1. 1.Информационные системы и их классификация.

Под информационной системой (ИС) понимают систему, организующую, храня­щую и преобразующую информацию, то есть систему, основным предметом и про­дуктом труда в которой является информация. Как уже отмечалось выше, боль­шинство современных ИС преобразуют не информацию, а данные. Поэтому часто их называют системами обработки данных. Систему обработки данных (СОД) можно определить как комплекс взаимосвязанных методов и средств преобразо­вания данных, необходимых пользователю.

По степени механизации процедур преобразования информации СОД делятся на следующие:

-системы ручной обработки (СРОД);

-механизированные (МСОД);

-автоматизированные (АСОД);

-системы автоматической обработки данных (САОД).

В СРОД все процедуры преобразования данных выполняются вручную челове­ком, без применения каких-либо технических средств. В МСОД люди для выпол­нения некоторых процедур преобразования данных используют технические сред­ства. В АСОД некоторые (но не все) совокупности процедур преобразования данных выполняются без участия человека, причем механизируются не только отдельные процедуры преобразования данных, но и переходы от предыдущей про­цедуры к последующей — в этом качественное отличие автоматизации от меха­низации (при механизации переходы между процедурами выполняются вручную). В САОД все процедуры преобразования данных и переходы между ними выпол­няются автоматически, человек как звено управления отсутствует. В САОД чело­век может выполнять лишь функции внешнего наблюдения за работой системы. Из всех вышеперечисленных типов СОД наиболее эффективными в большинстве сложных систем управления являются АСОД, включающие в свой состав компью­теры. В управлении сложными системами главная роль принадлежит человеку; технические средства являются его помощниками. Компьютер, например сам по себе далеко не всемогущ: он действует по алгоритмам и программам, составленным для него человеком, а эти программы часто далеко не идеаль­ны. Важнейшими принципами построения эффективных АСОД являются: Q принцип интеграции, заключающийся в том, что обрабатываемые данные, од­нажды введенные в АСОД, многократно используются для решения возможно большего числа задач, чем максимально устраняется дублирование данных и операций их преобразования;

• принцип системности, заключающийся в обработке данных в различных разре­зах, чтобы получить информацию необходимую для принятия решений на всех уровнях и во всех функциональных подсистемах управления;

• принцип комплексности, подразумевающий механизацию и автоматизацию про­цедур преобразования данных на всех стадиях техпроцесса АСОД.

Развитые АСОД, имеющие специальное программное обеспечение для анализа семантики информации и гибкой логической ее структуризации, часто называют системами обработки знаний (СОЗ).

Высшее развитие информационные технологии получают в экспертных системах, использующих базы знаний и СОЗ с целью оптимизации потоков информации, поиска, оценки и выбора лучшего управленческого решения по заданным крите­риям, разработки рекомендаций по выбранным решениям. ИС можно также классифицировать и по другим признакам: функциональному назначению: производственные ИС, коммерческие ИС, фи­нансовые ИС, маркетинговые ИС и т. д.;объектам управления: ИС автоматизированного проектирования, ИС управле­ния технологическими процессами, ИС управления предприятием и т. п. (корпоративные ИС предназначе­ны для автоматизации всех функций управления фирмой: от научно-техничес­кой и маркетинговой подготовки ее деятельности до реализации ее продукции и услуг); По характеру использования результатной информации:

• информационно-поисковые, предназначенные для сбора, хранения и выдачи информации по запросу пользователя;

• информационно-советующие, предлагающие пользователю определенные ре­комендации для принятия решений (системы поддержки принятия реше­ний);

• информационно-управляющие, результатная информация которых непосред­ственно участвует в формировании управляющих воздействий.

2.Функциональная и структурная организация информационных систем.

Информация непосредственно и неразрывно связана с процессом управления. Самое общее кибернетическое определение управления гласит: управление есть процесс целенаправленной переработки информации.

Управление определяется как функция системы, обеспечивающая либо сохране­ние совокупности ее основных свойств, либо ее развитие в заданном направлении. И в том и в другом случае управление осуществляется для достижения определен­ной цели, вполне конкретной для каждого конкретного объекта управления и свя­занной с состояниями объекта и среды, в которой он находится. Критерием опти­мальности управления, показывающим степень достижения поставленной цели, является целевая функция управления.

Целевая функция управления — это некоторая количественно измеряемая величи­на, являющаяся функцией входных и выходных переменных, параметров объекта управления и времени.

Никакая сколько-нибудь значимая современная ИС не может эффективно выпол­нять свои функции без вычислительных машин. Поэтому практически все ИС являются одновременно и информационно-вычислительными (ИВС). Анализ со­держания и систематизация функций ИВС, управляющей крупным объектом позволили выделить и определить следующие обобщенные функции:

-вычислительную — своевременно и качественно выполнять обработку инфор­мации во всех интересующих систему управления аспектах;

-коммуникационную — обеспечивать оперативную передачу информации в за­данные пункты;

-информирующую — обеспечить быстрый доступ, поиск и выдачу необходимой информации всех видов (научной, экономической, финансовой, технической и т. п.);

-запоминающую — выполнять непрерывное накопление, систематизацию, хра­нение и обновление всей необходимой информации;

-следящую — отслеживать и формировать всю необходимую для управления внешнюю и внутреннюю информацию;

-регулирующую — осуществлять информационно-управляющие воздействия на объект управления при отклонении параметров его функционирования от за­данных (запланированных) значений;

-оптимизирующую — обеспечивать оптимальные плановые расчеты и перерасче­ты по мере изменения целей, критериев и условий функционирования объекта;

-самоорганизующуюся — гибко изменять структуру и параметры ИВС для до­стижения вновь поставленных целей.

-самосовершенствующуюся — накапливать и анализировать опыт с целью обос­нованного отбора лучших методов проектирования, производства и управ­ления;

-исследовательскую — обеспечивать выполнение научных исследований корпо­ративных проблем, процессов создания новой техники и технологий, формиро­вания тематики целевых программ комплексных научных исследований;

-прогнозирующую — выявлять основные тенденции, закономерности и показа­тели развития объекта и окружающей среды;

-анализирующую — определять основные показатели, в том числе и экономи­ческие, хозяйственной деятельности объекта;

-синтезирующую — обеспечивать автоматизированную разработку нормативов технологической, финансовой и хозяйственной деятельности;

-контролирующую — выполнять автоматизированный контроль качества средств производства, выпускаемой продукции и услуг;

-диагностическую — выполнять автоматизированные процедуры диагностики состояния объекта управления (в первую очередь технологического оборудо­вания);

-документирующую — обеспечивать формирование всех необходимых учетно-расчетных, планово-распорядительных, финансовых и других форм доку­ментов.

Для реализации названных функций ИС должна быть достаточно сложной и вклю­чать в себя набор подсистем.

Функциональные подсистемы. ИС реализуют и поддерживают модели, методы и алгоритмы получения управляющей информации. Состав функциональных под­систем весьма разнообразен и зависит от предметной области использования ИС, специфики хозяйственной деятельности объекта управления. Каждая из подсистем обеспечивает выполнение комплексов задач и процедур обработки информа­ции, необходимых для эффективного управления объектом.

Подсистема научно-технической подготовки производства отвечает за выпол­нение научно-исследовательских, в том числе и маркетинговых работ, конст­рукторскую и технологическую подготовку производства.

1. Подсистема бизнес-планирования выполняет технико-экономическое и опера­тивно-календарное планирование производства, формирует бизнес-план.

2. Подсистема оперативного управления, кроме непосредственного управления ходом производства, выполняет также управление материальными потоками, снабжением и сбытом (логистика), учетом затрат на производство (контрол­линг).

3. Подсистема финансового менеджмента отвечает за формирование финансово­го плана и портфеля заказов предприятия, анализ результатов его хозяйствен­ной деятельности.

5. Подсистема бухгалтерского учета обеспечивает составление отчетности и учет труда и заработной платы, товарно-материальных ценностей, основных средств, результатов финансовых операций.

В других областях использования ИС акценты могут ставиться на другие задачи. Так, в маркетинговых ИС основное внимание уделяется анализу рынка и прогно­зированию объемов продаж, в финансовых системах — финансовому анализу и прогнозированию, управлению кредитно-денежной политикой и т. п. Состав обеспечивающих подсистем более стабилен и мало зависит от предмет­ной области использования ИС.

1. Информационное обеспечение представляет собой совокупность реализованных решений по объемам, размещению и формам организации информации, цирку­лирующей в системе управления. Иными словами, информационное обеспече­ние — это методы и средства построения информационной базы системы, вклю­чающие системы классификации и кодирования информации, унифицированные системы документов, схемы информационных потоков, принципы и методы со­здания баз данных.

2. Техническое обеспечение — комплекс технических средств, задействованных в технологическом процессе преобразования информации в системе. В первую очередь это вычислительные машины, периферийное оборудование, аппарату­ра и каналы передачи данных.

3. Программное обеспечение включает в себя совокупность программ регулярного применения, необходимых для решения функциональных задач и программ, позволяющих наиболее эффективно использовать вычислительную технику, обеспечивая пользователям наибольшие удобства в работе.

4. Математическое обеспечение — совокупность математических методов, моде­ лей и алгоритмов обработки информации, используемых в системе.

5. Лингвистическое обеспечение — совокупность языковых средств, используемых в системе с целью повышения качества ее разработки и облегчения общения человека с машиной.

Организационные подсистемы, по существу, относятся также к обеспечивающим подсистемам, но направлены в первую очередь на обеспечение эффективной рабо­ты персонала, и поэтому они могут быть выделены отдельно.

1. Кадровое обеспечение — состав специалистов, участвующих в создании и рабо­те системы, штатное расписание и функциональные oобязанности.

2. Эргономическое обеспечение — совокупность методов и средств, используемых при разработке и функционировании ИС, создающих оптимальные условия для деятельности персонала, для быстрейшего освоения системы.

3. Правовое обеспечение — совокупность правовых норм, регламентирующих со­ здание и функционирование информационной системы, порядок получения, преобразования и использования информации.

4. Организационное обеспечение представляет собой комплекс решений, регламен­тирующих процессы создания и функционирования как системы в целом, так и ее персонала.

3Архитектурные особенности вычислительных систем различных классов.

В настоящее время основные цели использования компью­теров — информационное обслуживание и управление, сейчас вычислительные машины и системы, по существу, выполняют функции информационно-вычисли­тельных систем. Рассмотрим более подробно внутреннюю архитектуру вычисли­тельных систем (ВС).

Вычислительная система- это совокупность одного или нескольких компьюте­ров или процессоров, программного обеспечения и периферийного оборудования, организованная для совместного выполнения информационно-вычислительных процессов. В вычислительной системе компьютер может быть один, но агрегиро­ванный с многофункциональным периферийным оборудованием. Стоимость пе­риферийного оборудования часто во много раз превосходит стоимость компьюте­ра. В качестве распространенного примера одномашинной ВС можно привести систему телеобработки информации. Все же классическим вариантом ВС являет­ся многомашинный и многопроцессорный варианты.

Первые ВС создавались с целью увеличить быстродействие и надежность работы путем параллельного выполнения вычислительных операций. Как это ни парадок­сально, тормозом в дальнейшем увеличении быстродействия компьютера являет­ся конечная скорость распространения электромагнитных волн — скорость света, равная 3∙10⁸м/с. Время распространения сигнала между элементами ВС мо­жет значительно превышать время переключения электронных схем. Поэтому чи­сто последовательная модель выполнения операций, характерная для классиче­ской структуры компьютера — структуры фон Неймана, — не позволяет существенно повысить быстродействие ВС.

Параллелизм выполнения операций существенно повышает быстродействие сис­темы; он же может также значительно повысить и надежность (при отказе одного компонента системы его функции может взять на себя другой), и достоверность функционирования системы, если операции будут параллельно дублироваться, а результаты их выполнения сравниваться. Для современных ВС, за исключением суперкомпьютеров, критерии обоснования их необходимости уже несколько иные — важно само информационное обслужи­вание пользователей, сервис и качество этого обслуживания. Для суперкомпьюте­ров, представляющих собой многопроцессорные ВС, важнейшими показателями являются их производительность и надежность. Классический компьютер состоит:

1. Процессор {центральный процессор) — основной вычислительный блок компьютера, содержит важнейшие функциональные устройства:

- Устройство управления с интерфейсом процессора (системой сопряжения и связи процессора с другими узлами машины).

- Арифметико-логическое устройство.

- Процессорную память.

Процессор, по существу, является устройством, выполняющим все функции элементарной вычислительной машины.

2. Оперативная память — запоминающее устройство, используемое для оператив­ного хранения и обмена информацией с другими узлами машины.

3. Каналы связи (внутримашинный интерфейс) служат для сопряжения централь­ных узлов машины с ее внешними устройствами.

4. Внешние устройства обеспечивают эффективное взаимодействие компьютера с окружающей средой: пользователями, объектами управления, другими маши­нами. В состав внешних устройств обязательно входят внешняя память и уст­ройства ввода-вывода.

Вычислительная система может строиться на базе либо целых компьютеров (мно­гомашинная ВС), либо на базе отдельных процессоров (многопроцессорная ВС).

Вычислительные системы бывают:

- однородные;

- неоднородные.

Однородная ВС строится на базе однотипных компьютеров или процессоров. Однородные системы позволяют использовать стандартные наборы технических, программных средств, стандартные протоколы (процедуры) сопряжения уст­ройств. Поэтому их организация значительно проще, облегчается обслуживание систем и их модернизация.

Неоднородная ВС включает в свой состав различные типы компьютеров или про­цессоров. При построении системы приходится учитывать их различные техни­ческие и функциональные характеристики, что существенно усложняет создание и обслуживание неоднородных систем. Вычислительные системы работают в следующих режимах:

-оперативном (on-line);

-неоперативном (off-line).

Оперативные системы работают в реальном масштабе времени, в них реализуется оперативный режим обмена информацией — ответы на запросы поступают неза­медлительно. В неоперативных ВС допускается режим «задержанного ответа», когда результаты выполнения запроса можно получить с некоторой задержкой (иногда даже в следующем сеансе работы системы).

Различают ВС с централизованным и децентрализованным управлением. В пер­вом случае управление выполняет выделенный компьютер или процессор, во вто­ром — эти компоненты равноправны и могут брать управление на себя.

Кроме того, ВС могут быть:

-территориально-сосредоточенными (все компоненты располагаются в непо­средственной близости друг от друга);

-распределенными (компоненты могут располагаться на значительном расстоя­нии, например, вычислительные сети);

-структурно-одноуровневыми (имеется лишь один общий уровень обработки данных);

-многоуровневыми (иерархическими) структурами. В иерархических ВС маши­ны или процессоры распределены по разным уровням обработки информации, некоторые машины (процессоры) могут специализироваться на выполнении определенных функций.

Наконец, как уже указывалось, ВС делятся на следующие:

-одномашинные;

-многомашинные;

-многопроцессорные.

4.Основные классы вычислительных систем.

Электронная вычислительная машина (ЭВМ), компьютер — комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.

Вычислительные машины могут быть классифицированы по ряду признаков, в частности:

• принцип действия;

• этапы создания и элементная база;

• назначение;

• способ организации вычислительного процесса;

• размер, вычислительная мощность;

• функциональные возможности;

• способность к параллельному выполнению программ и т. д.

По принципу действия вычислительные машины делятся на три больших класса:

• аналоговые;

• цифровые;

□ гибридные.

Критерием деления вычислительных машин на эти три класса является форма представления информации, с которой они работают.

ЦВМ — цифровые вычислительные машины или вычислительные машины диск­ретного действия — работают с информацией, представленной в дискретной, а точ­нее в цифровой форме.

АВМ — аналоговые вычислительные машины или вычислительные машины непре­рывного действия — работают с информацией, представленной в непрерывной (ана­логовой) форме, то есть в виде непрерывного ряда значений какой-либо физичес­кой величины (чаще всего электрического напряжения).

ГВМ — гибридные вычислительные машины или вычислительные машины комби­нированного действия — работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме; они совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. ГВМ целе­сообразно использовать для решения задач управления сложными быстродейству­ющими техническими комплексами.

В экономике (да и в науке и технике) получили подавляющее применение ЦВМ с электрическим представлением дискретной информации — электронные цифровые вычислительные машины, обычно называемые просто электронными вычислитель­ными машинами (ЭВМ), без упоминания об их цифровом характере.

По этапам создания и элементной базе компьютеры условно делятся на поколения:

-1-е поколение, 50-е годы: ЭВМ на электронных вакуумных лампах.

-2-е поколение, 60-е годы: ЭВМ на дискретных полупроводниковых

приборах (транзисторах).

- 3-е поколение, 70-е годы: компьютеры на полупроводниковых интегральных схемах с малой и средней степенью интеграции (сотни — тысячи транзисторов в одном корпусе).

-4-е поколение, 80-90-е годы: компьютеры на больших и сверхбольших интегральных схемах, основная из которых- микропроцессор.

-5-е поколение, настоящее время: компьютеры с многими десятками параллельно работающих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; компьютеры на сверхсложных микропроцессорах с парал­лельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последо­вательных инструкций программы.

-6-е и последующие поколения: оптоэлектронные компьютеры с массовым па­раллелизмом и нейронной структурой, с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.

По назначению компьютеры можно разделить на три группы:

• универсальные;

• проблемно-ориентированные;

• специализированные.

Универсальные компьютеры предназначены для решения самых различных ин­женерно-технических, экономических, математических, информационных и т. д. задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатывае­мых данных. Они широко используются в вычислительных центрах коллективно­го пользования и других мощных вычислительных комплексах.

Характерными чертами универсальных компьютеров являются:

• высокая производительность;

• разнообразие форм обрабатываемых данных: двоичных, десятичных, символьных, при большом диапазоне их изменения и высокой точности их представления;

• обширная номенклатура выполняемых операций, как арифметических, логи­ческих, так и специальных;

• большая емкость оперативной памяти;

• развитая организация системы ввода-вывода информации, обеспечивающая подключение разнообразных видов внешних устройств.

Проблемно-ориентированные компьютеры предназначены для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по сравнительно несложным алгоритмам; они обладают ограниченными, по сравнению с универсальными компьютерами, аппаратными и программными ресурсами.

Специализированные компьютеры предназначены для решения определенного узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация компьютеров позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой произ­водительности и надежности их работы.

К специализированным компьютерам можно отнести, например, программируе­мые микропроцессоры специального назначения; адаптеры и контроллеры, выпол­няющие логические функции управления отдельными несложными технически­ми устройствами, агрегатами и процессами; устройства согласования и сопряжения работы узлов вычислительных систем.

По размерам и вычислительной мощности компьютеры можно разделить на сверхбольшие (суперкомпьютеры, суперЭВМ), большие, малые, сверхмалые (мик­рокомпьютеры или микроЭВМ).

Функциональные возможности компьютеров обусловлены такими важнейшими технико-эксплуатационными характеристиками, как:

• быстродействие, измеряемое усредненным количеством операций, выполняе­мых машиной за единицу времени);

• разрядность и формы представления чисел, с которыми оперирует компьютер;

• номенклатура, емкость и быстродействие всех запоминающих устройств;

• номенклатура и технико-экономические характеристики внешних устройств хранения, обмена и ввода-вывода информации;

• типы и пропускная способность устройств связи и сопряжения узлов компью­тера между собой (тип внутримашинного интерфейса);

• способность компьютера одновременно работать с несколькими пользователя­ми и выполнять одновременно несколько программ (многопрограммность);

• типы и технико-эксплуатационные характеристики операционных систем, ис­пользуемых в машине;

• наличие и функциональные возможности программного обеспечения;

• способность выполнять программы, написанные для других типов компьюте­ров (программная совместимость с другими типами компьютеров);

• система и структура машинных команд;

• возможность подключения к каналам связи и вычислительной сети;

• эксплуатационная надежность компьютера;

• коэффициент полезного использования компьютера во времени, определяемый

• соотношением времени полезной работы и времени профилактики.

Большие компьютеры за рубежом часто называют мэйнфреймами (mainframe);

к ним относят, как правило, компьютеры, имеющие:

- производительность не менее 100 MIPS;

- основную память емкостью от 512 до 10 000 Мбайт;

- внешнюю память не менее 100 Гбайт;

-многопользовательский режим работы (обслуживают одновременно от 16 до1000 пользователей).

Основные направления эффективного применения мэйнфреймов — решение на­учно-технических задач, работа в вычислительных системах с пакетной обработ­кой информации, работа с большими базами данных, управление вычислительны­ми сетями и их ресурсами. Последнее направление — использование мэйнфреймов в качестве больших серверов вычислительных сетей — часто отмечается специа­листами как наиболее актуальное.

Рейтинг мэйнфреймов определяется по многим показате­лям, среди них:

• надежность,

• производительность;

• емкость основной и внешней памяти;

□ время обращения к основной памяти;

• время доступа и трансфер внешних запоминающих устройств;

• характеристики кэш-памяти;

• количество каналов и эффективность системы ввода-вывода;

• аппаратная и программная совместимость с другими компьютерами;

• поддержка сети и т. д.

Малые компьютеры (мини-ЭВМ) — надежные, недорогие и удобные в эксплуата­ции компьютеры, обладающие несколько более низкими по сравнению с мэйнф­реймами возможностями. Мини-компьютеры (и наиболее мощные из них супер­мини-компьютеры) обладают следующими характеристиками:

• производительность — до 1000 MIPS;

• емкость основной памяти — до 8000 Мбайт;

• емкость дисковой памяти — до 1000 Гбайт;

• число поддерживаемых пользователей — 16-1024.

Все модели мини-компьютеров разрабатываются на основе микропроцессорных наборов интегральных микросхем, 32-, 64- и 128-разрядных микропроцессоров. Основные их особенности:

• широкий диапазон производительности в конкретных условиях применения;

• аппаратная реализация большинства системных функций ввода-вывода инфор­мации;

• простая реализация микропроцессорных и многомашинных систем;

• высокая скорость обработки прерываний;

• возможность работы с форматами данных различной длины. К достоинствам мини-компьютеров можно отнести:

• специфичную архитектуру с большой модульностью;

• лучшее чем у мэйнфреймов соотношение производительность/цена;

• повышенная точность вычислений.

Мини-компьютеры ориентированы на использование в качестве управляющих вы­числительных комплексов. Традиционная для подобных комплексов широкая но­менклатура периферийных устройств дополняется блоками межпроцессорной связи, благодаря чему обеспечивается реализация вычислительных систем с изме­няемой структурой. Наряду с использованием мини-компьютеров для управле­ния технологическими процессами, они успешно применяются для вычислений в многопользовательских вычислительных системах, в системах автоматизирован­ного проектирования, в системах моделирования несложных объектов, в системах искусственного интеллекта.

Микрокомпьютеры весьма многочисленны и разнообразны. Среди них можно выделить несколько подклассов.

Многопользовательские микрокомпьютеры — это мощные микрокомпьютеры, обору­дованные несколькими видеотерминалами и работающие в режиме разделения вре­мени, что позволяет эффективно работать на них сразу нескольким пользователям.

Персональные компьютеры — однопользовательские микрокомпьютеры, удовлет­воряющие требованиям общедоступности и универсальности применения. Рабочие станции (work station) представляют собой однопользовательские мик­рокомпьютеры, часто специализированные для выполнения определенного вида работ (графических, инженерных, издательских и т. д.).

Серверы (server) — многопользовательские мощные микрокомпьютеры в вычисли­тельных сетях, выделенные для обработки запросов от всех рабочих станций сети. Сетевые компьютеры (network computer) — упрощенные микрокомпьютеры, обес­печивающие работу в сети и доступ к сетевым ресурсам, часто специализирован­ные на выполнении определенного вида работ (защита сети от несанкционирован­ного доступа, организация просмотра сетевых ресурсов, электронной почты и т.д.).

Персональные компьютеры (ПК) относятся к классу микрокомпьютеров, но вви­ду их массовой распространенности заслуживают особого внимания. ПК для удов­летворения требованиям общедоступности и универсальности применения долж­на обладать такими качествами, как:

• малая стоимость ПК, находящаяся в пределах доступности для индивидуаль­ного покупателя;

• автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружа­ющей среды;

• гибкость архитектуры, обеспечивающая ее адаптируемость к разнообразным применениям в сфере управления, науки, образования, в быту;

• дружественность операционной системы и прочего программного обеспечения, обусловливающая возможность работы с ней пользователя без специальной профессиональной подготовки;

□ высокая надежность работы (более 5000 часов наработки на отказ).

Персональные компьютеры можно классифицировать по ряду признаков.

По поколениям персональные компьютеры делятся на следующие:

• 1-го поколения — используют 8-битные микропроцессоры;

• 2-го поколения — используют 16-битные микропроцессоры;

• 3-го поколения — используют 32-битные микропроцессоры;

• 4-го поколения – используют 64-битные микропроцессоры.

Классификация ПК по конструктивным особенностям:

- стационарные,

- переносные: портативные, ПК- блокноты, карманные, электронные секретари, электронные записные книжки.

5.Многомашинные и многопроцессорные вычислительные системы.

Вычислительные системы могут строиться на базе нескольких компьютеров или на базе нескольких процессоров. В первом случая ВС будет многомашинной, во втором — многопроцессорной. Многомашинная ВС содержит некоторое число компьютеров, информационно взаимодействующих между собой. Машины могут находиться рядом друг с дру­гом, а могут быть удалены друг от друга на некоторое, иногда значительное рассто­яние (вычислительные сети).

В многомашинных ВС каждый компьютер работает под управлением своей опера­ционной системы (ОС). А поскольку обмен информацией между машинами вы­полняется под управлением ОС, взаимодействующих друг с другом, динамиче­ские характеристики процедур обмена несколько ухудшаются (требуется время на согласование работы самих ОС). Информационное взаимодействие компьюте­ров в многомашинной ВС может быть организовано на уровне:

-процессоров;

-оперативной памяти;

- каналов связи.

При непосредственном взаимодействии процессоров друг с другом информаци­онная связь реализуется через регистры процессорной памяти и требует наличия в ОС весьма сложных специальных программ.

Взаимодействие на уровне оперативной памяти (ОП) сводится к программной реали­зации общего поля оперативной памяти, что несколько проще, но также требует суще­ственной модификации ОС. Под общим полем имеется в виду равнодоступность мо­дулей памяти: все модули памяти доступны всем процессорам и каналам связи. На уровне каналов связи взаимодействие организуется наиболее просто и может быть достигнуто внешними по отношению к ОС программами-драйверами, обес­печивающими доступ от каналов связи одной машины к внешним устройствам других (формируется общее поле внешней памяти и общий доступ к устройствам ввода-вывода).

Ввиду сложности организации информационного взаимодействия на 1-м и 2-м уровнях в большинстве многомашинных ВС используется 3-й уровень, хотя и ди­намические характеристики (в первую очередь быстродействие), и показатели на­дежности таких систем существенно ниже.

В многопроцессорной ВС имеется несколько процессоров, информационно взаи­модействующих между собой либо на уровне регистров процессорной памяти, либо на уровне ОП. Этот тип взаимодействия используется в большинстве случаев, ибо организуется значительно проще и сводится к созданию общего поля оперативной памяти для всех процессоров. Общий доступ к внешней памяти и устройствам вво­да-вывода обеспечивается обычно через каналы ОП. Важным является и то, что многопроцессорная вычислительная система работает под управлением единой ОС, общей для всех процессоров. Это существенно улучшает динамические характе­ристики ВС, но требует наличия специальной, весьма сложной ОС.

Быстродействие и надежность многопроцессорных ВС по сравнению с многома­шинными, взаимодействующими на 3-м уровне, существенно повышаются, во-пер­вых, ввиду более быстрого обмена информацией между процессорами, более быс­трого реагирования на ситуации, возникающие в системе; во-вторых, ввиду большей степени резервирования устройств системы (система сохраняет работоспособность, пока работоспособны хотя бы по одному модулю каждого типа устройств). Типичным примером массовых многомашинных ВС могут служить компьютер­ные сети, примером многопроцессорных ВС — суперкомпьютеры.

6.Суперкомпьютеры и особенности их архитектуры.

К суперкомпьютерам относятся мощные многопроцессорные вычислительные маши­ны с быстродействием сотни миллионов — десятки миллиардов операций в секунду.

Типовая модель суперкомпьютера 2001 года:

• высокопараллельная многопроцессорная вычислительная система с быстродей­ствием порядка 100 000 MFloPS;

• емкость: оперативной памяти 10 Гбайт, дисковой памяти 1-10 Тбайт (1 Тбайт = = 1000 Гбайт);

• разрядность 64-128 бит.

Создать такие высокопроизводительные компьютеры на одном микропроцессоре (МП) не представляется возможным ввиду ограничения, обусловленного конечным значением скорости распространения электромагнитных волн (300 000 км/с), ибо время распространения сигнала на расстояние несколько миллиметров (линейный размер стороны МП) при быстродействии 100 млрд операций/с становится соиз­меримым со временем выполнения одной операции. Поэтому суперкомпьютеры создаются в виде высокопараллельных многопроцессорных вычислительных сис­тем (МПВС). Высокопараллельные МПВС имеют несколько разновидностей.

1. Магистральные (конвейерные) МПВС, у которых процессор одновременно выполняет разные операции над последовательным потоком обрабатываемых данных. По принятой классификации такие МПВС относятся к системам с многократным потоком команд и однократным потоком данных (МКОД или MISD - Multiple Instruction Single Data).

2. Векторные МПВС, у которых все процессоры одновременно выполняют одну команду над различными данными — однократный поток команд с многократ­ ным потоком данных (ОКМД или SIMD — Single Instruction Multiple Data).

3. Матричные МПВС, у которых микропроцессор одновременно выполняет раз­ные операции над последовательными потоками обрабатываемых данных —многократный поток команд с многократным потоком данных (МКМД или MIMD — Multiple Instruction Multiple Data).

В суперкомпьютере используются все три варианта архитектуры МПВС:

• структура MIMD в классическом ее варианте;

• параллельно-конвейерная модификация, иначе MMISD, то есть многопроцессорная (Multiple) MISD-архитектура;

• параллельно-векторная модификация, иначе MSIMD, то есть многопроцессор­ная SIMD-архитектура.

Наибольшую эффективность показала MSIMD-архитектура, поэтому в современ­ных суперкомпьютерах чаще всего используется именно она.

В настоящее время в мире насчитывается несколько тысяч суперкомпьютеров, начиная от простых офисных до мощных производительностью несколько десятков тысяч MFlоS. Среди лучших суперкомпьютеров можно отметить и отечественные суперкомпью­теры. В сфере производства суперкомпьютеров Россия, пожалуй, впервые, пред­ставила собственные оригинальные модели компьютеров (все остальные, вклю­чая и ПЭВМ, и малые ЭВМ, и универсальные компьютеры за редким исключением, например, ЭВМ «Рута ПО», копировали зарубежные разработки и, в первую оче­редь, разработки фирм США).

7.Кластерные суперкомпьютеры.

В настоящее время развивается технология построе­ния больших и суперкомпьютеров на базе кластерных решений. На смену отдельным, независимым суперкомпьютерам должны прийти группы высокопроизводительных серверов, объединяемых в кластер. Удобство построения кластерных ВС заключается в том, что можно гибко регули­ровать необходимую производительность системы, подключая к кластеру с помо­щью специальных аппаратных и программных интерфейсов обычные серийные серверы до тех пор, пока не будет получен суперкомпьютер требуемой мощности. Кластеризация позволяет манипулировать группой серверов как одной системой, упрощая управление и повышая надежность.

Важной особенностью кластеров является обеспечение доступа любого сервера к любому блоку как оперативной, так и дисковой памяти. Эта проблема успешно решается, например, объединением систем SMP-архитектуры на базе автономных серверов для организации общего поля оперативной памяти и использованием дисковых систем RAID для памяти внешней (SMP - Shared Memory multipro­cessing, технология мультипроцессирования с разделением памяти). Программное обеспечение для кластерных систем уже выпускается. Примером мо­жет служить компонент Cluster Server операционной системы MS Windows NT/2000 Enterprise. Этот компонент, более известный под кодовым названием Wolfpack, обес­печивает как функции управления кластером, так и функции диагностирования сбоев и восстановления (Wolfpack определяет сбой программы или отказ сервера и авто­матически переключает поток вычислений на другие работоспособные серверы

На конференции Supercomputing 2000 несколько фирм (Dell, SunMicrosystem, IBM) уже продемонстрировали свои достижения в области суперкомпьютерных кластерных технологий (фирма IBM, например, продемонстрировала модель че­ловеческого сердца, реализованную в кластере серверов RS/6000). Эта же фирма в 2001 году представила одну из самых мощных кластерных систем ASCI White, содержащую 8192 микропроцессора IBM Power 3, основную память емкостью 6 Тбайт, дисковую память емкостью 160 Тбайт; общая производительность клас­тера 12,5 TFloPS (триллионов операций в секунду). Все фирмы отмечают суще­ственное снижение стоимости кластерных систем по сравнению с локальными су­перкомпьютерами, обеспечивающими ту же производительность. Основные достоинства кластерных суперкомпьютерных систем: а высокая суммарная производительность;

• высокая надежность работы системы;

• наилучшее соотношение производительность/стоимость;

• возможность динамического перераспределения нагрузок между серверами;

• легкая масштабируемость, то есть наращивание вычислительной мощности путем подключения дополнительных серверов;

□ удобство управления и контроля работы системы.

2. 1. Представление информации в вычислительных машинах

Информация в компьютере кодируется в двоичной или в двоично-десятичной си­стемах счисления.

Система счисления — способ наименования и изображения чисел с помощью сим­волов, имеющих определенные количественные значения. В зависимости от спо­соба изображения чисел, системы счисления делятся на следующие:

- позиционные;

- непозиционные.

В позиционной системе счисления количественное значение каждой цифры зави­сит от ее места (позиции) в числе. В непозиционной системе счисления цифры не меняют своего количественного значения при изменении их расположения в чис­ле. Количество (Р) различных цифр, используемых для изображения числа в по­зиционной системе счисления, называется основанием системы счисления. Зна­чения цифр лежат в пределах от 0 до Р - 1.

В общем случае запись любого смешанного числа в системе счисления с основани­ем Р будет представлять собой ряд вида:

N=a_m-1∙P^m-1+a_m-2∙P^m-2+…a_k∙P^k+…+a₁∙P¹+

+a₀∙P⁰+a_-1∙P^-1+a_-2∙P^-2+…+a_-s∙P^-s (1)

Нижние индексы определяют местоположение цифры в числе (разряд):

• положительные значения индексов — для целой части числа (т разрядов);

• отрицательные значения — для дробной (s разрядов). Максимальное целое число, которое может быть представлено в т разрядах:

Минимальное значащее, не равное 0 число, которое можно записать в 5 разрядах дробной части:

N_min=P^-s

Имея в целой части числа т, а в дробной — s разрядов, можно записать всего Р^{т + s} разных чисел.

Двоичная система счисления имеет основание Р = 2 и использует для представле­ния информации всего две цифры: 0 и 1. Существуют правила перевода чисел из одной системы счисления в другую, основанные в том числе и на соотношении (1).

Например, двоичное число 101110,101 равно десятичному числу 46,625. 101110,101₍2) = 1 • 2⁵ + 0 • 2⁴ + 1 • 2³ + 1 • 2² + 1 • 2¹ + 0 • 2° + + 1 • 2¯¹ + 0 • 2¯² + 1 • 2¯³ = 46,625(10).

Практически перевод из двоичной системы в десятичную можно легко выполнить, надписав над каждым разрядом соответствующий ему вес

_______________________________________

Вес 128 64 32 16 8 4 2 1

Цифра 0 1 0 0 0 0 0 1

_______________________________________

и сложив затем произ­ведения значений соответствующих цифр на их веса.

Двоичное число 010000012 равно 6510. Действительно, 64 • 1 + 1 • 1 = 65.

Таким образом, для перевода числа из позиционной системы счисления с любым основанием в десятичную систему счисления можно воспользоваться выражени­ем (1). Обратный перевод из десятичной системы счисления в систему счисления с другим основанием непосредственно по формуле (1) для человека весьма за­труднителен, ибо все арифметические действия, предусмотренные этой формулой, следует выполнять в той системе счисления, в которую число переводится. Обрат­ный перевод может быть выполнен значительно проще, если предварительно пре­образовать отдельно целую и дробную части выражения (1) к виду:

N_цел = (((…(a_m-1∙P+a_m-2)∙P+…+ a₂)∙P+ a₁)∙P+ a₀);

N_др = P^-1∙ (a_-1 + P^-1 ∙ (a_-2 + P^-1 ∙ (a_-3 +…+ P^-1 ∙ (a_-5+1 + P^-1 ∙a_-5)…))).

Алгоритм перевода числа из десятичной системы счисления в систему счисления с основанием Р, основанный на этих выражениях, позволяет оперировать с числа­ми в той системе счисления, из которой число переводится, и может быть сформу­лирован следующим образом.

При переводе смешанного числа следует переводить его целую и дробную часть отдельно.

1. Для перевода целой части числа его, а затем целые части получающихся част­ них от деления следует последовательно делить на основание Р до тех пор, пока очередная целая часть частного не окажется равной 0. Остатки от деления, за­ писанные последовательно справа налево, образуют целую часть числа в систе­ме счисления с основанием Р.

2. Для перевода дробной части числа его, а затем дробные части получающихся произведений следует последовательно умножать на основание Р до тех пор пока очередная дробная часть произведения не окажется равной 0 или не будет достигнута нужная точность дроби. Целые части произведений, записанные после запятой последовательно слева направо, образуют дробную часть числа е системе счисления с основанием Р.

Рассмотрим перевод смешанного числа из десятичной в двоичную систему счи­сления на примере числа 46,625. Переводим целую часть числа: 46 : 2 = 23 (оста­ток 0). 23 : 2 = 11 (остаток 1). 11 : 2 = 5 (остаток 1). 5 : 2 = 2 (остаток 1). 2 : 2 = 1 (остаток 0). 1:2 = 0 (остаток 1). Записываем остатки последовательно справа на­лево — 101110, то есть 4610 - 101110₂. Переводим дробную часть числа: 0,625 • 2 = = 1,250.0,250 • 2 = 0,500.0,500 • 2 = 1,000. Записываем целые части получающихся произведений после запятой последовательно слева направо— 0,101, то есть 0,625₁₀ = 0.101₂. Окончательно 46,62510 = 101110,101₂.

2. Представление чисел с фиксированной и плавающей запятой.

В вычислительных машинах применяются две формы представления двоичных чисел:

• естественная форма или форма с фиксированной запятой (точкой);

• нормальная форма или форма с плавающей запятой (точкой).

В форме представления с фиксированной запятой все числа изображаются в виде последовательности цифр с постоянным для всех чисел положением запятой, от­деляющей целую часть от дробной.

Например: в десятичной системе счисления имеется 5 разрядов в целой части чи­сла (до запятой) и 5 разрядов в дробной части числа (после запятой); числа, запи­санные в такую разрядную сетку, имеют вид:

+00721,35500; +00000,000328; -10301,20260.

Эта форма наиболее проста, естественна, но имеет небольшой диапазон пред­ставления чисел и поэтому чаще всего не приемлема при вычислениях. Диапа­зон значащих чисел N системе счисления с основанием Р. при наличии т раз­рядов в целой части и s разрядов в дробной части числа (без учета знака числа) будет:

P^-s<=N<=P^m-P^-s

Например, при Р = 2, т = 10 и s = 6 числа изменяются в диапазоне: 0,015 < N < 1024. Если в результате операции получится число, выходящее за допустимый диапа­зон, происходит переполнение разрядной сетки, и дальнейшие вычисления теря­ют смысл. В современных компьютерах естественная форма представления исполь­зуется как вспомогательная и только для целых чисел.

В форме представления с плавающей запятой каждое число изображается в виде двух групп цифр. Первая группа цифр называется мантиссой, вторая — порядком, причем абсолютная величина мантиссы должна быть меньше 1, а порядок — це­лым числом. В общем виде число в форме с плавающей запятой может быть пред­ставлено так:

N=±M∙P^±r,

где М — мантисса числа (|М| < 1); г — порядок числа (r — целое число); Р — основа­ние системы счисления.

Например, приведенные ранее числа в нормальной форме запишутся так: +0,721355 • 10³; +0,328 • 10¯³; -0,103012026 ▪ 10⁵.

Нормальная форма представления имеет огромный диапазон отображения чисел и является основной в современных компьютерах. Так, диапазон значащих чисел в системе счисления с основанием Р при наличии т разрядов у мантиссы и 5 разря­дов у порядка (без учета знаковых разрядов порядка и мантиссы) будет:

P^-m∙P^-(p5-1)<=N<=(1-P^-m)∙ P^(p5-1)

Приведем пример. При Р=2,т = 22 u s= 10 диапазон чисел простирается пример­но от 10¯³⁰⁰ до 10³⁰⁰. Для сравнения: количество секунд, которые прошли с момента образования планеты Земля, составляет всего 10¹⁸.

Следует заметить, что все числа с плавающей запятой хранятся в машине в так называемом нормализованном виде. Нормализованным называют такое число, в старшем разряде мантиссы которого стоит единица. У нормализованных двоич­ных чисел, следовательно, 0,5 <=|М| < 1.

3.Алгебраическое представление двоичных чисел.

Знак числа обычно кодируется двоичной цифрой, при этом код 0 означает знак + (плюс), код 1 — знак - (минус). Для алгебраического представления чисел, то есть для представления чисел с учетом их знака, в машинах используются специальные коды:

• прямой код числа;

• обратный код числа;

• дополнительный код числа.

При этом два последних кода позволяют заменить неудобную для компьютера операцию вычитания на операцию сложения с отрицательным числом. Дополнительный код обеспечивает более быстрое выполнение операций, поэтому в компьютере применяется чаще именно он.

Прямой код числаN-[N]_np. Пусть N= aaa... а;

• если N> 0, то [N]_np = 0, aaa ... а;

• если N<0, то [N]_np = l,aaa... а;

• если N = 0, то имеет место неоднозначность: [0]n_р = 0,0... или [0]n_р = 1,0... Обобщая результаты, получим:

N , если N>=0,

[N]пр=

1-N, если N<0

Если при сложении оба слагаемых имеют одинаковый знак, то операция сложения выполняется обычным путем. Если при сложении слагаемые имеют разные знаки, то сначала необходимо выявить число большее по абсолютной величине, произве­сти из него вычитание меньшего числа, а разности присвоить знак большего числа. Операции умножения и деления в прямом коде выполняются обычным обра­зом, но знак результата определяется по совпадению или не совпадению зна­ков, участвовавших в операции чисел.

Операцию вычитания в этом коде нельзя заменить операцией сложения с от­рицательным числом, поэтому возникают сложности, связанные с заемом зна­чений из старших разрядов уменьшаемого. В связи с этим прямой код в компью­тере почти не применяется.

2. Обратный код числа N — [N]₀6_P.

Символ а* означает величину, обратную а (инверсию а), то есть если а = 1, то а* = 0, и наоборот.

• если N> 0, то [N]обр =[N]пр = 0,аа ... а,

• если N< 0, то [N]o6_P = 1, а* а* ... а*,

• если N= 0, то неоднозначность, [0]_обр = 0,00 ... 0 или [0]_об_Р = 1,11.-1.

Для того чтобы получить обратный код отрицательного числа, необходимо все цифры этого числа инвертировать, то есть в знаковом разряде поставить 1, во всех значащих разрядах нули заменить единицами, а единицы нулями. Например, число N= 0,1011, [N] _o6p = 0,1011. Число N= -0,1011, [N]_o6p = 1,0100. В случае, когда N< 0, [N]_o6p = 10 - 1-10 " + N, то есть [N]_o6p = 1,1111 + N. Обобщая результаты, получим

N , если N>=0,

[N]обр=

10-1∙10^-n +N, если N<0

3. Дополнительный код числа N — [N]_доп

• если N>= 0, то [N]доп = [N)_np = 0,aa ... а,

• если N<= 0, то[N]доп = 1, а* а* ... а* + 0,0 0 ... 1.

Для того чтобы получить дополнительный код отрицательного числа, необхо­димо все его цифры инвертировать (в знаковом разряде поставить единицу, во всех значащих разрядах нули заменить единицами, а единицы нулями) и затем - к младшему разряду прибавить единицу. В случае возникновения переноса из первого после запятой разряда в знаковый разряд, к числу следует прибавить единицу в младший разряд.

Например, N = 0,1011, [N]доп = 0,1011; N= -0,1100, [N]доп = 1,0100; N = -0,0000,

[N]доп = 10,0000 = 0,0000 (1 исчезает). Неоднозначности в изображении 0 нет. Обобщая, можно записать:

N , если N>=0,

[N]доп=

10 +N, если N<0