параллелизм выполнения операций системой увеличивает надежность, при отказе какого-либо элемента системы его функции может выполнять другой элемент, а также достоверность ее функционирования, если операции будут дублировать друг друга, то результаты их выполнения будут сравниваться и мажоритироваться. Разработка вычислительной системы опирается на следующие принципы:

Обеспечение требуемого сервиса при выполнении вычислений.
Возможность работы в различных режимах.
Способность вычислительной системы к самоорганизации, самонастройки и адаптации.
Строгая иерархия в организации управления процессами.
Стандартизация и унификация программных и технических решений.
Модульность структуры программных и технических средств, способствующая совершенствованию и модернизации системы без коренных переделок.

Сейчас уже накоплен большой опыт в эксплуатации и разработке вычислительных систем, которые существенно отличаются друг от друга, что уже заметно на уровне структуры. Структура вычислительной системы представляет собой совокупность элементы и связи между ними. В качестве составляющих вычислительной системы выступают отдельные электронно-вычислительные машины и процессоры. В система, которые относятся к классу больших систем, возможно рассматривать структуры программных и технических средств, структуры управления и т. п. Современные вычислительные системы классифицируются по нескольким признакам:

Готовые работы на аналогичную тему

Назначение. Согласно данному признаку вычислительные системы делятся на специализированные и универсальные. Специализированные системы ориентированы на решение узкого класса задач, а универсальные на задачи широкого спектра.
Тип построения. Согласно данному признаку вычислительные системы делятся на многомашинные, которые строятся на базе нескольких компьютеров, и многопроцессорные, строящиеся на базе нескольких процессоров.
Тип процессоров или электронно-вычислительных машин. Согласно данному признаку вычислительные системы делятся на однородные и неоднородные. Однородная система строится на базе однотипных процессоров и компьютеров, а неоднородные на различных типов.
Метод управления элементами вычислительной системы. Согласно данному признаку вычислительные системы делятся на децентрализованные (функции управления разделены между элементами), централизованные (управление осуществляется центральным процессором или машиной), а также системы со смешанным управлением.
Принцип закрепления вычислительных функций. Согласно данному признаку вычислительные системы делятся на системы с жестким и плавающим закреплением.
Режим работы. Согласно данному признаку вычислительные системы делятся на системы, которые работают в неоперативном или оперативном режимах.
Степень территориальной разобщенности модулей системы. Согласно данному признаку вычислительные системы делятся на иерархические, структурно-одноуровневые, распределенные и территориально-сосредоточенные.

Архитектура вычислительной системы

Архитектура вычислительной системы – это совокупность параметров и характеристик, которые определяют структурную и функционально-логическую организацию вычислительной системы.

Согласно классификации Флинна, которая основана на независимости потока команд и независимости данных, обрабатываемых в каждом потоке, выделяют четыре основных типа архитектуры вычислительной системы:

Операционная система - программа, которая обеспечивает возможность рационального использования оборудования компьютером для пользования.

Структура вычислительной системы.

Вычислительная система (ВС) - взаимосвязанная совокупность аппаратных средств вычислительной техники и программного обеспечения, предназначенная для обработки информации.

1. техническое обеспечение (Hardware): память, процессор, монитор, диски, устройства, объединяющее магистральные соединения – шина.

2. программное обеспечение, которое делится следующим образом:

Слои ПО в компьютерной среде:

Любой из компонентов прикладного ПО обязательно работает под управлением ОС.

Операционная система (ОС) - комплекс системных и управляющих программ, предназначенных для наиболее эффективного использования всех ресурсов вычислительной системы и удобства работы с ней.

Под утилитами понимают специальные системные программы, с помощью которых можно обслуживать ОС, выполнять обработку данных, выполнять оптимизацию данных на носителе и т.д.

К утилитам относятся программа разбиения магнитных дисков на носители, программа форматирования, программа переноса основных системных данных. Утилиты могут работать только в соответствующей ОС.

Когда включается компьютер, одновременно с аппаратными компонентами начинает работать специальная программа, которая называется операционная система.

· Базовая система ввода-вывода;

· Утилиты и драйверы.

Операционная система исполняет роль своеобразного интерфейса. между пользователем и ВС, т.е. ОС предоставляет пользователю виртуальную ВС.

Интерфейс - совокупность аппаратуры и программных средств, необходимых для подключения периферийных устройств к ПЭВМ.

Различают следующие виды интерфейса:

Интерфейс пользователя – интерфейс между пользователем и программно-аппаратными средствами компьютера.
Аппаратно-программный интерфейс – интерфейс между программным и аппаратным обеспечением.
Программный интерфейс – интерфейс между разными видами программного обеспечения.

