Лекция Понятие информационно-вычислительных систем

Вид материала

Содержание

Примерный ответ
История развития Вычислительных систем
Основные идеи Ч. Бэббиджа для аналитической машины
Режим работы ЭВМ
Вычислительный элемент
Вычислительный элемент
Вычислительный элемент
Вычислительный элемент
Тенденции развития Вычислительных систем
С децентрализованным управлением

Подобный материал:

Лекция 1. Понятие информационно-вычислительных систем.

Определение. Вычислительная система – это совокупность одного или нескольких компьютеров или процессоров, программного обеспечения и периферийного оборудования, организованная для совместного выполнения информационно-вычислительных процессов.

Таким образом:

ВС = Компьютер + ПО + Периферийное оборудование. Причем стоимость ПО или периферийного оборудования современной ВС >> стоимость компьютера.
Раньше говорили о Вычислительных системах. Теперь особое значение приобрела передача/обработка информации нечисловой природы, так что ввели уточнение: информационно-вычислительная система. Дальше положим, что термины ВС и ИВС совпадают.
Соотношение понятий ВС и ИС? Примерный ответ: Информационная система – это более общее понятие. Построение информационной системы начинается с определения целей, затем функций и наконец методов, ее составляющих. При этом техническое и программное обеспечение информационной системы может быть различным (существуют ручные ИС). Понятие «вычислительная система» таким образом охватывает лишь часть обеспечивающих подсистем некоторой ИС (техническое, программное, математическое и частично информационное обеспечение). Следует помнить, что нельзя создавать, либо каким-либо образом изменять («усовершенствовать», «оптимизировать») ВС, если это не продиктовано требованиями, продиктованными функциями какой-либо Информационной Системы. Проводить модернизацию ради модернизации или автоматизацию ради автоматизации – глупо!
Классические ВС – многомашинные (многопроцессорные). Хотя ПК – это тоже ВС. Появление ВС с параллельным выполнением операций связано с необходимостью повышения производительности и надежности. Последовательное выполнение операций уже не может быть ускорено по ряду причин:
- Технологические (практически достигнут технологический предел плотности элементов на кристалле процессоров);
- Физические (скорость света – предел распространения сигналов между элементами ВС; время передачи сигнала << времени переключения электронных схем).
Соотношение между понятиями «Вычислительная система» и «Вычислительная машина» - понятно. ВС может включать в себя несколько ВМ или строиться на базе многопроцессорной ВМ.

История развития Вычислительных систем

3000 лет до н. э. Изобретены первые счеты – абак. Счетная доска с полосами, в которых клали камни или аналогичные предметы. 5-4 вв. до н. э. – Древний Рим, Древняя Греция. Прообраз русских счетов. В Японии – национальная разновидность счетов (соробан) популярна до сих пор.
1492 г. Леонардо да Винчи приводит эскиз суммирующего устройства.
1623 год – Вильгельм Шиккард (профессор Тюбингенского университета) разрабатывает устройство для сложения и вычитания шестизначных чисел на основе зубчатых колес.
1642 год – «Паскалин» Блеза Паскаля. Первое известное реально существующее механическое вычислительное устройства. Последние изготовленные Паскалем модели оперировали числами длиной в восемь цифр (сложение и вычитание).
1672 год – Механический калькулятор Готфрида Лейбница, который выполнял сложение, вычитание и умножение и деления (путем механической имитации известных всем умножения и деления «столбиком»). В 1723 году на основе его идей Христиан Людвиг Герстен создает улучшенную версию машины, в которой, в частности, добавлена возможность контроля за вводом некоторых данных.
1804 год – Жозеф Мари Жаккарт способ автоматического контроля за нитью при работе на ткацком станке. Способ заключался в использовании специальных карточек с просверленными в нужных местах (в зависимости от узора, который предполагалось нанести на ткань) отверстиями. Таким образом, он сконструировал прядильную машину, работу которой можно было программировать с помощью перфокарт. Работой станка управляла колода таких перфокарт, программируя один ход челнока. Переходя к новому рисунку, оператор просто заменял одну колоду перфокарт другой.
1834 год – Английский математик Чарльз Бэббидж разработал проект первого компьютера – «аналитической машины».

Основные идеи Ч. Бэббиджа для аналитической машины:

Устройство для хранения чисел отделены от устройства, предназначенного для выполнения арифметических операций (в предыдущих счетных машинах они были совмещены).
Дальнейшее развитие этого принципа позволило Бэббиджу предложить совершенно новую структурную организацию машины. В ее состав должны были входить:

а) «склад» (store) для хранения чисел (по современной терминологии – запоминающее устройство, «память»);

б) «мельница» (mill) для выполнения арифметических операций –арифметическое устройство;

в) устройство, управляющее в определенной последовательности действиями машины (автор не дал ему названия, но сейчас оно называется устройством управления);

г) устройства ввода и вывода данных;

д) в поздних работах он указывал на возможность создания и подключения к своей машине целого ряда периферийных устройств: например, пишущей машинки и графопостроителя.

Бэббидж рассматривал возможность представления чисел в машине не только в десятичной системе счисления, но и в системах с основанием 2, 3, 4, 5 и 100.
Оценивая возможности будущей машины, Бэббидж предположил, что она может быть использована для выполнения операций не только над числами, но и над алгебраическими выражениями. В дальнейшем, ученый совместно с леди Адой Лавлейс Байрон высказал соображения, чрезвычайно важные для современного программирования: предложил идеи «цикла», «библиотеки подпрограмм», операции «условной передачи управления».
Бэббидж также предложил вариант Аналитической машины с двумя «мельницами», каждая их которых, работая параллельно, выполняла бы вычисления над 30-разрядными числами; будучи соединены между собой, они смогли бы обрабатывать числа с вдвое большей разрядностью.
Для устройства управления на верхнем уровне, то есть для программирования своей машины Бэббидж предлагал использовать механизм аналогичный механизму ткацкого станка Жаккара – с использованием перфокарт.

1880 год – швед Вильгод Однер, живущий в России конструирует арифмометр – значительно более совершенный аналог машины Лейбница. Арифмометры приобрели большую популярность в нашей стране и за рубежом, в СССР производились до 50-ых (70-ых) годов прошлого века.
1884 год – Американский инженер Герман Холлерит создает машину для переписи населения, которая позволяет собирать статистическую информацию путем обработки специальных карт – перфокарт. Формат изготовленной им перфокарты без изменений просуществовал до наших дней: размер – с долларовую банкноту, содержит 240 (20×12) позиций. В 1890 году в США впервые была проведена автоматизированная перепись населения с использованием машины Холлерита. В 1896 году Г. Холлерит создает компанию Tabulating Machine Company, из которой впоследствии выросла компания IBM.
1936 год – Английский математик Алан Тьюринг для точного определения понятий и алгоритма предложил абстрактную машину, названную машиной Тьюринга.
1938 год – Конрад Цузе конструирует электромеханическую универсальную вычислительную машину, которая обладала всеми признаками современного компьютера.
1945 год – Американский ученый Джон фон Нейман сформулировал принципы, которым должна соответствовать архитектура вычислительных машин.

До сих пор архитектура фон Неймана остается стандартом, в соответствие с которым построено огромное количество вычислительных систем. В первую очередь, все ПК.

С 1946 года, с появления машины ENIAC можно говорить о начале современной эры вычислительных машин (все, что было до этого – лишь предыстория, вычислительные системы 0-го поколения).

С середины прошлого века получили широкое развитие и распространение электронные цифровые вычислительные машины (ЭВМ), эволюцию которых обычно рассматривают в виде последовательности сменяющих друг друга поколений. Следует помнить, что развитие возможностей вычислительной техники происходило не только за счет усовершенствования элементной базы машин, но и за счет развития периферийного и сетевого оборудования, а также постоянного совершенствования программного обеспечения. Таким образом, можно говорить о комплексной эволюции компьютерных информационных технологий за последние 60 лет.

Период	Цель использования ВС	Применяемые вычислительные машины	Режим работы ЭВМ	Уровень интеграции данных	Пользователи
40-50	Научно-технические расчеты	ЭВМ 1-го поколения. Вычислительный элемент: электронные вакуумные лампы; Быстродействие: 2-20 тыс. операций в секунду; Класс: Большие ЭВМ; ПО: Машинные языки, языки ассемблера. Примеры: ENIAC (США), БЭСМ, Минск-1 (СССР)	Однопрограммный	Низкий	Инженеры-программисты (машинный зал)
60	Технические и экономические расчеты	ЭВМ 2-го поколения. Вычислительный элемент: дискретные полупроводниковые приборы (транзисторы); Быстродействие: 10-100 тыс. операций в секунду; Класс: Мини ЭВМ; ПО: Языки высокого уровня (Кобол, Фортран), ОС, программные комплексы управления производством. Примеры: IBM-701 (США), БЭСМ-6, Проминь (СССР)	Пакетная обработка	Средний	Профессиональные программисты
70	Управление и экономические расчеты	ЭВМ 3-го поколения. Вычислительный элемент: полупроводниковые интегральные микросхемы; Быстродействие: около 1 млн. операций в секунду; Класс: Мини ЭВМ; ПО: Развитие ОС и прикладных программ, стоимость ПО впервые превышает стоимость ВМ; Примеры: IBM-360 (США), ЕС-1030, ЕС-1060 (СССР)	Разделение времени	Высокий	Программисты
80	Управление и предоставление информации	ЭВМ 4-го поколения. Вычислительный элемент: ИС и СБИС; Быстродействие: десятки млн. операций в секунду; Класс: Микро ЭВМ, ядро которых составляет микропроцессор; ПО: Стремительное развитие ПО для решения разнообразных задач; Примеры: IBM PC (США), ЕС-1840, Эльбрус-2 (СССР)	Персональная работа	Очень высокий	Пользователи, прошедшие специальную подготовку
90-н.в.	Телекоммуникации, информационное обслуживание и управление	ЭВМ 4-го поколения с постоянно возрастающим быстродействием (десятки и сотни млн. операций в секнду) и все более совершенными периферийными устройствами.	Сетевая обработка	Сверхвысокий	Пользователи без специального опыта (мобильные)

