Теория вычислительных систем

Введение

Вычислительная техника с момента своего зарождения в середине прошлого века прошла очень непростой, но стремительный и успешный путь, который отмечен периодическими сменами поколений электронных вычислительных машин (ЭВМ). Этот процесс имеет определённый набор закономерностей:

1. Вся история развития электронных вычислительных систем отмечена доминированием стандартной структурной организации, то есть структуры фон Неймана, которая основана на методике последовательных вычислений.
2. Главным направлением усовершенствования вычислительных систем считается постоянный рост их производительности и интеллектуальных свойств.
3. Модификация вычислительных систем выполнялась в комплексном режиме, то есть совершенствовалась элементно-конструкторская база, структурные и аппаратные решения, системный и программный, а также пользовательский и алгоритмический уровни.
4. В последнее время стал заметен кризис классических структур вычислительных систем, который связан с тем, что все основные идеи последовательного счёта себя исчерпали. На пределе возможностей находится и микроэлектроника, возможности которой также имеют границы.

Далее непрерывное развитие вычислительного оборудования может быть прямо сопряжено с использованием параллельных вычислений, с реализацией многопроцессорных систем и сетей, которые соединяют значительное число отдельных процессоров и (или) компьютеров. В этом направлении могут появиться просто гигантские возможности по усовершенствованию вычислительных систем. Однако необходимо заметить, что при безусловно заметных достижениях в сфере параллельных вычислительных процессов, пока нет их единой теоретической базы.

Теория вычислительных систем

Сам термин «вычислительная система» возник в шестидесятые годы прошлого века, когда появись компьютеры третьего поколения. Именно в тот период был осуществлён переход к новой элементной базе, а именно, интегральным схемам. Как следствие, появились новые технические решения, такие как, отделение процессов информационной обработки от ввода и вывода данных, общий коллективный доступ с общим использованием доступных вычислительных ресурсов во времени и пространстве. Были разработаны сложные режимы использования ЭВМ, а именно, многопользовательская и многопрограммная обработка.

Отражением этих новшеств и стало появление термина «вычислительная система». У него нет однозначного истолкования в литературе, и часто его даже относят к однопроцессорным компьютерам. Тем не менее, общим здесь может считаться выделение возможности формирования параллельных вычислительных ветвей, чего нет, и не предполагалось в стандартной структурной организации компьютеров.

Вычислительной системой является набор связанных взаимно и взаимодействующих между собой процессоров или компьютеров, набора периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенный для сбора, сохранения, обработки и перераспределения информации. Главным отличием вычислительной системы от компьютера считается присутствие в ней набора вычислителей, которые способны реализовать параллельную обработку. Формирование вычислительной системы имеет следующую совокупность целей:

1. Увеличение производительности системы за счёт повышения быстродействия в процессах информационной обработки.
2. Увеличение уровня надёжности и достоверности вычислительных процессов.
3. Обеспечение пользователей рядом дополнительных сервисных услуг и так далее.

Однако параллельные вычисления способны существенно усложнить управление вычислительными процессами, использованием аппаратного и программного обеспечения. Данные функции возложены на операционную систему вычислительной системы.

Базовые принципы, которые учитываются при реализации вычислительных систем, следующие:

1. Возможность использования системы в различных режимах работы.
2. Модульная структура аппаратного и программного обеспечения, которая даёт возможность усовершенствования и модернизации вычислительных систем без коренного их переоборудования.
3. Применение унификации и стандартизации технических и программных решений.
4. Иерархический принцип организации управления процессами.
5. Обеспечение способности системы адаптироваться к изменяющимся условиям, способности к самонастройке и самоорганизации.
6. Наличие необходимых сервисных возможностей для пользователей при осуществлении вычислений.

На текущий момент имеется уже значительный практический опыт в проектировании и применении вычислительных систем различного использования. Данные системы могут иметь значительные отличия между собой по параметрам и набору возможностей. Отличия начинаются уже на уровне структурной организации.

Структурой вычислительной системы является набор составляющих её компонентов с их связями. Компонентами вычислительной системы могут быть отдельное компьютерное оборудование и процессорные модули. В вычислительных системах, которые относятся к категории больших систем, могут рассматриваться в качестве отдельных структур технические, программные, управленческие и другие структуры.

Известны следующие признаки, по которым может осуществляться классификация вычислительных систем:

• Целевое предназначение и исполняемые функции.
• Количество компьютерного оборудования или процессорных модулей.
• Архитектурная организация системы.
• Совокупность режимов работы.
• Методика управления компонентами системы.
• Уровень разобщённости компонентов вычислительной системы и другие признаки.

Но главными из них считаются признаки структурной и функциональной организации вычислительной системы.