Это означает, что ОС в значительной степени формирует у пользователя представление о возможностях ВС, удобстве работы с ней, ее пропускной способности. Различные ОС на одних и тех же технических средствах могут предоставить пользователю различные возможности для организации вычислительного процесса или автоматизированной обработки данных.

В программном обеспечении ВС операционная система занимает основное положение, поскольку осуществляет планирование и контроль всего вычислительного процесса. Любой из компонентов программного обеспечения обязательно работает под управлением ОС.

В соответствии с условиями применения различают три режима ОС: пакетной обработки, разделения времени и реального времени.

В режиме пакетной обработки ОС последовательно выполняет собранные в пакет задания. В этом режиме пользователь не имеет контакта с ЭВМ, получая лишь результаты вычислений.

В режиме разделения времени ОС одновременно выполняет несколько задач, допуская обращение каждого пользователя к ЭВМ.

В режиме реального времени ОС обеспечивает управление объектами в соответствии с принимаемыми входными сигналами. Время отклика ЭВМ с ОС реального времени на возмущающее воздействие должно быть минимальным.

Определения операционной системы

Структура вычислительной системы.

2. программное обеспечение, которое делится следующим образом:

Слои ПО в компьютерной среде:

Любой из компонентов прикладного ПО обязательно работает под управлением ОС.

· Базовая система ввода-вывода;

· Утилиты и драйверы.

Различают следующие виды интерфейса:

Интерфейс пользователя – интерфейс между пользователем и программно-аппаратными средствами компьютера.
Аппаратно-программный интерфейс – интерфейс между программным и аппаратным обеспечением.
Программный интерфейс – интерфейс между разными видами программного обеспечения.

Понятие вычислительной системыПонятие вычислительной системыПонятие вычислительной системыПонятие вычислительной системыПонятие вычислительной системыПонятие вычислительной системыПонятие вычислительной системыПонятие вычислительной системыПонятие вычислительной системыПонятие вычислительной системыПонятие вычислительной системыПонятие вычислительной системы

Понятие вычислительной системы. Классификация и архитектура вычислительных систем.

Понятие вычислительной системы

В связи с кризисом классической структуры ЭВМ дальнейшее поступательное развитие вычислительной техники напрямую связано с переходом к параллельным вычислениям, с идеями построения многопроцессорных систем и сетей, появляются огромные возможности совершенствования средств вычислительной техники.

Термин вычислительная система появился в начале – середине 60-х гг. при появлении ЭВМ III поколения.

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.

Под вычислительной системой (ВС) понимают совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенную для сбора, хранения, обработки и распределения информации. 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.

Параллелизм в вычислениях усложняет управление вычислительным процессом, использование технических и программных ресурсов. Эти функции выполняет операционная система .

предпосылками появления и развития вычислительных систем служат экономические факторы. Построение же вычислительных систем позволяет существенно сократить затраты.

Классификация вычислительных систем

По назначению вычислительные системы делят на универсальные и специализированные. Специализированные системы ориентированы на решение узкого класса задач.

По типу вычислительные системы различаются на многомашинные и многопроцессорные ВС. Основные отличия ММС заключаются в организации связей и обмена информацией между ЭВМ комплекса. Каждая из них сохраняет возможность автономной работы и управляется собственной ОС. Любая другая подключаемая к ней ЭВМ рассматривается как периферийное специальное устройство.

Многопроцессорные системы (МПС) строятся при комплексировании нескольких процессоров. В качестве общего ресурса они имеют общую оперативную память (ООП). Параллельная работа процессоров с ООП обеспечивается под управлением единой общей операционной системы. достигается наивысшая оперативность взаимодействия процессоров-вычислителей. Многие исследователи считают, что использование МПС является основным магистральным путем развития вычислительной техники новых поколений.

Однако МПС имеют и существенные недостатки. Они, в первую очередь, связаны с использованием ресурсов общей оперативной памяти. При большом количестве комплексируемых процессоров возможно возникновение конфликтных ситуаций, в которых несколько процессоров обращаются с операциями типа ”чтение” и ”запись” к одним и тем же ячейкам памяти. Помимо процессоров к ООП подключаются все процессоры ввода-вывода, средства измерения времени и т.д.

По типу ЭВМ или процессоров, используемых для построения ВС, различают однородные и неоднородные системы. Однородные системы предполагают комплексирование однотипных ЭВМ (процессоров), неоднородные - разнотипных. В однородных системах значительно упрощается разработка и обслуживание технических и программных (в основном ОС) средств

По степени территориальной разобщенности вычислительных модулей ВС делятся на системы совмещенного (сосредоточенного) и распределенного (разобщенного) типов. Обычно такое деление касается только ММС.

По методам управления элементами ВС различают централизованные, децентрализованные и со смешанным управлением. Ее задачей является распределение нагрузки между элементами, выделение ресурсов, контроль состояния ресурсов, координация взаимодействия.

Централизованные системы имеют более простые ОС. В децентрализованных системах функции управления распределены между ее элементами

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.

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

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

Архитектура вычислительных систем

Классификация архитектур была предложена Флинном (M.Flynn) 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. существует четыре основных архитектуры ВС:

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

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

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

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

Архитектура ОКОД охватывает все однопроцессорные и одномашинные варианты систем, то есть с одним вычислителем. Все ЭВМ классической структуры попадают в этот класс. Здесь параллелизм вычислений обеспечивается путем совмещения выполнения операций отдельными блоками АЛУ, а также параллельная работа устройств ввода-вывода информации и процессора.

Архитектура ОКМД предполагает создание структур векторной или матричной обработки. Системы этого типа обычно строятся как однородные, то есть 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.

Архитектура МКОД предполагает построение своеобразного процессорного конвейера, в котором результаты обработки передаются от одного процессора к другому по цепочке

Архитектура МКМД предполагает, что все процессоры системы работают по своим программам с собственным потоком команд. В простейшем случае они могут быть автономны и независимы. Такая схема использования ВС для увеличения пропускной способности центра.

МКМД−структуры, в которых каждый вычислитель (ЭВМ или процессор) выполняет часть общей задачи. Не случайно, что после разочарований в структурах суперЭВМ, основанных на различном сочетании векторной и конвейерной обработки, усилия теоретиков и практиков обращены в этом направлении.

Уже из названия МКМД структур видно, что в данных системах можно найти все перечисленные виды параллелизма. Этот класс дает большое разнообразие структур, сильно отличающихся друг от друга своими характеристиками.

Важную роль здесь играют способы взаимодействия ЭВМ или процессоров в системе.

На общей шине оперативной памяти можно комплексировать от четырех до десяти микропроцессоров.

Слабосвязанные МКМД - системы могут строиться как многомашинные комплексы или использовать в качестве средств передачи информации общее поле внешней памяти на дисковых накопителях большой емкости.

Успехи микроинтегральной технологии и появление БИС и СБИС позволяют расширить границы и этого направления. Возможно построение систем с десятками, сотнями и даже тысячами процессорных элементов, с размещением

Передача данных в МРР – системах предполагает обмен не отдельными данными под централизованным управлением, а подготовленными процессами (программами вместе с данными).

Вычислительные системы, как мощные средства обработки заданий пользователей, широко используются не только автономно, но и в сетях ЭВМ в качестве серверов.

Одним из перспективных направлений здесь является кластеризация, то есть технология, с помощью которой несколько серверов, сами являющиеся вычислительными системами, объединяются в единую систему более высокого ранга для повышения эффективности функционирования системы в целом.

Целями построения кластеров могут служить:

• улучшение масштабируемости (способность к наращиванию мощности);

• повышение надежности и готовности системы в целом;

• увеличение суммарной производительности;

• эффективное перераспределение нагрузок между компьютерами кластера;

• эффективное управление и контроль работы системы и т.п.

Улучшение масштабируемости или способности к наращиванию мощности предусматривает, что все элементы кластера имеют аппаратную, программную и информационную совместимость

Масштабируемость SMP- и MPP-структур достаточна ограничена.

При большом числе процессоров в SMP-структурах возрастает число конфликтов при обращении к общей памяти, а в MPP-структурах плохо решаются задачи преобразования и разбиения приложений на отдельные задания процессорам. В кластерах же администраторы сетей получают возможность увеличивать пропускную способность сети за счет включения в него дополнительных серверов, даже уже из числа работающих, с учетом того, что балансировка и оптимизация нагрузки будут выполняться автоматически.

Следующей важной целью создания кластера является повышение надежности и готовности системы в целом. Основой этого служит возможность каждого сервера кластера работать автономно, но в любой момент он может переключиться на выполнение работ другого сервера в случае его отказа.

Вычислительная система – это конкретный набор взаимодействующих между собой устройств и программ (программно-аппаратный комплекс), предназначенный для обслуживания одного рабочего места.

Структуру ВС можно представить в виде пирамиды:

Прикладное программное обеспечение

Системное программное обеспечение

Управление логическими устройствами

Управление физическими устройствами

Аппаратные средства включают в себя физические устройства (состав оборудования), участвующие в автоматизированной обработке информации пользователя.

Управление физическими устройствами осуществляется программами, взаимодействующими с аппаратными структурами.

Управление логическими устройствами осуществляют программы, ориентированные на пользователя и не зависящие от физических устройств. На базе этого уровня могут создаваться новые логические ресурсы. Например, на одном жестком диске может быть создано несколько логических дисков, работа с которыми, с точки зрения пользователя, ничем не отличается от работы с несколькими физическими дисками.

Системное программное обеспечение – это комплекс программ, предназначенных для обеспечения работы компьютеров и сетей ЭВМ.

Прикладное программное обеспечение – это комплекс взаимосвязанных программ для решения задач определенного класса конкретной предметной области.

Программное управление распределением сигналов осуществляется автоматически.

Управление распределением сигналов может производиться вручную с помощью внешних органов управления – кнопок, переключателей и т. п. В современных компьютерах внешнее управление в значительной степени автоматизировано благодаря использованию специальных аппаратно-логических интерфейсов, к которым подключаются внешние устройства управления и ввода данных: мышь, джойстик, клавиатура и др. Такое управление называют интерактивным.

Конфигурацией вычислительной системы называют ее состав, включающий аппаратные и программные средства, которые принято рассматривать отдельно. Принцип разделения вычислительной системы на аппаратную и программную конфигурацию имеет для информатики особое значение, так как очень часто решение одной и той же задачи может обеспечиваться как аппаратными, так и программными средствами. Критерием выбора при этом являются производительность и эффективность. Однако нельзя забывать, что такое разделение является условным, поскольку программное и аппаратное обеспечение работают в компьютере в неразрывной связи и в непрерывном взаимодействии.

Аппаратную конфигурацию вычислительной системы образует совокупность оборудования, подключенного к компьютеру. Современные компьютеры и вычислительные комплексы имеют блочно-модульную конструкцию (аппаратную конфигурацию), которую можно собирать из готовых узлов и блоков.

Программной конфигурацией вычислительной системы называют совокупность программ, установленных на компьютере. Программы для ЭВМ— это форма представления данных и команд, предназначенных для получения определенных результатов. Работа компьютерных программ имеет многоуровневый характер.

На каждом рабочем месте программно-аппаратная конфигурация создается такой, чтобы наиболее эффективно решать конкретные практические задачи. Разные компьютеры могут быть близкими по своей архитектуре и функциональному назначению, но иметь разную программно-аппаратную конфигурацию.

Наряду с аппаратным и программным обеспечением в вычислительных системах в некоторых случаях рассматривают информационное и математическое обеспечение.

Под информационным обеспечением понимают совокупность программ и предварительно подготовленных данных для работы этих программ. Например, в текстовом редакторе для работы системы автоматической проверки орфографии, кроме аппаратного и программного обеспечения, необходимо иметь специальные наборы словарей, содержащие заранее заготовленный эталонный массив данных.

Принцип работы вычислительной системы

Основными элементами современных ЭВМ являются цифровые устройства. Вычислительные машины были сконструированы с использованием реле. Работу таких элементов удобно описывать с помощью двоичной системы счисления и алгебры логики.

Все цифровые устройства делятся на два класса: комбинационные ЦУ и последовательностные ЦУ (или цифровые автоматы).

В комбинационных цифровых устройствах выходной сигнал в каждый момент времени зависит только от сочетания (комбинации) входных сигналов.

К таким ЦУ относятся: шифраторы, дешифраторы, мультиплексоры, демультиплексоры, преобразователи кодов, сумматоры, арифметико-логические устройства, логические элементы (И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, Исключающее ИЛИ и др.).

Состояние последовательностных ЦУ зависит не только от входных сигналов, но и от предшествующего состояния ЦУ.

Эти элементы обладают памятью.

К последовательностным цифровым устройствам относятся триггеры, счетчики, регистры.

Важной составной частью архитектуры ЭВМ является система команд.

Система команд любой ЭВМ обязательно содержит следующие группы команд обработки информации:

1. Команды передачи данных, копирующие информацию из одного места в другое.

2. Арифметические операции. К основным арифметическим действиям обычно относятся сложение и вычитание (вычитание в конечном счете чаще всего тем или иным способом также сводится к сложению). Умножение и деление во многих ЭВМ выполняются по специальным программам.

3. Логические операции, позволяющие компьютеру анализировать обрабатываемую информацию: сравнение, а также известные логические операции И, ИЛИ, НЕ (инверсия). Кроме того, к ним часто добавляются анализ отдельных битов кода, их сброс и установка.

4. Сдвиги двоичного кода влево и вправо. Для доказательства важности этой группы команд достаточно вспомнить правило умножения столбиком: каждое последующее произведение записывается в такой схеме со сдвигом на одну цифру влево. В некоторых частных случаях умножение и деление вообще может быть заменено сдвигом (вспомните, что, дописав или убрав ноль справа, то есть, фактически осуществляя сдвиг десятичного числа, можно увеличить или уменьшить его в 10 раз).

Читайте также: