Тема 3. Техническое обеспечение кис

3.1 Организация технического обеспечения ИС

Техническое обеспечение – это комплекс технических средств, предназначенных для поддержки функционирования информационной системы, и соответствующая документация на эти средства и технологические процессы.

В составе технического обеспечения ИС выделяют: средства компьютерной техники, средства коммуникационной техники и средства организационной техники (рис. 3.1).

Рисунок 3.1 – Технические средства управления информационными ресурсами

Компьютерная техника предназначена, в основном, для реализации комплексных технологий обработки и хранения информации и является базой интеграции всех современных технических средств.

Коммуникационная техника реализует технологии передачи информации и предполагает как автономное функционирование, так и функционирование в комплексе со средствами компьютерной техники.

Организационная техника предназначена для реализации технологий представления, распространения и использования информации, для выполнения различных вспомогательных операций в рамках тех или иных технологий информационной поддержки управленческой деятельности.

Средства компьютерной техники играют определяющую роль и являются базовыми в информационных системах, системах коммуникаций и управления.

В настоящее время в ИС используются компьютеры, построенные на различных принципах логической и структурной организации.

Совершенствование компьютеров традиционной архитектуры фон Неймана предусматривает повышение производительности за счет:

• увеличения разрядности системной шины и процессора, разделения единой шины данных и программ на две;

• использования элементов, в которых реализована не двоичная система счисления, а троичная и т.д.;

• создания многоядерных процессоров;

• разработки микросхем на новых технологиях;

• увеличения объемов и количества уровней кэш-памяти;

• использования процессоров с новыми типами архитектур;

• внедрения технологий конвейеризации и параллелизма;

• перехода на многомашинные и многопроцессорные вычислительные системы и т.д.

На первых этапах развития компьютеров при их построении использовались процессоры с CISC¹⁰ архитектурой, затем были разработаны процессоры с новой RISC архитектурой. Выбор между RISC и CISC архитектурами зависит от области применения процессоров. RISC-процессоры удобны при использовании их в качестве элементарных процессорных устройств с высокой степенью распараллеливания операций, а CISC-процессоры – в тех областях, где требуется поддержка аппаратными средствами высоконадежного программного обеспечения. Для реализации преимуществ RISC-процессоров над CISC необходимо создание большого количества специально ориентированных на реализацию RISC-процессоров программ.

Масштабируемая процессорная архитектура SPARC (Scalable Processor Architecture) компании Sun Microsystems является наиболее широко распространенной RISC-архитектурой. Процессоры с этой архитектурой лицензированы и изготавливаются по спецификациям Sun разными производителями – компании Texas Instruments, Fujitsu, LSI Logic, Bipolar International Technology, Philips, Cypress Semiconductor и Ross Technologies, которые поставляют SPARC-процессоры компании Sun Microsystems и другим производителям вычислительных систем (Sol Bourne, Toshiba, Matsushita, Tatung и Cray Research).

Применение конвейеризации и параллелизма позволяет разрабатывать компьютеры с повышенными технико-экономическими возможностями. Процесс конвейеризации позволяет сократить длительность цикла выполнения команды за счет разбиения ее на элементарные операции, использования для выполнения операций каждого типа специализированных исполнительных устройств и выборки из памяти очередной команды во время выполнения предыдущей.

Другой путь повышения производительности числовой обработки заключается в дополнении типового набора команд векторными командами, которые предусматривают выполнение единой операции над несколькими данными, хранящимися в соответствующих векторных регистрах. Особенно эффективны векторные операции при организации циклических процессов.

Дальнейшее совершенствование вычислительной архитектуры предполагает повышение производительности и надежности функционирования за счет применения разнообразных форм параллелизма. В результате обработку данных возможно совместить во времени и в пространстве. Параллельность может реализовываться на различных уровнях – от совмещения выполнения отдельных операций до одновременного выполнения целых программ. Примерами реализации параллельной обработки являются многомашинные и многопроцессорные вычислительные системы (ВС).

Использование многомашинных и многопроцессорных ВС позволяет:

1. Повысить производительность и быстродействие;

2. Обеспечить высокую надежность, характеризуемую безотказным функционированием в течение заданного времени или средним временем безотказной работы;

3. Достигнуть высокой живучести, понимаемой как способности системы продолжать (с пониженным быстродействием) решение задач при отказах отдельных элементов;

4. Обеспечить с необходимой достоверностью получение правильного результата решения;

5. Получить решение задачи в заданное время;

6. Снизить стоимость использования средств вычислительной техники;

7. Снизать стоимость обработки информации.

Основными архитектурными формами параллельных процессоров являются.

1. Архитектура с потоком управления: отдельный управляющий процессор служит для посылки команд множеству процессорных элементов, состоящих из процессора и связанной с ним оперативной памяти;

2. Архитектура с потоком данных – децентрализована с высокой степенью, параллельные команды посылаются вместе с данными во многие одинаковые процессорные элементы;

3. Архитектура с управлением по запросам, в которой задачи разбиваются на подзадачи, результаты выполнения которых снова объединяются для формирования окончательного результата. Команда, которую следует выполнять, определяется при необходимости использования ее результата активной командой.

4. Архитектура с управлением наборами условий предусматривает разбиение задачи на подзадачи, результаты решения которых объединяются для формирования окончательного результата. Команда, которую следует выполнять, определяется, когда имеет место некоторый набор условий. Типичное применение такой архитектуры – распознавание изображений.

5. Архитектура, объединяющая процессоры с памятью с использованием разнообразных соединений между ними (в виде шин, колец, кубов и др.).

Классификация ВС возможна по ряду признаков, в основу которых положен реализуемый параллелизм.

По режиму работы различают однопрограммные и мультипрограммные ВС.

По режиму обслуживания различают: ВС с режимом индивидуального пользования, пакетной обработки, коллективного пользования.

В случае режима пакетной обработки подготовленные пользователем программы передаются обслуживающему систему персоналу и накапливаются во внешней памяти. При активизации система выполняет накопленный пакет программ. В этом режиме работают однопрограммные и многопрограммные ВС.

Режим коллективного пользования предусматривает возможность одновременного доступа нескольких пользователей к ресурсам ВС. Каждому пользователю предоставлен терминал, через который устанавливается связь с ВС (рис. 3.2).

Рисунок 3.2 – ВС коллективного пользования.

Системы коллективного использования с квантованным обслуживанием называются системами с разделением времени.

По особенностям территориального размещения частей системы различают:

• сосредоточенные ВС – комплекс компактно размещенного оборудования.

• ВС с телеобработкой содержат, расположенные на значительном расстоянии от вычислительных средств терминалы ввода-вывода. Соединение этих терминалов с центральными средствами ВС осуществляется по каналам связи.

• вычислительные сети представляет собой территориально рассредоточенную многомашинную систему, состоящую из взаимодействующих ЭВМ, связанных между собой каналами передачи данных.

По степени распределения управляющих функций выделяют централизованные с закреплением всех управляющих функций в одном элементе ВС и децентрализованные.

По назначению ВС делятся на универсальные и специализированные ВС. Универсальные ВС предназначены для решения широкого круга задач различного назначения. Специализированные ориентированы на решение заранее определенного класса задач.

По типу используемых ЭВМ (процессоров) различают:

• однородные ВС, построенные из однотипных ЭВМ (процессоров).

• неоднородные – как правило, используют различные специализированные процессоры, например процессоры для операций над числами с плавающей точкой, для обработки десятичных чисел и др.

Существуют различные варианты классификации архитектуры современных компьютеров (см. табл. 3.1).

Средства коммуникационной техники обеспечивают передачу информации и обмен данными с внешней средой, предполагают как автономное функционирование, так и в комплексе со средствами компьютерной техники.

К средствам коммуникационной техники относятся средства и системы:

• стационарной и мобильной телефонной связи;

• телеграфной связи;

• факсимильной передачи информации и модемной связи;

• кабельной и радиосвязи, включая оптико-волоконную и спутниковую связь.

Таблица 3.1 – Классификация компьютеров

Признак классификации	Вид архитектуры	Пояснение
взаимосвязь команд и обрабатываемых данных (рис. 3.3)	SISD(Single Instruction Single Data, одиночный поток команд, одиночный поток данных)	традиционная архитектура включает все однопроцессорные вычислительные системы (фон-неймановская ЭВМ), в которых имеется одна последовательность команд и каждая команда инициирует выполнение одной операции
	SIMD (Single Instruction Multiplе Data, одиночный поток команд – множественный поток данных)	многопроцессорные системы, в которых множество потоков данных обрабатывается одним потоком инструкций. К этому типу относятся векторные и матричные системы (например, конвейерная векторная ЭВМ Cray 1 и матричный процессор DAP фирмы ICL)
	MISD (Multiple Instruction Single Data, множественный поток команд – одиночный поток данных)	многопроцессорные системы, в которых одиночный поток данных обрабатывается под воздействием множества потоков инструкций, как это, в частности, имеет место в конвейерных системах
	MIMD (Multiple Instruction Multiple Data, множественный поток команд множественный поток данных)	многопроцессорные системы, в которых множество потоков данных обрабатывается под воздействием множества потоков инструкций, как это осуществляется, в частности, в машинах потоков данных. Эта архитектура предусматривает несколько вариантов.
совокупность признаков (техническим, стоимостным, эксплуатационным и другим характеристикам)	СуперЭВМ	класс компьютеров, обладающих максимальными быстродействием и точностью вычислений11
	Кластер	тесносвязанная сеть (кластер) вычислительных узлов, работающих под управлением ОС Linux (рис. 3.4) Кластерная архитектура является открытой и масштабируемой, т.е. не накладывает жестких ограничений к программно-аппаратной платформе узлов кластера, топологии вычислительной сети, конфигурации и диапазону производительности суперкомпьютеров. Для организации взаимодействия вычислительных узлов суперкомпьютера в его составе используются различные сетевые (аппаратные и программные) средства, в совокупности образующие две системы передачи данных: Cистемная сеть кластера (System Area Network – SAN) объединяет узлы кластерного уровня в кластер, поддерживает масштабируемость суперкомпьютера, пересылку и когерентность данных во всех вычислительных узлах; строится на основе специализированных высокоскоростных соединениях, предназначенных для эффективной поддержки кластерных вычислений и соответствующей программной поддержки на уровне ОС и систем организации параллельных вычислений; Вспомогательная сеть суперкомпьютера с протоколом TCP/IP объединяет узлы кластерного уровня в обычную локальную сеть (TCP/IP LAN), реализована на основе широко используемых сетевых технологий класса Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, ATM и др.; предназначена для управления системой, подключения рабочих мест пользователей, интеграции суперкомпьютера в локальную сеть предприятия и/или в глобальные сети. Кластерные конфигурации на базе только вспомогательной сети TCP/IP без использования дорогостоящих специализированных высокоскоростных соеджинений могут быть реализованы в рамках семейства СКИФ в виде самостоятельных изделий (TCP/IP кластеры). Кластерные конфигурации на базе только вспомогательной сети могут быть реализованы как на базовых конструктивах СКИФ, так и путем кластеризации имеющихся у пользователей ПК.
	ЭВМ общего назначения Mainframe	имеют скалярно ориентированную архитектуру и совместимы с машинами фирмы IBM, что позволяет легко наращивать и изменять состав ЭВМ, обеспечивает удобство обслуживания и обучения, сохраняет наработки в области программного обеспечения. Отдельные модели ЭВМ одного семейства имеют разные производительность, структуру и состав, однако все ЭВМ семейства технически, информационно и программно совместимы.
	Специализированные ЭВМ	предназначены для решения узкого круга задач, например, моделирования сложных динамических объектов, систем автоматического проектирования и др. Эти ЭВМ ориентированы на решение определенного (постоянного) класса задач в течении всего периода своей эксплуатации
	Управляющие ЭВМ	может рассматриваться как подкласс специализированных ЭВМ. Их назначение – целенаправленное воздействие на объект управления с целью его перевода в требуемое состояние. Как правило, управляющие ЭВМ встраиваются в оборудование и настраиваются на конкретную область применения. Поэтому эти ЭВМ работают по программам, хранящимся в ПЗУ. Отличительной особенностью работы управляющих ЭВМ является выполнение ими всех операций в реальном масштабе времени. Эти ЭВМ должны оперативно реагировать на входные сигналы, причем задержка реакций конечна и не превышает заданного значения
	Машины баз данных	аппаратно-программный многопроцессорный комплекс, предназначенный для выполнения функций СУБД, могут отдельно функционировать, составляют основу вычислительных систем 5-го поколения.
	Мини-ЭВМ и микроЭВМ	ориентированы на решение задач управления
	Сервера	Создаются на базе ЭВМ различных типов. Основные требования к серверам: большой объем оперативной памяти, большое быстродействие процессора, быстрый доступ к данным на внешних запоминающих устройствах (большая скорость общей шины ЭВМ, SCSI – адаптеры и т.д.), возможность работы в реальном масштабе времени.

Рисунок 3.3 – Классификация компьютеров по типу взаимосвязи команд и обрабатываемых данных

Рисунок 3.4 –Базовая кластерная архитектура

Телефонная связь является самым распространенным видом оперативной административно-управленческой связи. Телефонную связь можно разделить на:

• телефонную связь общего пользования (городскую, междугородную и др.);

• внутриучрежденческую телефонную связь.

Особыми видами телефонной связи являются: радиотелефонная и видеотелефонная связь.

Интеграцию и организацию эффективного взаимодействия разнородных локальных информационных инфраструктур в единую информационную телекоммуникационную сеть позволяют выполнить системы компьютерной телефонии.

Компьютерной телефонией называется технология, в которой компьютерные ресурсы применяются для выполнения исходящих и приема входящих звонков и для управления телефонным соединением.

Интернет-телефония (IP-телефония) – технология, которая используется в сети Интернет для передачи речевых сигналов, является частным случаем IP-телефонии, где в качестве линий передачи используются обычные каналы сети Интернет. В чистом виде IP-телефония в качестве линий передачи телефонного трафика использует выделенные цифровые каналы; но так как Интернет-телефония исходит из IP-телефонии, то часто для нее применяются оба этих термина. Услуги IP-телефонии – бурно развивающегося сегодня вида связи – значительно дешевле услуг традиционной телефонии.

В Интернет-телефонии существуют несколько типов телефонных запросов, среди которых запросы:

• с телефона на телефон;

• с компьютера на телефон;

• с компьютера на компьютер.

Средства организационной техники предназначены для механизации и автоматизации управленческой деятельности. К ним относится большой перечень технических средств, устройств и приспособлений, начиная от карандашей и заканчивая сложными системами и средствами передачи информации.

Применение средств оргтехники в офисных процедурах и процессах связано с выполнением различных операций по обработке документированной информации или с организацией управленческого или иного труда. По функциональному признаку номенклатура средств оргтехники классифицируется на:

• носители информации;

• средства составления и изготовления документов;

• средства репрографии и оперативной полиграфии;

• средства обработки документов;

• средства хранения, поиска и транспортировки документов;

• офисная мебель и оборудование;

• другие средства оргтехники.

В области средств вычислительной техники можно выделить следующие перспективные направления развития:

• разработка новой микроэлектронной базы;

• дальнейшая миниатюризация СБИС;

• создание новых носителей информации;

• разработки в области создания перспективных архитектур компьютеров (разработки в области сверхбольших ЭВМ, структур многопроцессорных систем, построение систем на базе новых элементов (биокомпьютеры, квантовые и оптические и др.), создание компьютеров, взаимодействующих с пользователем на естественных языках.

В области телекоммуникаций перспективными направлениями являются:

• совершенствование оптоволоконных линий связи;

• создание новой аппаратуры уплотнения (модуляция лазерного луча);

• создание и совершенствование Глобальных спутниковых систем связи и навигации (GPS, ГЛОНАС, Бэйдоу).

В области оргтехники и технических средств информационных систем можно выделить следующие перспективы:

• создание новых носителей, в том числе, использующих биологические принципы, и разработка методов доступа к банковским системам (идентификация, услуги карточек и т.д.);

• распознавание образов (идентификация) и т.д.;

• создание систем идентификации на базе биологических принципов;

• создание робототехники и ее широкое внедрение во все сферы деятельности человека и т.д.