02.09.11

Эволюция развития компьютерных средств, методы исследования. Особенности классификации.

Компьютерные системы считаются основным средством преобразования данных и составляет основной объект компьютерных наук. Основной причиной появления компьютерных систем являеться необходимость постоянного увеличения уровня производительности, надежности и живучести.

Главный принцип увеличения производительности компьютеров был высказан Лебедевым в середине 50х годов, как «Повышение производительности ЭВМ заключается в одновременной работе составных частей» Такой тезис имел уже практическое применение в американских и английских машинах, которые были созданы к тому времени. В этом тезисе указано только временную составляющую. Пространственная реализация не указана, поэтому до сих пор не существует строгой теории одновременной работы компьютерных средств и имеется несколько главных направлений , которые решают только некоторые классы задач.

Общая теория систем определяет систему, как целое объединение части. Относительно технических систем существует следующее определение: Система – это многоэлементная конструкция, элементы которой находятся во взаимодействии.

Определяя систему, как объект исследования, применяют как правило математическое или физическое моделирование.

Модель – это представление в форме, отличной от реальной исследуемых характеристик объекта или процесса. Процесс использования модели составляет моделирование.

Физическое моделирование – определяет использование модели, которое построено с сохранением физической природы исследуемого объекта или процесса.

В математическом моделировании исследуемы характеристики отображаются с помощью формализации теорий, аппарате математики, логики, лингвистики и т. Д. Для математических моделей широко применяется компьютерная техника, в то время, как для физического применяется натуральный эксперимент.

Примеры физического моделирования: Аэродинамические трубы для исследования изделий авиации. Примером математического моделирования служит уравнение.

По общей теории систем в высшем уровне описания является лингвистическо - символический. На таком уровне возможно точное описание предметной области, описание в виде высказываний, возможно в виде применения вербального аппарата, с помощью которого возможно точно представить соотношение целого и части. Такой аппарат высказываний состоит из термов и функторов.

Термы – высказывания об объектах, входящих в систему.

Функторы – отношения между объектами.

По определению Месаровича, система – это множество истинных высказываний.

Опираясь на аппарат термов и функторов , используют другой уровень описания: теоретико-множественный, согласно которому система – это множество объектов, между которыми существуют определенные отношения.

На этом уровне описания систему можно представить в виде набора множеств : C = <x,R>.

Используя теорию множеств, каждое отношение можно представить в виде результата декартового отношения подмножеств объекта x1, входящих в множество X:

r→(x1,x2)

R^n→x1*x2*x3….*xn

Топологический уровень может быть довольно успешно применен, если отношения между объектами являются многозначными функциями и такие отношения можно представить в виде деревьев или ветвей, отражающих все возможные варианты отношений.

Уровень динамики отношений: каждый объект, входящий в систему представим в виде моделей «черного ящика», в котором фиксированные входы и выходы.

На входы можно подать различного вида сигналы: энергетические, информационные и другие.

Фиксируя на выходе измененные или не измененные входные значения, которые появляются с задержкой времени или без, можно составить определенную картину работы всей системы.

Модель системы в виде черного ящика предполагает 2 подхода:

1. Функциональный, который базируется на значениях входа и выхода, по которым предположительно определяется функция системы или отдельно взятого элемента.

2. Структурный: Предполагается частичное воспроизведение внутреннего устройства системы, при этом часть «черного ящика» воспроизводиться в виде моделирования внутреннего механизма.

Существует много методов исследования систем, первым из которых является метод декомпозиции, сущность которого заключается в исследовании системы по методу изучения СИСТЕМА – ПОДСИСТЕМА – ЭЛЕМЕНТ. Подсистемой считается часть системы, объединяющая некоторое количество элементов, работающих под общим управлением системы или автономном режиме.

Элемент – «часть системы», формально не подлежит разделению на составные части. Такой метод исследования направлен прежде всего на уменьшение объема работы, так как позволяет выявить одинаковые части с той или иной степенью гомо- или изо- морфизма, при этом возможен вариант, что для исследования системы достаточно произвести исследование одного элемента или его части.

Определяют открытые системы, как таковые, которые под действием внешней среды могут изменять свое функционирование, структуру или свойства. Если система не изменяет параметры, то она закрытая.

Итак, к общей теории систем, Система - это целое объединяющее составные части, которые работают, реализуя отношения между частями под единым управлением.

Основная задача моделирования состоит в том, чтобы определить какие существенные характеристики можно получить, объединяя объекты в одно целое.

Для компьютерной системы характерна эволюция от единичного объединения ЭВМ-процессоров до объединения в десятки тысяч вычислительных слотов в единую систему.

Каким же образом отличается простое объединение средств от компьютерной системы?

Компьютерная система – это многоэлементная конструкция, элементы которой находятся во взаимодействии, связаны физически и программно и реализуют заданные под единым управлением посредством вычислений.

Даже если система реализует Nпараллельных заданий, не связанных друг с другом, тем не менее распределение ресурсов, контроль надежности, обеспечение живучести, являеться общим системным вопросом и составляет отличительный признак системы от других типов компьютерных средств.

Для изучения и исследования используют прежде всего классификации изучаемых объектов. Для составления классификации компьютерных систем выбирают следующие факторы:

1. Структурные характеристики

2. Тип обработки – преобразование данных

3. Организация вычислительного процесса, включает взаимодействие потоков команд и потоков данных и компьютерной арифметики и алгебры.

4. Целевое назначение компьютерной системы

5. Технологическая реализация

6. Доминанты основного принципа построения (обработка, передача, хранение)

Под архитектурой компьютерной системы понимают совокупность структурно-аппаратной реализации и необходимого программного обеспечения, которое включает математическое, прикладное и программное. В соответствии с этим, компьютерные системы занимают диапазон от полностью структурно-аппаратных до полностью программных систем (виртуальных систем и ЭВМ).

По характеристике универсальности, структурно-аппаратные занимают низший уровень, программные – высший. По уровню производительности – наоборот. Отличие компьютерных средств от уровня системы можно разрешить как добавлением структурно-аппаратных средств, так и добавлением соответствующего программного обеспечения. Вполне корректным явлется то, что на однопроцессорной машине может быть с помощью программного обеспечения организовано программно - ориентированная система. При этом вся совокупность может быть представлена, как компьютерная система.

В настоящее время выделено ряд неотложных задач, решение которых по мнению ЮНЕСКО необходимо решить для прогноза и развития глобального масштаба:

1. Теория и методы прогнозирования

2. Ядерно-магнитный резонанс и атомная энергетика

3. Искусственный интеллект и проблемы человеческого мозга

4. Здоровье населения и медицина

5. Космос

6. Мировой океан

7. Экология

Под все перечисленные проблемы разрабатываются лучшие образцы компьютерных систем и супер ЭВМ. В соответствии с этим, исследования по теории и практике являются актуальными.

Лучшими образцами в Украине являются грид-системы, базовыми элементами которых являются кластерные системы.

16.09.11

Типи комп’ютерної обробки. Класифікація комп’ютерних систем

Першою комп. моделлю була машина Тюрінга та Паста, яка передбачала перетворення інформації шляхом запису у відповідні комірки пам’яті символів або чисел за деяким алгоритмом. Такий тип 1-го комп’ютера передбачав послідовне виконання інструкції і тому визначив тип обробки даних як послідовний – за 1 крок 1 дія. Подальший розвиток комп’ютерів реалізував той досвід, який був у машинобудуванні, а саме конвеєрний принцип, за яким ланки послідовної обробки створював комплексний ланцюг, на виході якого був сформований результат. Складові частини працювали паралельно і це визначило паралельно–послідовний тип обробки. Маючи великий успіх у технологіях стало можливим реалізувати пристрої та системи, які надійно працюють одночасно. Все це є підставою для реалізація паралельного принципу обробки, який є домінуючим серед сучасних комп’ютерів.