Тенденции развития Вычислительных систем:

Миниатюризация ЭВМ (от больших ЭВМ к микро-ЭВМ, КПК)
Стремительный рост быстродействия ЭВМ. Закон Мура: производительность процессоров (более точно: количество транзисторов в микросхеме) удваивается каждые 1.5-2 года. Пример. Intel 4004 (выпущенный в 1971 году) содержал 2250 транзисторных элементов и имел тактовую частоту 0.1 MHz. Первый Pentium 4 (выпущенный в 2000) содержал 42 миллиона транзисторных элементов и работал с частотой 1.3 GHz. Таким образом емкость микропроцессоров за 29 лет выросла в 18 666.6 раз. Это значит, что за 29 лет эта величина удваивалась не менее 14 раз, то есть приблизительно каждые 2 года. Последние 6-7 лет специалисты говорят, что закон Мура вот-вот перестанет действовать из-за технологических ограничений.
На первое место выходят задачи по информационному обеспечению деятельности человека.
Исходя из предыдущего: ЭВМ должны оперировать более сложными объектами, чем просто числа. Следовательно, все более сложным и дорогим (по внутреннему устройству, по интерфейсу – наоборот!) становится программное обеспечение.
Развитие телекоммуникационных сервисов и методов сетевой обработки данных.
Доступность все более широкому кругу пользователей. Во-первых, требуемый уровень предварительной подготовки все ниже. Во-вторых, уровень свободы местонахождения пользователей (мобильность) все выше.
Продолжается развитие всех появившихся классов ЭВМ: больших, мини и микро, но вектор развития у каждого класса свой.

Виды Вычислительных Систем

Одномашинные (вычислительные машины);
Многомашинные (например, вычислительные сети);
Многопроцессорные.

Однородные, то есть построенные на основе однотипных компьютеров или процессоров, что позволяет использовать стандартные наборы программных средств и типовые протоколы сопряжения устройств;
Неоднородные, то есть включающие в свой состав различные типы компьютеров или процессоров, из-за чего при построении системы приходится учитывать их различные технические и функциональные характеристики.

Некоторые специалисты (особенно практики) дают понятие однородности вычислительных сетей, отличное от понятия однородности вычислительной системы. Однородность вычислительной сети в этом случае предполагает наличие программной совместимости ее узлов. То есть локальная сеть, в которой объединено несколько персональных компьютеров, управляемых разными ОС (например, Unix и Windows), является, по их мнению, неоднородной вычислительной сетью. Поэтому при указании однородности/неоднородности вычислительной системы/сети об этом нужно помнить и точно выяснять что имеется в виду в данном конкретном случае.

Оперативные, то есть функционирующие в реальном масштабе времени, что позволяет реализовывать оперативные режим обмена информацией и незамедлительно получать ответы на свои запросы;
Неоперативные, в которых допускается режим «отложенного ответа» и результаты выполнения запроса получаются с некоторой задержкой (иногда в следующем сеансе работы системы).

С централизованным управлением (имеется выделенный компьютер или процессор, управляющей всей системой в целом);
С децентрализованным управлением (узлы системы – равноправны и могут брать управление на себя) Примеры: Глобальные вычислительные сети, вычислительные системы с перестраиваемой структурой.

Территориально-сосредоточенные;
Распределенные (вычислительные сети).

Структурно одноуровневые – имеется один общий уровень обработки данных;
Многоуровневые (иерархические) – машины (процессоры) распределены по разным уровням обработки информации, некоторые машины могут специализироваться на выполнении определенных функций (работа с внешними устройствами, выполнение специализированных задач).

Blog

Лекция Понятие информационно-вычислительных систем

Содержание