5.4. Типовые вычислительные структуры и их программное обеспечение.
Универсальной структуры вычислительной системы, одинаково хорошо обрабатывающей задачи любого типа не существует, но можно выделить четыре основных архитектурных признаков вычислительной системы, представленной на рис. 33:
Одиночный роток команд - одиночный поток данных (ОКОД) – Single Instruction Single Data (SISD) - одиночный поток инструкций - одиночный поток данных.
ОКОД структуры реализуют два уровня программного параллелизма: операторы и команды; фазы отдельных команд. Данный тип архитектуры объединяет любые системы в однопроцессорном (одномашинном) варианте.
Одиночный поток команд - множественный поток данных (ОКМД) – Single Instruction Multiple Data (SIMD) - одиночный поток инструкций - множественный поток данных.
ОКМД структуры реализуют циклы и интеграции (повторение математических операций), операторы и команды, фазы отдельных команд программного параллелизма, используя матричные или векторные структуры обработки. В них эффектно решаются задачи матричного исчисления, задачи решения систем алгебраических и дифференциальных уравнений, задачи теории поля, задачи аэродинамики, геодезические задачи, но эти структуры являются дорогостоящими по стоимости и эксплуатации.
Множественный поток команд - одиночный поток данных (МКОД) - Multiple
Instruction Single Data (MISD) - множественный поток инструкций -одиночный поток данных.
МКОД-структуры предполагают построение своеобразного процессорного конвейера, в котором результаты обработки данных передаются от одного процессора к другому по цепочке. Выгоды такой обработки заключены в конвейерной схеме совмещения операций, где параллельно работают различные функциональные блоки, каждый из которых делает свою часть в цикле обработки команд. Однако указанная структура не получила большой практической реализации, так как задачи, в которых несколько процессоров могли бы эффективно обрабатывать один поток данных,:в науке и технике неизвестны. К этому классу можно отнести фрагменты многофункциональной обработки данных или команд с фиксированной и плавающей точкой.
4. Множественный поток команд - множественный поток данных (МКМД) - Multiple Instruction Multiple Data (MIND) - множественный поток инструкций - множественный поток данных.
МКМД-структуры предполагают, что все процессоры системы работают по своим программам с собственным потоком команд. В простейшем случае они могут быть автономны и независимы. Такая схема использования ВС часто применяется на многих крупных вычислительных центрах для увеличения пропускной способности.
Слабосвязанные МКМД-системы строятся как многомашинные комплексы и могут использовать в качестве средств передачи информации общее поле внешней памяти на дисковых накопителях большой емкости.
В сильносвязанных МКМД-системах пользователь имеет дело с многопроцессорным вычислительным комплексом, где высокая оперативность взаимодействия процессоров достигается за счет общей оперативной памяти. Все процессорные элементы в таких системах должны быть связаны единой коммуникационной средой.
Под программным обеспечением ВС понимается комплекс программных средств, предназначенный для подготовки и решения задач пользователя.
Процесс создания программ для ВС (рис. 34) можно представить как последовательность следующих этапов (действий):
формулировка проблемы и математическая постановка задачи;
выбор метода и разработка алгоритма решения;
программирование (запись алгоритма) с использованием некоторого алгоритмического языка;
планирование и организация вычислительного процесса - порядка и последовательности использования ресурсов ЭВМ и ВС;
формирование «машинной программы», то есть программы, которую непосредственно будет выполнять ЭВМ;
собственно решение задачи - выполнение вычислений по готовой программе.
В состав программного обеспечения входят общесистемные и специальные программные продукты, а также техническая документация.
К общесистемному программному обеспечению относятся комплексы программ, ориентированных.на пользователей и предназначенных для решения типовых задач обработки информации.
Специальное программное обеспечение представляет собой совокупность программ, разработанных при создании конкретной информационной системы. В его состав входят пакеты прикладных программ (ППП), реализующие разработанные модели разной степени адекватности, отражающие функционирование реального объекта.
Техническая документация на разработку программных средств должна содержать описание задачи, задание на алгоритмизацию, алгоритм решения задачи, экономико-математическую модель задачи, контрольные примеры.
Задачи - problem, task - проблема, подлежащая решению.
Приложение - application - программная реализация на компьютере решения задачи.
Алгоритм - algorithm - совокупность четко определенных правил, процедур или команд, обеспечивающих решение постановленной задачи за конечное число шагов.
По мере развития вычислительной техники автоматизация этапов программирования идет снизу вверх.
В ЭВМ первого поколения автоматизации подлежал только последний (шестой) этап программирования. Все пять предыдущих этапов пользователь должен был готовить вручную самостоятельно. Для ЭВМ второго поколения характерно широкое применение алгоритмических языков (Автокоды, Алгол, Фортран, Паскаль и др.) и соответствующих трансляторов, позволяющих автоматически формировать машинные программы по их описанию на алгоритмическом языке.
ЭВМ третьего поколения характеризуются расцветом операционных систем (ОС), отвечающих за организацию и управления вычислительным процессом. ОС планирует последовательность распределения и использования ресурсов вычислительной системы, а также обеспечивает их согласованную работу.
В ЭВМ четвертого поколения продолжается усложнение технических и программных структур (иерархия управления средствами, увеличение их количества). Следует отметить заметное повышение «интеллектуальности» машин. Особенно это стало видно при появлении ПЭВМ, ориентированных на определенные категории пользователей.
В настоящее время в зависимости от возлагаемых на них задач различают следующие виды программ ВС:
системные, входящие в состав ОС;
управляющие, предназначенные для управления работой систем либо их частей;
прикладные программы, призванные выполнять задания пользователей;
восстановления, обеспечивающие запуск систем после отказов или ошибок;
ввода-вывода, осуществляющих ввод-вывод данных в/из компьютера
передачи данных;
диагностические, которые распознают и локализуют неисправности либо ошибки в работе;
связи со специалистами - операторами, предназначенные для приема и выполнения их команд и других действий.