Приклади архітектур за типами обробки: послідовна обробка втілена в класифікацію архітектури фон Неймана, який разом зі співробітниками зробив перший крок у створені науки про комп’ютери, зробив узагальнення в існуючому на той час варіантом ЕОМ, а саме: архітектуро фон Неймана називають структуру з 5 блоків, яка має пристрій керування , арифметичний пристрій , пам'ять , пристрій вводу, пристрій виводу. На той час програма була представлена у машинному коді, пристрій керування розшифровував «інструкцію», яка виконувалась чотирма блоками. За 1 цикл виконувалась тільки 1 інструкція, керування було апаратним , довжина слова формувалася як потрібно для розв’язанні задачі. З появою конвеєрних систем було запропоновано будувати роботу пристрою керування та арифметичних пристроїв на декількох складових частинах, тобто в архітектурі пристроїв керування було кілька кроків по інтерпретації команд. Арифметичні пристрої будуються з декількох функціональних пристроїв, що дозволяють скоротити виконання команди до часової затримки на останньому блоці арифметичного пристрою.

Паралельна обробка передбачає деякий ансамбль функціональних пристроїв, які пов’язані між собою системою комутації або системою запам’ятовуючих пристроїв. Найбільш перспективним вважається паралельний тип обробки за показниками продуктивності та за економ показником. Паралельна обробка охоплює паралельну, конвеєрну та багатооперандну обробку. Загальна теорія систем передбачає, що паралельна обробка реалізує повтор основної функції обробки за завданням користувача або розробника системи.

Конвеєрна обробка – передбачає розділення основної функції обробки на складові функції, які мають час виконання на порядок менший, ніж основна.

Багатооперандний тип обробки передбачає, що декілька функцій обробки замінюються єдиним макрооператором, який одночасно виконує інтегровану обробку над всіма функціями, які складають макрооператор, та над даними, які перетворюють складові функції. Такий тип обробки був запропонований Карцевим і Брікон, які запропонували на підставі аналізу обчислювального алгоритму такий принцип: якщо в більшому алгоритмі перетворення багатьох початкових даних має за мету тільки 1 результат та слід розглядати роботу комп’ютера як пристрій реалізації інтегрованого обчислення. Приклад таких обчислень:

Такий оператор є типовим для лінійного алгоритму, цифрової обробки сигналів та багатьох обчислювальних алгоритмі. Якщо задача потребує розв’язань по багатьом гілкам, то обчислення одної гілки має ознаки таких обчислень. На даний час не існує інших прикладів комп’ютерної обробки. Інші можливо мають таку фізичну природу, яка відрізняється від представлення дискретною математикою.

ІІ

Комп’ютерна наука, як і інші науки, для формування базових понять та законів формулюють базовий опис об’єкту дослідження у вигляді класифікацій. Одна з найбільших вдалих або корисних була запропонована Фліном і будується на характеристичних задачах та характеристичних структурах комп’ютерних засобів. По Фліну, на комп’ютерний засіб спрямовано 2 потоки: данні та команди. Використовують варіанти: єдиний потік даних(ЄД) або множинний потік даних(МД),єдиний потік команд(ЄК) або множинний потік команд(МК). Флін запропонував варіанти комбінації таких моделей і отримав 4 варіанти комп’ютерних засобів, які реалізують: ЄДЄК, ЄДМК, МДЄК, МДМК. Такі варіанти склали таксони по Фліну, які охоплюють вісі існуючі архітектури і, як з’ясувалося, ця класифікація може бути використана не тільки як апаратором для аналізу, а й формування нових архітектур комп’ютерних систем Граф інтери.(??) кожного таксону:Розглянемо класифікацію Фліна на операційному рівні(ОР). ОР комп. засобів орієнтований на бінарну арифметику, тобто операційний вузол, якій реалізує базові операції, перетворює 2 операнди на 1 результат – І таксон. Якщо розділяти всі архітектури за класифікацією Фліна то в І таксон попадають всі послідовні ЕОМ, а в ІІ,ІІІ,IV – паралельні; послідовно-паралельні входять у всі таксони. З цього аналізу можна зробити висновок, що різні типи обробки можна реалізувати кількома варіантами. Є пропозиція удосконалити класифікацію. По-перше, така класифікація загальна, не відповідає вимогам по аналізу систем комутації, організації запам’ятовуючих пристроїв, не відповідає на питання якої довжини машинне слово перетворюється засобами.

Були створені інші класифікації, які розв’язують названі проблеми: