Вычислительная система. Классификация вычислительных систем

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.