Введение

Учебник предназначен для студентов, изучающих дисциплины «Вычислительные системы, сети и телекоммуникации» специальности 351400 «Прикладная информатика» гуманитарной прикладной области и «Вычислительные машины, сети и системы телекоммуникаций» специальности 071900 «Информационные системы в экономике», а также для слушателей институтов повышения квалификации, аспирантов и преподавателей, обеспечивающих учебный процесс по данным дисциплинам. Книга будет весьма полезна и для специалистов, связанных с современными информационными технологиями, и для широкого круга пользователей компьютеров.

Вычислительные системы, сети и телекоммуникации являются в современном обществе самыми востребованными ресурсами. Войдя в человеческую жизнь, компьютеры сейчас стали неотъемлемой частью нашей цивилизации. И хотя первая ЭВМ с автоматическим программным управлением была создана чуть более полувека назад, к настоящему моменту уже насчитывается пять поколений вычислительных машин. Столь бурного развития, вероятно, не претерпевала ни, одна технология.

Действительно, если признанная как первая большая ЭВМ «Эниак» (1946 год) занимала площадь около 90 м и весила более 30 тонн, то современный микропроцессор, способный вместить все электронное оборудование такой машины, имеет площадь всего 1,5 — 2 см, обеспечивая при этом такую вычислительную мощность, которая превышает суммарную вычислительную мощность всех ЭВМ, имевшихся в мире в середине 60-х годов. Первая ЭВМ содержала около 17 тысяч электронных ламп, а сейчас такое количество электронных компонентов технологии 0,15 мкм позволяют разместить в срезе человеческого волоса.

Темпы развития ЭВМ опровергли все самые смелые прогнозы. Например, президент и основатель одной из ведущих компьютерных фирм Digital Equipment Corporation Кен Олсон (Ken Olson) в 1977 году в одном из интервью сказал, что нет причин, по которым кому-нибудь захотелось бы иметь дома компьютер, а уже несколько лет спустя на рынке появился самый массовый в настоящее время персональный компьютер: сначала ПК фирмы Apple, а в 1981 году и IBM PC. Самый, наверное, известный в компьютерном мире человек, основатель и бессменный руководитель фирмы Microsoft Билл Гейтс (Bill Gates) утверждал в 1983 году,

что ни одной компьютерной программе никогда не понадобится более 640 Кбайт оперативной памяти, а сейчас его фирма выпускает программные продукты, требующие 128 Мбайт.

С развитием вычислительной техники расширяется сфера ее использованиях изменяется терминология. Термины вычислительная машина, вычислительной система, вычислительная сеть выросли из своего дословного толкования в части прилагательного «вычислительная». Уже давно названные объекты выполняют не только и не столько вычисления, сколько преобразования информации, а именно: накопление, хранение, организацию, толкование информации, то есть представляют собой фактически информационные системы. Тем не менее еще и сейчас в литературе часто используются традиционные, исторически сложившиеся их названия. Что касается толкования понятия вычислительная система, то в литературе имеются совершенно различные ее определения: от просто набора устройств обработки данных (автоматизированных или автоматических), от одиночного компьютера с его программным обеспечением, до совокупности нескольких взаимосвязанных вычислителей с их программным обеспечением и периферийным оборудованием, предназначенным для сбора, хранения, обработки и распределения информации. Вычислительная система может содержать лишь один компьютер, ибо начиная с 70-х годов компьютеры стали оснащаться многочисленными внешними устройствами, которые в совокупности действительно составляют систему. В данной книге будем придерживаться следующего определения:

Вычислительная система — совокупность одного и более компьютера или процессора, программного обеспечения и периферийного оборудования, организованная для совместного выполнения информационно-вычислительных процессов. В первых главах учебника уделяется внимание понятию информации, информационным, информационно-вычислительным и вычислительным системам, включая многомашинные и многопроцессорные, основным классам компьютеров. В последующих главах рассмотрены компоненты информационно-вычислительных систем, а именно: технические средства обработки информации, в том числе компьютеры; программное обеспечение, компьютерные сети и телекоммуникации. В заключительной главе обсуждаются вопросы эффективности и качества вычислительных систем.

Автор будет благодарен всем, кто пришлет свои замечания и предложения о содержании книги по электронному адресу компьютерной редакции издательства, или непосредственно на электронный адрес Broido@hotbox.ru.

От издательства

Ваши замечания, предложения, вопросы отправляйте по адресу электронной почты comp@piter.corn (издательство «Питер», компьютерная редакция).

Мы будем рады узнать ваше мнение!

На web-сайте издательства http://www.piter.corn вы найдете подробную информацию о наших книгах.

Часть I. Информатика  и вычислительные системы

Глава 1. Информация и ее свойства

Современная научно-техническая революция характеризуется гигантским возрастанием социального и экономического значения информационной деятельности  как средства обеспечения научной организации, контроля, управления и осуществления общественного производства. Сформировалась и бурно развивается особая, находящаяся на самом острие научно-технического прогресса отрасль народного хозяйства — индустрия информатики, эффективная организация которой все в большей степени обусловливает эффективное функционирование: всех прочих отраслей народного хозяйства.

По данным ЮНЕСКО в настоящее время уже более половины занятого населения развитых стран прямо или косвенно принимают участие в процессе производства и распространения информации. Так, по статистическим данным процесс перераспределения трудовых ресурсов из сферы материального производства и обслуживания в информационную сферу хозяйства США привел к тому, что уже сейчас в информационной сфере работает более 60% занятого населения страны. Это свидетельствует о начале перехода развитых стран на качественно новый этап их технического развития, который часто называют «веком информации». Действительно, материальные затраты многих стран на хранение, передачу и обработку информации превышают аналогичные расходы на энергетику.

Академик Б. Н. Наумов еще в 80-х годах писал, что «...индустрия обработки информации играет в настоящее время для промышленно развитых стран ту же роль, которую на этапе индустриализации играла тяжелая промышленность». (Вероятно, сказать более весомо о роли информации в НТП просто невозможно.) «В конце этого (ХХ-го. — В. Б.) столетия информационные ресурсы станут основным национальным богатством (промышленно развитых стран. — В. Б.), а эффективность их промышленной эксплуатации во все большей степени будет определять экономическую мощь страны в целом». Причем ведущую роль будут играть «активные» национальные ресурсы, то есть та часть ресурсов, которую составляет информация, доступная для автоматизированного поиска, хранения и обработки. В США, например, компьютерная информатика, занимавшая по объему капиталовложений совсем недавно третье место среди отраслей хозяйства (уступая лишь автомобильной промышленности и нефтепереработке), сейчас вышла на первое место.

Один из наиболее важных этапов развития научно-технического прогресса сегодня — микропроцессорная революция, для которой характерны широкое использование в системах обработки информации персональных компьютеров, микропроцессоров и принципиально новая организация обработки информации— распределенная обработка, максимально приближающая вычислительные ресурсы к пользователю. По возможному влиянию на общество феномен персональных вычислений сравнивают лишь с изобретением книгопечатания. Системы автоматизированного поиска, хранения и обработки информации, центральным звеном которых является компьютер, обычно называют системами обработки данных (СОД), имея в виду, что преобразованию в этих системах подвергается формализованная информация на синтаксическом уровне, то есть данные. Предметом и продуктом труда систем обработки данных является информация. Важным обстоятельством, обусловливающим необходимость ускоренного развития информационных систем, является ограниченность сырьевых, энергетических, экономических и человеческих ресурсов. Информация, включающая общественно-политические, научные, технические и общекультурные знания, — единственный вид ресурсов, который в ходе поступательного развития человечества не только не истощается, но увеличивается и вместе с тем содействует наиболее рациональному, эффективному использованию всех прочих ресурсов, их сбережению, а в ряде случаев расширению и созданию новых. Иными словами, информация в производственных системах выступает в известных пределах как ' взаимозаменяемый ресурс по отношению к трудовым, сырьевым, энергетическим и другим видам ресурсов. В зависимости от содержания и качества используемой для управления информации достижение заданной цели возможно различными, путями и, соответственно, при различных затратах ресурсов.

Информация с философской точки зрения — мера организации системы. Повышение организованности и упорядоченности за счет привлечения дополнительной или более качественной информации нередко становится более важным фактором развития производства, нежели вовлечение в производство дополнительных объемов труда, сырья энергии. Это тем более важно, что в первом случае система будет развиваться интенсивно, а во втором, при привлечении дополнительных материальных ресурсов, — экстенсивно. Использование информационных ресурсов повышает качество управления, ведет к интенсификации производства.  Следует преодолеть традиционные представления о том, что первостепенное  значение придается прежде всего вещественным компонентам производства,  и осознать, что информация также является неотъемлемой частью технологического процесса производства. Наступило время, когда информация стала таким же важным производственным ресурсом, как материя и энергия, таким же основным экономическим ресурсом научно-технического потенциала, как технические, трудовые и финансовые ресурсы. По отношению к информации должны  быть сформулированы те же показатели и критерии оценки, разработаны такие же приемы и методы управления, что и к прочим ресурсам и элементам процесса производства.

Особенности информации

Слово информация (латинское informatio) означает разъяснение, осведомление, изложение. Под информацией понимаются все те сведения, которые уменьшают степень неопределенности нашего знания о конкретном объекте. С позиции материалистической философии информация есть отражение реального мира; это сведения, которые один реальный объект содержит о другом реальном объекте.

Сама по себе информация может быть отнесена к категории абстрактных понятий типа математических, но ряд ее особенностей приближает ее к материальным объектам. Так, информацию можно получить, записать, удалить, передать; информация не может возникнуть из ничего. Однако при распространении информации проявляется одно ее свойство, которое не присуще материальным объектам: при передаче информации из одной системы в другую количество информации в передающей системе не уменьшится, хотя в принимающей системе оно обычно увеличивается. Если бы информация не обладала этим свойством, то преподаватель, читая лекцию студентам, терял бы информацию и становился неучем. Итак, информация не материальна, но информация является свойством материи и не может существовать без своего материального носителя — средства переноса информации в пространстве и во времени. Носителем информации может быть как непосредственно наблюдаемый физический объект, так и энергетический субстрат. В последнем случае информация представлена в виде сигналов: световых, звуковых, электрических и т. д. При отображении на носителе информация кодируется, то есть ей ставятся в соответствие форма, цвет, структура и другие параметры элементов носителя.

От выбора носителя и способа кодирования информации при выполнении конкретных информационных процедур во многом зависит эффективность функционирования системы управления. В системе управления информация, как правило, неоднократно изменяет не только свой код, но и тип носителя. Весьма распространенным способом кодирования информации является ее представление в виде последовательности символов определенного алфавита. Читая книгу, мы как раз и воспринимаем информацию, записанную на ее страницах в виде кодовых комбинаций (слов), состоящих из последовательности символов (букв, цифр) принятого алфавита. То же самое можно сказать и относительно информации, сообщаемой в процессе устной речи, обрабатываемой и передаваемой в вычислительных системах и т. п.

Одной из важнейших разновидностей информации является информация экономическая; ее отличительная черта — связь с процессами управления коллективами людей, организацией. Экономическая информация сопровождает процессы производства, распределения, обмена и потребления материальных благ и услуг, значительная часть ее связана с общественным производством.

Экономическая информация — совокупность сведений, возникающих в процессе производственно-хозяйственной, коммерческой и финансовой деятельности и используемых для осуществления функций организационно-экономического управления этой деятельностью.

Для экономической информации характерны:

● большой объем;

● многократное повторение циклов получения и обработки;

● временной регламент процедур обработки информации;

● значительный удельный вес телекоммуникационных процедур и логических операций преобразования информации;

● сравнительно несложные расчеты для большинства видов информации. Совокупность экономической информации любой сложности структурно можно свести к определенному набору минимальных семантических единиц — показателей, обладающих потребительной стоимостью.

Экономический показатель (ЭП) представляет собой контролируемый параметр объекта управления и состоит из наименования и значения. ЭП можно представить следующей формулой:

где — наименование показателя,  — значение показателя. С другой стороны, ЭП — совокупность логически связанных реквизитов, которые в общем случае могут характеризоваться наименованиями и значениями. С точки зрения реляционных моделей баз данных, ЭП — нормализованное отношение, соответствующее требованиям третьей нормальной формы.

Реквизит — логически неделимый элемент показателя, соотносимый с определенным свойством отображаемого информацией объекта или процесса. Реквизит нельзя разделить на более мелкие информационные единицы (буквы, цифры) без потери смысла. Каждый ЭП состоит из одного реквизиты-основания и одного или нескольких реквизитов-признаков. Реквизит-основание характеризует чаще всего количественную сторону объекта или процесса и определяет значение показателя; реквизиты-признаки характеризуют качественную сторону и определяют наименование показателя (идентифицируют показатель).

Итак, каждый ЭП характеризуется набором признаков, необходимых и достаточных для его идентификации. Исследование структуры показателя выявило необходимый минимум идентифицирующих признаков обобщенного показателя:

где Ф — идентификатор способа (как считается); П — идентификатор процесса обработки (что делается с объектом); О — идентификатор объекта (что считается); Е — идентификатор единицы измерения значений показателя; С — идентификатор субъекта управления (кто и где выполняет расчет); В — идентификатор времени (когда выполняется процесс); У — идентификатор функции управления (для чего используется показатель).

В свете идей семиотики (науки о знаковых системах) адекватность информации, соответствие ее содержания образу отображаемого объекта может выражаться в трех формах:

● синтаксической;

● семантической;

● прагматической.

Синтаксическая адекватность связана с воспроизведением формально-структурных характеристик отражения, абстрагировано от смысловых и потребительских (полезностных) параметров. На синтаксическом уровне учитываются:

● тип носителя;

● способ представления информации;

● скорость передачи и обработки информации;

● формат кодов представления информации;

● надежность и точность преобразования информации и т. п. Информацию, рассматриваемую только с синтаксических позиций, обычно: называют данными.

Семантическая адекватность выражает аспект соответствия образа, знака и объекта, то есть отношение информации и ее источника. Проявляется семантическая информация только при наличии единства информации (объекта) и пользователя. Семантический аспект имеет в виду учет смыслового содержания информации; на этом уровне анализируются те сведения, которые отражает информация, рассматриваются смысловые связи между кодами представления информации.

Прагматическая адекватность отражает отношение информации и ее потребителя, соответствие информации и цели управления. Проявляются прагматические свойства информации только при наличии единства информации (объекта), пользователя (субъекта) и цели управления. Прагматический аспект рассмотрения информации связан с ценностью, полезностью информации для выработки управленческого решения. С этой точки зрения анализируются потребительские свойства информации.

Три формы адекватности информации соответствуют трем ступеням познания истины: от живого созерцания к абстрактному мышлению и от него к практике— таков диалектический путь познания истины, познания объективной реальности. Первая ступень соответствует восприятию внешних структурных характеристик, то есть синтаксической стороны информации. Вторая ступень обеспечивает формирование понятий и представлений, выявление смысла, содержания информации. Третья ступень непосредственно связана с практическим использованием информации для целей деятельности системы.

Меры информации

В соответствии с тремя формами адекватности выполняется и измерение информации. Терминологически принято говорить о количестве информации и об объеме данных.

Синтаксические меры информации

Объем данных в сообщении измеряется количеством символов (разрядов) принятого алфавита в этом сообщении.

Часто информация кодируется числовыми кодами в той или иной системе счисления. Естественно, что одно и то же количество разрядов в разных системах счисления способно передать разное число состояний отображаемого объекта. Действительно,

N=mn

где N — число всевозможных отображаемых состояний; т — основание системы

счисления (разнообразие символов, применяемых в алфавите); и — число разрядов (символов) в сообщении.

Поэтому в различных системах счисления один разряд имеет различный вес, и соответственно, меняется единица измерения данных. Так, в двоичной системе счисления единицей измерения служит бит (binary digit, двоичный разряд), в десятичной системе счисления — дит (десятичный разряд).

ПРИМЕЧАНИЕ Сообщение, представленное в двоичной системе как 10111011, имеет объем данных, Vд = 8 битов. Сообщение 275903, представленное в десятичной системе, имеет объем данных Vд = 6 битов.

В современных компьютерах наряду с минимальной единицей данных — битом,  

широко используется укрупненная единица измерения байт, равная 8 битам. Определение количества информации на синтаксическом уровне невозможно без рассмотрения понятия неопределенности состояния (энтропии) системы. Действительно, получение информации связано с изменением степени неосведомленности получателя о состоянии системы. До получения информации получатель мог иметь некоторые предварительные (априорные) сведения о системе а; мера неосведомленности о системе — Н(а) — и является для него мерой неопределенности состояния системы. После получения некоторого сообщения р получатель приобрел дополнительную информацию Ip(a), уменьшившую, его априорную неосведомленность так, что апостериорная (после получения сообщения p) неопределенность состояния системы стала Н(а/|3) Тогда количество информации I|3(u) о системе а, полученное в сообщении р, будет определено как

Таким образом, количество информации измеряется изменением (уменьшением)"' неопределенности состояния системы. Если конечная неопределенность Н(а/р) обратится в нуль, то первоначальное неполное знание заменится полным знанием и количество информации станет равно

Иными словами, энтропия системы Н(а) может рассматриваться как мера не- достающей информации. Энтропия системы Н(а), имеющей N возможных со- стояний, согласно формуле Шеннона равна

где Рi — вероятность того, что система находится в i-м состоянии.

Для случая, когда все состояния системы равновероятны, то есть Рi = 1/N, ее энтропия такова:

Рассмотрим пример. По каналу связи передается и-разрядное сообщение, использующее т различных символов, так что количество всевозможных кодовых комбинаций будет N = mn. При равновероятном появлении любой кодовой комбинации количество информации в правильном сообщении — формула Хартли:

Если в качестве основания логарифма принять т, то 1= и. В данном случае количество информации (при условии полного априорного незнания получателем содержания сообщения) будет равно объему данных 1 = VД. Для неравновероятных состояний системы всегда

Наиболее часто используются двоичные и десятичные логарифмы. Единицами измерения в этих случаях будут соответственно бит и дит.

Степень информативности сообщения Y определяется отношением количества информации к объему данных, то есть У = 1/ причем 0 < Y < 1. (Y характеризует лаконичность сообщения.)

С увеличением Y уменьшаются объемы работы по преобразованию информации (данных) в системе. Поэтому стремятся к повышению информативности, для чего разрабатываются специальные методы оптимального кодирования информации.

Семантическая мера информации

Синтаксические меры количества информации в общем случае не могут быть непосредственно использованы для измерения смыслового содержания, ибо имеют дело с обезличенной информацией, не выражающей смыслового отношения к объекту. Для измерения смыслового содержания информации, то есть ее количества на семантическом уровне, наибольшее признание получила тезаурусная мера информации, предложенная Ю. И. Шнейдером, которая связывает семантические свойства информации со способностью пользователя воспринимать поступившее сообщение. Используется понятие тезаурус пользователя.

Тезаурус можно трактовать как совокупность сведений, которыми располагает данная система, пользователь.

В зависимости от соотношений между смысловым содержанием информации —  и тезаурусом пользователя — SД, изменяется количество семантической информации воспринимаемой пользователем и включаемой им в дальнейшем в свой тезаурус:

● при пользователь не воспринимает, не понимает поступающую информацию;

● при  пользователь все знает, и поступающая информация ему не нужна. И в том, и в другом случае

Максимальное значение I, приобретает при согласовании S* с тезаурусом — рис. 1.1), когда поступающая информация понятна пользователю и несет ему ранее не известные (отсутствующие в его тезаурусе) сведения.

Следовательно количество семантической информации в сообщении, количество новых знаний, получаемых пользователем, является величиной относительной: одно и то же сообщение может иметь смысловое содержание для компетентного пользователя и быть бессмысленным (семантическим шумом) для пользователя некомпетентного. Вместе с тем понятная, но известная компетентному пользователю информация представляет собой для него тоже семантический шум. При разработке информационного обеспечения систем управления следует стремиться к согласованию величин S* и Sn так, чтобы циркулирующая в системе информация была понятна, доступна для восприятия и обладала наибольшей содержательностью S, то есть S = I, /VД.

Прагматическая мера информации

Прагматическая мера информации — это полезность информации, ее ценность для пользователя (управления). Эта мера также является величиной относительной, обусловленной особенностями использования информации в той или иной системе управления. Ценность информации целесообразно измерять в тех же самых единицах (или близких к ним), в которых измеряется целевая функция, управления системой. Тогда в системе управления производством, например, ценность информации определяется эффективностью осуществляемого на ее основе экономического управления, или, иначе, приростом экономического эффекта функционирования системы управления, обусловленным прагматическими свойствами информации:

где

●  — ценность информационного сообщения р для системы управления ;

● П — априорный ожидаемый экономический эффект функционирования

системы управления а;

● П(/) — ожидаемый эффект функционирования системы а при условии, что для управления будет использована информация, содержащаяся в сообщении р.

Поскольку экономический эффект функционирования системы управления складывается из экономического эффекта решения отдельных функциональных задач, то для вычисления следует определить:

● Z — множество задач, для решения которых используется информация р;

● F — частоту решения каждой задачи за период времени, для которого оценивается экономический эффект;

● R — степень влияния информационного сообщения р на точность решения задачи, 0 < R < 1.

Тогда

где П — экономический эффект от решения) j-й задачи в системе.

В такой постановке единицей измерения ценности экономической информации является рубль.

Показатели качества информации

Информация в системе управления является и предметом труда, и продуктом труда, поэтому от ее качества существенно зависят эффективность и качество функционирования системы.

Качество информации можно определить как совокупность свойств, обусловливающих возможность ее использования для удовлетворения определенных в соответствии с ее назначением потребностей.

Рекомендуется выделять следующие основные виды показателей качества промышленной продукции:

● показатели назначения, характеризующие полезный эффект от использования продукции по назначению и обусловливающие область ее применения;

● показатели надежности и долговечности, характеризующие одноименные свойства изделий в конкретных условиях их использования;

● показатели технологичности, обусловливающие высокую производительность труда при изготовлении и ремонте продукции;

● эргономические показатели, учитывающие комплекс физиологических, психологических, антропометрических параметров человека;

● эстетические показатели, характеризующие такие свойства продукции, как выразительность, гармоничность, соответствие среде, стилю и т. п.;

● показатели стандартизации и унификации продукции;

● патентно-правовые показатели, характеризующие патентную чистоту изделий и степень его патентной защиты в стране;

CI показатели экономические, отражающие затраты на разработку, изготовление и эксплуатацию или потребление продукции, а также экономическую эффективность эксплуатации.

Однако информация — весьма своеобразная, не материальная продукция, поэтому применить к ней в полном объеме данные рекомендации невозможно. Анализируя возможность использования названных видов показателей качества, можно сформулировать систему основных показателей качества экономической информации.

Возможность и эффективность использования информации для управления обусловливается такими ее потребительскими показателями качества, как репрезентативность, содержательность, достаточность, доступность, своевременность, устойчивость, точность, достоверность, актуальность и ценность.

Репрезентативность

Репрезентативность — правильность, качественная адекватность отражения заданных свойств объекта. Репрезентативность информации зависит от правильности ее отбора и формирования. Важнейшее значение при этом приобретают: верность концепции, на базе которой сформулировано исходное понятие, отображаемое показателем; обоснованность отбора существенных признаков и связей отображаемого явления; правильность методики измерения и алгоритма формирования экономического показателя. Нарушение репрезентативности информации приводит нередко к существенным ее погрешностям, называемым чаще всего алгоритмическими.

Содержательность

Содержательность информации — это ее удельная семантическая емкость, равная отношению количества семантической информации в сообщении к объему данных, его отображающих, то есть S = 1,/V,. С увеличением содержательности информации растет семантическая пропускная способность информационной системы, так как для передачи одних и тех же сведений требуется преобразовывать меньший объем данных. Наряду с содержательностью можно использовать и показатель информативности, характеризующийся отношением количества синтаксической информации (по Шеннону) к объему данных — У = I/VД. Поскольку в правильно организованных системах управления количество семантической информации пропорционально, а часто и равно количеству синтаксической информации в сообщении, то значение S часто может характеризоваться значением Y.

Достаточность

Достаточность (полнота) экономической информации означает, что она содержит минимальный, но достаточный для принятия правильного управленческого решения набор экономических показателей. Понятие достаточности информации связано с ее смысловым содержанием (семантикой) и прагматикой. Как неполная, то есть недостаточная для принятия правильного решения, так и избыточная информация снижают эффективность управления; наивысшим качеством обладает именно полная информация.

Доступность

Доступность информации для восприятия при принятии управленческого решения обеспечивается выполнением соответствующих процедур ее получения и преобразования. Так, назначением вычислительной системы является увеличение ценности информации путем согласования ее с тезаурусом пользователя, то есть преобразование ее к доступной и удобной для восприятия пользователем форме.

Актуальность

Актуальность информации — это свойство информации сохранять свою полезность (ценность) для управления во времени. Измеряется актуальность A(t) степенью сохранения начальной ценности информации  в момент времени t ее использования:

где Z(t) — ценность информации в момент времени 1.

Актуальность зависит от статистических характеристик отображаемого объекта (от динамики изменения этих характеристик) и от интервала времени, прошедшего с момента возникновения данной информации.

Своевременность

Своевременность — это свойство информации, обеспечивающее возможность ее использования в заданный момент времени. Несвоевременная информация приводит к экономическим потерям и в сфере управления, и в сфере производства. Причиной, обусловливающей экономические потери от несвоевременности в сфере управления, является нарушение установленного режима решения функциональных задач, а иногда и их алгоритмов. Это приводит к увеличению стоимости решения задач вследствие снижения ритмичности, увеличения простоев и сверхурочных работ и т. п. в сфере материального производства. Потери от несвоевременности информации связаны со снижением качества управленческих решений, принятием решения на базе неполной информации или информации некачественной. Своевременной является такая информация, которая может быть учтена при выработке управленческого решения без нарушения регламента, поступающая в систему управления не позже назначенного момента времени.

Точность

Точность информации — это степень близости отображаемого информацией значения и истинного значения данного параметра. Для экономических показателей, отображаемых цифровым кодом, известны четыре классификационных понятия точности:

● формальная точность, измеряемая значением единицы младшего разряда числа, которым показатель представлен;

● реальная точность, определяемая значением единицы последнего разряда числа, верность которого гарантируется;

● достижимая точность — максимальная точность, которую Можно получить в данных конкретных условиях функционирования системы;

● необходимая точность, определяемая функциональным назначением показателя и обеспечивающая правильность принимаемого управленческого решения.

Достоверность

Достоверность информации — свойство информации отражать реально существующие объекты с необходимой точностью. Измеряется достоверность информации доверительной вероятностью необходимой точности, то есть вероятностью того, что отображаемое информацией значение параметра отличается от истинного значения этого параметра в пределах необходимой точности.

Наряду с понятием «достоверность информации», существует понятие «достоверность данных», то есть информации, рассматриваемой в синтаксическом аспекте. Под достоверностью данных понимается их безошибочность; измеряемая вероятностью появления ошибок в данных. Недостоверность данных может не повлиять на объем данных, а может даже и увеличить его, в отличие от недостоверности информации, всегда уменьшающей ее количество.

Устойчивость

Устойчивость информации — свойство результатной информации реагировать на изменения исходных данных, сохраняя необходимую точность. Устойчивость информации, как и ее репрезентативность, обусловлена в первую очередь методической правильностью ее отбор

а и формирования.

Ценность

Ценность экономической информации — комплексный показатель ее качества, ее мера на прагматическом уровне. Ценность экономической информации определяется эффективностью осуществляемого на ее основе экономического управления.

Показатели качества информации и функционирование системы управления

Следует отметить, что такие показатели качества информации, как репрезентативность, содержательность, полнота, доступность, устойчивость целиком предопределяются на методическом уровне разработки системы управления. Показатели актуальности, своевременности, точности и достоверности обусловливаются в большей степени также на методическом уровне, однако на их величину существенно влияет и характер функционирования системы, в первую очередь, ее надежность. При этом показатели актуальности и точности жестко связаны с показателями, соответственно, своевременности и достоверности: существенное нарушение первых, приводящее к снижению эффективности функционирования системы, неизбежно вызывает нарушение вторых.

Исследования показывают, что для целевой функции оптимизации функционирования методически правильно спроектированной информационной системы в качестве ограничений, обусловливаемых показателями качества информации, достаточно использовать ограничения только по достаточности, своевременности и достоверности.

Информатика

Объект, подробно рассмотренный нами выше, изучает наука информатика. Но слово информатика неоднозначно, и следует различать информатику — науку, информатику — информационную технологию и информатику — отрасль промышленности. Рассмотрим, что понимается под всеми тремя значениями этого слова.

Наука информатика

Информатика — это наука, изучающая свойства, структуру и функции информационных систем, основы их проектирования, создания, использования и оценки, а также информационные процессы, в них происходящие.

Под информационной системой понимают систему, организующую, хранящую и преобразующую информацию, то есть систему, основным предметом и продуктом труда в которой является информация. Подавляющее большинство современных сложных информационных систем — автоматизированные, в частности, компьютеризированные; по своей природе они эргатехнические, в их функционировании принимают непосредственное участие и люди (эргатические элементы), и технические средства.

Информатика тесно связана с кибернетикой, наукой об управлении, но не заменяет ее, а имеет свою область исследования. Кибернетика изучает общие закономерности процессов управления в системах любой природы, абстрагируясь от конкретного вида и их специфики. Информатика же изучает общие свойства только информационных систем и процессов с предварительной их дифференциацией (управленческие, медицинские, обучающие, информационно-поисковые и т. д.).

Появление информатики вызвано осмыслением содержания и значения информации в системах управления, переходом:

● от автоматизации простых (рутинных) операций умственного труда к комплексной автоматизации элементов творческого процесса;

● от компьютерных систем, обрабатывающих информацию на синтаксическом уровне, так называемых систем обработки данных (СОД), к системам обработки знаний (СОЗ), осуществляющим логические выводы, осмысливающим преобразуемую информацию;

● от баз данных — хранилищ информационных фактов, связанных структурно между собой заранее, к базам знаний, устанавливающим логические связи между фактами применительно к конкретным целям и областям их использования.

Информационные технологии

Информационная технология — система процедур преобразования информации с целью формирования, организации, обработки, распространения и использования информации. Основу современных информационных технологий составляют:

● компьютерная обработка информации по заданным алгоритмам;

● хранение больших объемов информации на машинных носителях; I3 передача информации на любое расстояние в ограниченное время.

Можно указать следующие основные отличительные черты современной (часто ее называют новой) информационной технологии.

1. Дружественность по отношению к пользователям программного и аппаратно- ro интерфейса компьютера, разветвленная система меню функций обработки данных и подсказок (пользователь может работать не в режиме программирования, а в режиме манипулирования данными; может видеть и действовать, а не знать и помнить).

2. Интерактивный (диалоговый) режим решения задач с широкими возможностями для пользователя оперативно влиять на ход решения.

3. Сквозная информационная поддержка всех этапов преобразования информации с помощью интегрированной базы данных, унифицированных форм представления информации.

4.Возможность коллективного решения задач на основе информационных сетей и систем телекоммуникаций, обеспечивающих всем пользователям оперативный доступ к любым техническим, программным и информационным ресурсам системы.

5. Безбумажная технология, при которой основным носителем информации является не бумажный, а электронный документ, формируемый на машинном носителе (в памяти компьютера) и доводимый до пользователя через экран дисплея.

Технологический процесс преобразования информации в общем случае включает в себя такие процедуры (стадии), как получение, сбор и регистрация информации, передача, хранение, обработка, выдача обработанной (результатной) информации, принятие решения для выработки управляющих воздействий.

На всех стадиях технологического процесса, кроме первой и последней, преобразование информации осуществляется по существу лишь на синтаксическом уровне. Даже на стадии обработки, когда выполняются совокупности арифметических и логических операций над информацией, с формальной точки зрения выполняются операции над данными. Хотя состав и последовательность этих операций (алгоритм преобразования) обусловлены семантическими или прагматическими свойствами информации, после разработки алгоритма реализации от смыслового содержания информации можно абстрагироваться. Таким образом, информация, полученная после анализа состояния объекта управления и внешней (по отношению к системе управления) среды и зафиксированная на носителе для дальнейшего преобразования, становится данными, а результирующие данные в момент их использования (при выработке решения) снова становятся информацией. Поэтому технологический процесс преобразования информации без первой и последней стадий, названных выше, обычно называют технологическим процессом обработки данных, а систему, реализующую указанный процесс, — системой обработки данных.

Индустрия информатики

Информатика как отдельная отрасль промышленности включает в себя все основные и обеспечивающие предприятия и организации по обработке данных и производству алгоритмов, программ и средств вычислительной техники.

Индустрия информатики — это инфраструктурная отрасль народного хозяйства, обслуживающая другие отрасли материального производства и непроизводственной сферы, обеспечивая их необходимыми информационными ресурсами, создающая условия для их эффективного функционирования и развития (своеобразная «нервная система» общественного производства).

К основным элементам производственной структуры данной отрасли можно отнести:

● предприятия, производящие вычислительную технику и ее элементы;

● вычислительные центры различного типа и назначения (индивидуальные, кустовые, коллективного пользования и т. д.);

● локальные и подключенные к распределенным вычислительным сетям пункты обработки информации, оснащенные компьютерами (в том числе и АРМ специалистов);

● абонентские пункты систем телеобработки данных и вычислительных сетей; CI системы связи и передачи данных в составе вычислительных сетей;

● предприятия, осуществляющие производство программных средств и проектирование АСУ и информационных систем (в частности, баз данных);

● организации, накапливающие, распространяющие и обслуживающие фонды алгоритмов  программ;

● станции технического обслуживания вычислительной техники.

Глава 2.Архитектура информационно- вычислительных систем

Система (от греческого systema — целое, составленное из частей соединение)— это совокупность элементов, взаимодействующих друг с другом, образующих определенную целостность, единство. Приведем некоторые понятия, часто использующиеся для характеристики системы.

1. Элемент системы — часть системы, имеющая определенное функциональное назначение. Сложные элементы систем, в свою очередь состоящие из более простых взаимосвязанных элементов, часто называют подсистемами.

2. Организация системы — внутренняя упорядоченность, согласованность взаимодействия элементов системы, проявляющаяся, в частности, в ограничении разнообразия состояний элементов в рамках системы.

3. Структура системы — состав, порядок и принципы взаимодействия элементов системы, определяющие основные свойства системы. Если отдельные элементы системы разнесены по разным уровням и внутренние связи между элементами организованы только от вышестоящих к нижестоящим уровням и наоборот, то говорят об иерархической структуре системы. Чисто иерархические структуры встречаются практически редко, поэтому, несколько рас- ширяя это понятие, под иерархической структурой обычно понимают и такие структуры, где среди прочих связей иерархические связи имеют главенствующее значение.

4. Архитектура системы — совокупность свойств системы, существенных для пользователя.

5. Целостность системы — принципиальная несводимость свойств системы к сумме свойств отдельных ее элементов (эмерджентность свойств) и, в то же время, зависимость свойств каждого элемента от его места и функции внутри системы.

Информационные системы и их классификация

Системы весьма разнообразны. В самом общем плане все системы можно разделить на:

● материальные системы;

● абстрактные системы.

Материальные системы представляют собой совокупность материальных объектов. Среди материальных систем можно выделить технические, эргатические и смешанные. Среди смешанных систем следует отметить подкласс эргатехнические систем (систем «человек — машинах), состоящих из человека-оператора (группы операторов) — эргатического элемента и машины (машин) — технического элемента.

Абстрактные системы являются продуктом человеческого мышления — знания, теории, гипотезы.

Под информационной системой (ИС) понимают систему, организующую, хранящую и преобразующую информацию, то есть систему, основным предметом и продуктом труда в которой является информация. Как уже отмечалось выше, большинство современных ИС преобразуют не информацию, а данные. Поэтому часто их называют системами обработки данных. Систему обработки данных (СОД) можно определить как комплекс взаимосвязанных методов и средств преобразования данных, необходимых пользователю.

По степени механизации процедур преобразования информации СОД делятся на:

● системы ручной обработки (СРОД);

● механизированные (МСОД);

● автоматизированные (АСОД);

● системы автоматической обработки данных (САОД).

В СРОД все процедуры преобразования данных выполняются вручную человеком, без применения каких-либо технических средств. В МСОД люди для выполнения некоторых процедур преобразования данных используют технические средства. В АСОД некоторые (но не все) совокупности процедур преобразования данных выполняются без участия человека, причем механизируются не только отдельные процедуры преобразования данных, но и переходы от предыдущей процедуры к последующей — в этом качественное отличие автоматизации от механизации (при механизации переходы между процедурами выполняются вручную). В САОД все процедуры преобразования данных и переходы между ними выполняются автоматически, человек как звено управления отсутствует. В САОД человек может выполнять лишь функции внешнего наблюдения за работой системы.

Из всех вышеперечисленных типов СОД наиболее эффективными в большинстве сложных систем управления являются АСОД, включающие в свой состав компьютеры. В управлении сложными системами главная роль принадлежит человеку; технические средства (и компьютеры) являются его помощниками. Компьютер, например, сам по себе далеко не всемогущ: он действует в соответствии с алгоритмами и программами, составленными для него человеком, а эти программы часто далеко не идеальны. Важнейшими принципами построения эффективных АСОД являются:

● принцип интеграции, заключающийся в том, что обрабатываемые данные, однажды введенные в АСОД, многократно используются для решения возможно большего числа задач, чем максимально устраняется дублирование данных и операций их преобразования;

● принцип системности, заключающийся в обработке данных в различных разрезах с целью получения информации, необходимой для принятия решений на всех уровнях и во всех функциональных подсистемах управления;

●принцип Комплексности, подразумевающий механизацию и автоматизацию процедур преобразования данных на всех стадиях техпроцесса АСОД.

Развитые АСОД, имеющие специальное программное обеспечение для анализа семантики информации и гибкой логической ее структуризации, часто называют системами обработки знаний (CO3).

Высшее развитие информационные технологии получают в экспертных системах базы знаний и СОЗ с целью оптимизации потоков информации; поиска, оценки и выбора лучшего управленческого решения по заданным критериям, разработки рекомендаций по выбранным решениям.

ИС можно также классифицировать и по другим признакам [16]:

● функциональному назначению:

● производственные ИС,

●  коммерческие ИС,

●  финансовые ИС,

● маркетинговые ИС и т. д.;

● объектам управления:

● ИС автоматизированного проектирования,

● ИС управления технологическими процессами,

● ИС управления предприятием (офисом, фирмой, корпорацией, организацией) и т. д.

● характеру использования результатной информации:

● информационно-поисковые, предназначенные для сбора, хранения и выдачи информации по запросу пользователя;

● информационно-советующие, предлагающие пользователю определенные рекомендации для принятия решений (системы поддержки принятия решений);

● информационно-управляющие, результатная информация которых непосредственно участвует в формировании управляющих воздействий.

Функциональная и структурная организация информационных систем

Информация непосредственно и неразрывно связана с процессом управления. Самое общее кибернетическое определение управления гласит: управление есть процесс целенаправленной переработки информации.

Управление определяется как функция системы, обеспечивающая либо сохранение совокупности ее основных свойств, либо ее развитие в заданном направлении. И в том и в другом случае управление осуществляется для достижения определенной цели, вполне конкретной для каждого отдельного объекта управления и связанной с состояниями объекта и среды, в которой он находится. Критерием оптимальности управления, показывающим степень достижения поставленной цели, является целевая функция управления.

Целевая функция управления — это некоторая количественно измеряемая величина, являющаяся функцией входных и выходных переменных, параметров объекта управления и времени.

Место ИС в процессе управления можно пояснить структурной схемой, приведенной на рис. 2.1.

Никакая сколько-нибудь значимая современная ИС не может эффективно выполнять свои функции без вычислительных машин. Поэтому практически все ИС являются одновременно и информационно-вычислительными (ИВС). Анализ содержания и систематизация функций ИВС, управляющей крупным объектом (корпорацией, фирмой), позволили выделить и определить следующие обобщенные функции:

● вычислительную — своевременное и качественное выполнение обработки информации во всех интересующих систему управления аспектах;

● коммуникационную — обеспечение оперативной передачи информации в заданные пункты;

● информирующую — обеспечение быстрого доступа, поиск и выдача необходимой информации всех видов (научной, экономической, финансовой, технической и т. п.);

● запоминающую — выполнение непрерывного накопления, систематизации, хранения и обновления всей необходимой информации;

● следящую — отслеживание и формирование всей необходимой для управления внешней и внутренней информации;

● регулирующую — осуществление информационно-управляющих воздействий на объект управления при отклонении параметров его функционирования от заданных (запланированных) значений;

● оптимизирующую — обеспечение оптимальных плановых расчетов и перерасчетов по мере изменения целей, критериев и условий функционирования объекта;

● самоорганизующуюся — гибкое изменение структуры и параметров ИВС для достижения вновь поставленных целей (в том числе для реализации цикла «исследование — разработка — внедрение — производство» с минимальными затратами ресурсов);

● самосовершенствующуюся — накопление и анализ опыта с целью обоснованного отбора лучших методов проектирования, производства и управления;

● исследовательскую — обеспечение выполнения научных исследований корпоративных проблем, процессов создания новой техники и технологий, формирования тематики целевых программ комплексных научных исследований;

● прогнозирующую — выявление основных тенденций, закономерностей и показателей развития объекта и окружающей среды;

● анализирующую — определение основных показателей, в том числе и экономических, хозяйственной деятельности объекта;

● синтезирующую — обеспечение автоматизированной разработки нормативов технологической, финансовой и хозяйственной деятельности;

● контролирующую — автоматизированный контроль качества средств производства, выпускаемой продукции и услуг;

● диагностическую — автоматизированные процедуры диагностики состояния объекта управления (в первую очередь технологического оборудования);

● документирующую — формирование всех необходимых учетно-расчетных, планово-распорядительных, финансовых и других форм документов.

Для реализации названных функций ИС должна быть достаточно сложной и включать в себя набор подсистем, показанный на рис. 2.2.

Функциональные подсистемы ИС реализуют и поддерживают модели, методы и алгоритмы получения управляющей информации. Состав функциональных подсистем весьма разнообразен и зависит от предметной области использования ИС, специфики хозяйственной деятельности объекта управления. Каждая из подсистем обеспечивает выполнение комплексов задач и процедур обработки информации, необходимых для эффективного управления объектом. На рис. 2.2 приведен примерный состав этих подсистем для производственных организаций.

1. Подсистема научно-технической подготовки производства отвечает за выполнение научно-исследовательских (в том числе и маркетинговых работ), конструкторскую и технологическую подготовку производства.

2. Подсистема бизнес-планирования отвечает за технико-экономическое и оперативно-календарное планирование производства, формирует бизнес-план.

3. Подсистема оперативного управления, кроме непосредственного управления ходом производства, выполняет также управление материальными потоками, снабжением и сбытом (логистика), учетом затрат на производство (контроллинг).

4. Подсистема финансового менеджмента отвечает за формирование финансового плана и портфеля заказов предприятия, анализ результатов его хозяйственной деятельности.

5. Подсистема бухгалтерского учета обеспечивает составление отчетности и учет труда и заработной платы, товарно-материальных ценностей, основных средств, результатов финансовых операций.

В других областях использования ИС акценты могут ставиться на другие задачи. Так, в маркетинговых ИС основное внимание уделяется анализу рынка и прогнозированию объемов продаж, в финансовых системах — финансовому анализу и прогнозированию, управлению кредитно-денежной политикой и т. п.

Состав обеспечивающих подсистем более стабилен и мало зависит от предметной области использования ИС.

1. Информационное обеспечение представляет собой совокупность реализованных решений по объемам, размещению и формам организации информации, циркулирующей в системе управления. Иными словами, информационное обеспечение — это методы и средства построения информационной базы 'системы, включающие в себя системы классификации и кодирования информации, унифицированные системы документов, схемы информационных потоков, принципы и методы создания баз данных.

2. Техническое обеспечение — комплекс технических средств, задействованных в технологическом процессе преобразования информации в системе. В первую очередь это вычислительные машины, периферийное оборудование, аппаратура и каналы передачи данных.

3. Программное обеспечение включает в себя совокупность программ регулярного применения, необходимых для решения функциональных задач, и программ, позволяющих наиболее эффективно использовать вычислительную технику, обеспечивая пользователям наибольшие удобства в работе.

4. Математическое обеспечение — совокупность математических методов, моделей и алгоритмов обработки информации, используемых в системе.

5. Лингвистическое обеспечение — совокупность языковых средств, используемых в системе с целью повышения качества ее разработки и облегчения общения человека с машиной.

Организационные подсистемы по существу также относятся к обеспечивающим подсистемам, но направлены в первую очередь на обеспечение эффективной работы персонала, и поэтому они могут быть выделены отдельно.

1. Кадровое обеспечение — состав специалистов, участвующих в создании и работе системы, штатное расписание и функциональные обязанности.

2. Эргономическое обеспечение — совокупность методов и средств, используемых при разработке и функционировании ИС, создающих оптимальные условия для деятельности персонала, для быстрейшего освоения системы.

3. Правовое обеспечение — совокупность правовых норм, регламентирующих создание и функционирование информационной системы, порядок получения, преобразования и использования информации.

4. Организационное обеспечение представляет собой комплекс решений, регламентирующих процессы создания и функционирования как системы в целом, так и ее персонала.

Архитектурные особенности вычислительных систем различных классов

Первые компьютеры (автоматические электронные вычислительные машины с программным управлением) были созданы в конце 40-х годов ХХ века и представляли собой гигантские вычислительные монстры, использовавшиеся только для вычислительной обработки информации. По мере развития компьютеры существенно уменьшились в размерах, но обросли дополнительным оборудованием, необходимым для их эффективного использования. В 70-х годах компьютеры из вычислительных машин сначала превратились в вычислительные системы, а затем в информационно-вычислительные системы. В табл. 2.1 показана эволюция технологий использования компьютерных систем.

Как видно из таблицы, в настоящее время основные цели использования компьютеров — информационное обслуживание и управление, сейчас вычислительные машины и системы по существу выполняют функции информационно-вычислительных систем. Рассмотрим более подробно внутреннюю архитектуру вычислительных систем (ВС).

Вычислительная система — это совокупность одного или нескольких компьютеров или процессоров, программного обеспечения и периферийного оборудования, организованная для совместного выполнения информационно-вычислительных процессов. В вычислительной системе компьютер может быть один, но агрегированный с многофункциональным периферийным оборудованием. Стоимость периферийного оборудования часто во много раз превосходит стоимость компьютера. В качестве распространенного примера одномашинной ВС можно привести систему телеобработки информации. Но все же классическим вариантом ВС является многомашинный и многопроцессорный варианты.

Первые ВС создавались с целью увеличить быстродействие и надежность работы путем параллельного выполнения вычислительных операций. Как это ни парадоксально, «тормозом» в дальнейшем увеличении быстродействия компьютера является конечная скорость распространения электромагнитных волн — скорость света, равная 300 000 км/с. Время распространения сигнала между элементами ВС может значительно превышать время переключения электронных схем. Поэтому строго последовательная модель выполнения операций, характерная для классической структуры компьютера — структуры фон Неймана — не позволяет существенно повысить быстродействие ВС.

Параллелизм выполнения операций существенно повышает быстродействие системы; он же может также значительно повысить и надежность (при отказе одного компонента системы его функции, может взять на себя другой) и достоверность функционирования системы, если операции будут дублироваться, а результаты их выполнения сравниваться или мажоритироваться.

Для современных ВС, за исключением суперкомпьютеров, критерии обоснования их необходимости уже несколько иные — важно само информационное обслуживание пользователей, сервис и качество этого обслуживания. Для суперкомпьютеров, представляющих собой многопроцессорные ВС, важнейшими показателями являются их производительность и надежность.

Укрупненная блок-схема классического компьютера показана на рис. 2.3.

1. Процессор (центральный процессор) — основной вычислительный блок компьютера, содержит важнейшие функциональные устройства:

● устройство управления с интерфейсом процессора (системой сопряжения и связи процессора с другими узлами машины);

● арифметико-логическое устройство;

● процессорную память.

Процессор, по существу, является устройством, выполняющим все функции элементарной вычислительной машины.

2. Оперативная память — запоминающее устройство, используемое для оперативного хранения и обмена информацией с другими узлами машины.

3. Каналы связи (внутримашинный интерфейс) служат для сопряжения центральных узлов машины с ее внешними устройствами;

4. Внешние устройства обеспечивают эффективное взаимодействие компьютера с окружающей средой: пользователями, объектами управления, другими машинами. В состав внешних устройств обязательно входят внешняя память и устройства ввода-вывода.

Вычислительная система может строиться на основе целых компьютеров, многомашинная ВС, либо отдельных процессоров — многопроцессорная ВС. Вычислительные системы бывают:

● однородные;

● неоднородные.

Однородная ВС строится на основе однотипных компьютеров или процессоров, позволяет использовать стандартные наборы программных средств, типовые протоколы (процедуры) сопряжения устройств. Их организация значительно проще, облегчается обслуживание систем и их модернизация.

Неоднородная BC включает в свой состав различные типы компьютеров или процессоров. При построении системы приходится учитывать их различные технические и функциональные характеристики, что существенно усложняет создание и обслуживание таких систем.

Вычислительные системы работают:

● в оперативном режиме (on-line);

● в неоперативном режиме (offline).

Оперативные системы функционируют в реальном масштабе времени, в них реализуется оперативный режим обмена информацией — ответы на запросы поступают незамедлительно. В неоперативных ВС допускается режим «отложенного ответа», когда результаты выполнения запроса можно получить с некоторой задержкой (иногда даже в следующем сеансе работы системы).

Различают ВС с централизованным и децентрализованным управлением. В первом случае управление выполняет выделенный компьютер или процессор, во втором — эти компоненты равноправны и могут брать управление на себя. Кроме того, ВС могут быть:

● территориально-сосредоточенными (все компоненты размещены в непосредственной близости друг от друга);

● распределенными (компоненты могут располагаться на значительном расстоянии, пример — вычислительные сети);

● структурно одноуровневыми (имеется лишь один общий уровень обработки данных);

● многоуровневыми (иерархическими) структурами. В иерархических ВС машины или процессоры распределены по разным уровням обработки информации, некоторые машины (процессоры) могут специализироваться на выполнении определенных функций.

Наконец, как уже указывалось, ВС делятся на:

● одномашинные;

● многомашинные;

● многопроцессорные.

Начнем рассмотрение с одномашинных ВС точнее,  с. вычислительных машин.

Основные классы  вычислительных машин

Электронная вычислительная машина (ЭВМ), компьютер — комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач. Вычислительные машины могут быть классифицированы по ряду признаков, в частности:

● по принципу действия;

● по этапам создания и элементной базе;

● по назначению;

● по способу организации вычислительного процесса;

● по размеру вычислительной мощности;

● по функциональным возможностям;

● по способности к параллельному выполнению программ и т. д.

По принципу действия вычислительные машины делятся на три больших класса (рис. 2.4): аналоговые, цифровые и гибридные.

Критерием деления вычислительных машин на эти три класса является форма представления информации, с которой они работают (рис. 2.5).

● ЦВМ — цифровые вычислительные машины, или вычислительные машины дискретного действия — работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее, в цифровой форме.

● АВМ — аналоговые вычислительные машины, или вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, то есть в виде непрерывного ряда значений какой- либо физической величины (чаще всего электрического напряжения).

● IВМ — гибридные вычислительные машины, или вычислительные машины комбинированного действия — работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме; они совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. ГВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.

В экономике (да и в науке и технике) получили подавляюще широкое распространение ЦВМ с электрическим представлением дискретной информации— электронные цифровые вычислительные машины, обычно называемые просто электронными вычислительными машинами (ЭВМ), без упоминания об их цифровом характере.

По этапам создания и элементной базе компьютеры условно делятся на поколения:

● 1-е поколение, 50-е годы: ЭВМ на электронных вакуумных лампах.

● 2-е поколение, 60-е годы: ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах (транзисторах).

● 3-е поколение, 70-е годы: компьютеры на полупроводниковых интегральных схемах с малой и средней степенью интеграции (сотни — тысячи транзисторов в одном корпусе).

● 4-е поколение, 80 — 90-е годы: компьютеры на больших и сверхбольших интегральных схемах, основная из которых — микропроцессор (десятки тысяч— миллионы активных элементов на одном кристалле).

● 5-е поколение, настоящее время: компьютеры с многими десятками параллельно работающих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; компьютеры на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных инструкций программы.

● 6-е и последующие поколения: оптоэлектронные компьютеры с массовым параллелизмом и нейронной структурой, с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.

Универсальные компьютеры предназначены для решения самых различных инженерно-технических, экономических, математических, информационных и т. д. задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных. Они широко применяются в вычислительных центрах коллективного пользования и в других мощных вычислительных комплексах. Характерными чертами универсальных компьютеров являются:

● высокая производительность;

● разнообразие форм обрабатываемых данных: двоичных, десятичных, символьных, при большом диапазоне их изменения и высокой точности их представления;

 ● обширная номенклатура выполняемых операций, как арифметических, логических, так и специальных;

● большая емкость оперативной памяти;

● развитая организация системы ввода-вывода информации, обеспечивающая подключение разнообразных видов внешних устройств.

Проблемно-ориентированные компьютеры предназначены для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами, с регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных, с выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам; они обладают ограниченными по сравнению с универсальными компьютерами аппаратными и программными ресурсами.

Специализированные компьютеры предназначены для решения определенного узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация компьютеров позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы.

К специализированным компьютерам можно отнести, например, программируемые микропроцессоры специального назначения, адаптеры и контроллеры, выполняющие логические функции управления отдельными несложными техническими устройствами, агрегатами и процессами, устройства согласования и сопряжения работы узлов вычислительных систем.

По размерам и вычислительной мощности компьютеры можно разделить (рис. 2.7) на сверхбольшие (суперкомпьютеры, суперЭВМ), большие, малые и сверхмалые (микрокомпьютеры или микро ВМ).

Функциональные возможности компьютеров обусловлены такими важнейшими технико-эксплуатационными характеристиками, как.

● быстродействие, измеряемое усредненным количеством операций, выполняемых машиной за единицу времени;

● разрядность и формы представления чисел, которыми оперирует компьютер;

● номенклатура, емкость и быстродействие всех запоминающих устройств;

● номенклатура и технико-экономические характеристики внешних устройств хранения, обмена и ввода-вывода информации;

● типы и пропускная способность устройств связи и сопряжения узлов компьютера между собой (тип внутримашинного интерфейса);

● способность компьютера одновременно работать с несколькими пользователями и выполнять параллельно несколько программ (многозадачность);

● типы и технико-эксплуатационные характеристики операционных систем, используемых в машине;

● наличие и функциональные возможности программного обеспечения;

● способность выполнять программы, написанные для других типов компьютеров (программная совместимость с другими типами компьютеров);

● система и структура машинных команд;

● возможность подключения к каналам связи и к вычислительной сети;

● эксплуатационная надежность компьютера;

● коэффициент полезного использования компьютера во времени, определяемый соотношением времени полезной работы и времени профилактики.

Некоторые сравнительные параметры названных классов современных компьютеров показаны в табл. 2.2.

Исторически первыми появились большие ЭВМ, элементная база которых прошла путь от электронных ламп до интегральных схем со сверхвысокой степенью

интеграции. Первая большая ЭВМ ENIAC (Eiectronic Numerical Integrator and Computer) была создана в 1946 году. Эта машина весила более 30 тонн, имела быстродействие несколько сотен операций в секунду, оперативную память емкостью 20 чисел, занимала зал площадью около 150 м'.

Производительность больших компьютеров оказалась недостаточной для ряда задач (прогнозирования метеообстановки,  управления сложными оборонными комплексами, биологических исследований, моделирования экологических систем и др.). Это явилось предпосылкой для разработки и создания суперкомпьютеров, самых мощных вычислительных систем, интенсивно развивающихся и в настоящее время. Появление в 70-х годах малых компьютеров обусловлено, с одной стороны, прогрессом в области электронной элементной базы, а с другой — избыточностью ресурсов больших ЭВМ для ряда приложений. Малые компьютеры используются чаще всего для управления технологическими процессами. Они более компактны и существенно дешевле больших компьютеров. Дальнейшие успехи в области элементной базы и архитектурных решений привели к возникновению суперминикомпьютера — вычислительной машины, относящейся по архитектуре, размерам и стоимости к классу малых компьютеров, но по производительности сравнимой с большой ЭВМ.

Изобретение в 1969 году микропроцессора (МП) привело к появлению в 70-х годах еще одного класса компьютеров — микрокомпьютеров. Именно наличие МП послужило первоначально определяющим признаком микрокомпьютеров. Сейчас микропроцессоры используются во всех без исключения классах компьютеров. Рассмотрим кратко современное состояние некоторых классов компьютеров.

Большие компьютеры

Большие компьютеры за рубежом часто называют мэйнфреймами (mainframe); к ним относят, как правило, компьютеры, имеющие:

● производительность не менее 100 MIPS (см. с. 92);

● основную память емкостью от 512 до 10 000 Мбайт;

● внешнюю память не менее 100 Мбайт;

● многопользовательский режим работы (обслуживают одновременно от 16 до

1000 пользователей).

Основные направления эффективного применения мэйнфреймов — решение научно-технических задач, работа в вычислительных системах с пакетной обработкой информации, работа с большими базами данных, управление вычисли- тельными сетями и их ресурсами. Последнее направление — использование мэйнфреймов в качестве больших серверов вычислительных сетей — часто отмечается специалистами как наиболее актуальное.

Родоначальником современных больших компьютеров, по стандартам которых в последние несколько десятилетий развивались машины этого класса в большинстве стран мира, являются машины фирмы IBM, Модели IBM 360 и IBM 370 с их архитектурой и программным обеспечением взяты за основу и при создании отечественной системы больших машин ЕС ЭВМ.

Среди лучших разработок мэйнфреймов за рубежом следует в первую очередь отметить американские:

● IBM 3090, IBM 4300 (4331, 4341, 4361, 4381), пришедшие на смену IBM 380 в 1979 году (2-е поколение мэйнфреймов);

● IBM ES/9000, созданные в 1990 году (3-е поколение);

●  S/390 и AS/400 (4-е поколение).

Семейство мэйнфреймов IBM ES/9000 (ES — Enterprise System) открывает семейство больших компьютеров, включающее 18 моделей компьютеров, реализованных на основе архитектуры IBM 390:

● младшая модель ES/9221 model 120 имеет основную память емкостью 256 Мбайт, производительность десятки MIPS и 12 каналов ввода-вывода;

● старшая модель ES/9021 model 900 имеет 6 векторных процессоров, основную память емкостью 9 Гбайт, производительность тысячи MIPS и 256 каналов ввода-вывода, использующих волоконно-оптические кабели.

В 1997 году IBM завершила программу трансформации своих больших компьютеров на биполярных микросхемах в малогабаритные мэйнфреймы S/390, использующие КМОП-микросхемы. Семейство S/390 будет включать 14 моделей машин. Характеристики новых моделей по сравнению с характеристиками 3-ro поколения мэйнфреймов улучшены примерно в 1,3 раза (объем оперативной памяти примерно удваивается — до 16 Гбайт). В семейство S/390 входят мэйнфреймы от однопроцессорной модели с быстродействием 50 MIPS до 10-процессорной модели с ожидаемым быстродействием 500 MIPS. В настоящее время уже выпускаются модели S/390 на процессорах 64 и G5, S/390 Multiprice 2000. Для повышения производительности и других характеристик систем можно объединять до 32 машин S/390 в кластеры по технологии S/390 Parallel Sysplex (создавая, по существу, суперкомпьютер).

Семейство S/390 широко используется во всех странах мира, в том числе и в Российской Федерации (большую партию машин закупило, например, МПС РФ).

В 1999 году была анонсирована линейка мэйнфреймов средней производительности AS/400, включающая в свой состав 12 моделей. Максимальная емкость оперативной памяти нового семейства составляет 16 Гбайт, а дисковой памяти – 2,1 Тбайт. В уже выпускаемых моделях AS/400 серий 720, 730 и 740 используется до 12 процессоров Power PC и Pentium II.  В настоящее время “бизнес - компьютеры” AS/400 – самые популярные в мире. Интенсивно закупаются они и в России банками, государственными структурами и прочими предприятиями. Популярность системы обусловлена хорошим соотношением производительность — цена, очень высокой надежностью (вероятность безотказной работы составляет 0,9994), хорошим программным обеспечением.

Распространенными в мире являются и японские компьютеры М 1800 фирмы Fujitsu и Millennium фирмы Amdahl (теперь дочернего предприятия корпорации Fujitsu), а также мэйнфреймы 8/', 9/', М2000 и С2000 немецкой фирмы Comparex Information Systems. Семейство мэйнфреймов М 1800 фирмы Fujitsu пришло в 1990 году на смену моделям Ч 780 и включает в себя 5 новых моделей: Model-20, 30, 45, 65, 85; старшие модели Model-45, 65, 85 — многопроцессорные компьютеры, соответственно, с 4, 6 и 8 процессорами; последняя старшая модел имеет основную память емкостью 2 Гбайт и 256 каналов ввода-вывода.

Новое, 4-е поколение мэйнфреймов (преемник машин 3-го поколения Millennium 400 и 500) фирма Amdahl стала производить в 1999 году. Пока выпускаются модели Millennium 700 и 800; первые имеют производительность 685 М1РЗ', а вторые — 1000 MIPS и содержат по 12 процессоров.

Немецкая фирма Comparex выпускала мэйнфреймы 3-го поколения (сейчас поставляются second hand системы): модели 8/8х, 8/9х, 9/8хх, 9/9хх, 99/ххх, содержащие до 8 процессоров, оперативную память до 8 Гбайт и имеющие производительность от 20 до 385 MIPS. В настоящее время производятся мэйн- фреймы 4-го поколения: М2000 и С2000, имеющие производительность, соответственно, до 990 и 870 MIPS, объем оперативной памяти до 8000 и 16 000 Мбайт. Среднее время наработки на отказ у этих систем чрезвычайно большое — 12 лет. По сравнению с машинами 3-ro поколения существенно уменьшились габариты конструктив 1 — 2 шкафа) и потребляемая мощность (8-процессорная модель М2000 потребляет 50 КВА, а 8-процессорная модель 99/ххх — 171 КВА и требует водяного охлаждения).

На российских предприятиях используется большое количество мэйнфреймов Comparex, в частности, в РАО Газпром, в Главном управлении информационных ресурсов ФАПСИ и т. д.

Зарубежными фирмами рейтинг мэйнфреймов определяется по многим показателям, среди них:

● надежность,

● производительность;

● емкость основной и внешней памяти; О время обращения к основной памяти;

● время доступа и трансфер внешних запоминающих устройств;

● характеристики кэш-памяти;

● количество канала в и эффективность системы ввода-вывода;

● аппаратная и программная совместимость с другими компьютерами;

● поддержка сети и т. д.

Внешний вид типичного мэйнфрейма показан на рис. 2.8.

Достаточно подробное рассмотрение мэйнфреймов в настоящем разделе обусловлено тем, что современному пользователю компьютера, привыкшему к повсеместному засилью ПК, трудно объяснить, что бывает и другая вычислительная техника. По данным экспертов, на мэйнфреймах сейчас находится около 70% «компьютерной» информации; только в США установлены сотни тысяч мэйнфреймов.

Малые компьютеры

Малые компьютеры (миниЭВМ) — надежные, недорогие и удобные в эксплуатации компьютеры, обладающие несколько более низкими по сравнению с мэйн- фреймами возможностями. Миникомпьютеры (и наиболее мощные из них супер - миникомпьютеры) обладают следующими характеристиками:

● производительность — до 1000 М1РБ;

● емкость основной памяти -до 8000 Мбайт;

● емкость дисковой памяти — до 1000 Мбайт;

● число поддерживаемых пользователей — 16 — 1024.

Все модели миникомпьютеров разрабатываются на основе микропроцессорны наборов интегральных микросхем, 32, 64 и 128-разрядных микропроцессора. Oосновные их особенности:

● широкий диапазон производительности в конкретных условиях применено;

● аппаратная реализация большинства системных функций ввода-вывода информации;

● простая реализация многопроцессорных и многомашинных систем;

● высокая скорость обработки прерываний;

● возможность работы с форматами данных различной длины.

К достоинствам миникомпьютеров можно отнести:

● специфичную архитектуру с большой модульностью;

● лучшее, чем у мэйнфреймов, соотношение производительность — цена;

● повышенную точность вычислений,

Миникомпьютеры ориентированы на использование в качестве управляющих вычислительных комплексов, Традиционная для подобных комплексов широкая номенклатура периферийных устройств дополняется блоками межпроцессорной связи, благодаря чему обеспечивается реализация вычислительных систем с изменяемой структурой. Наряду с использованием миникомпьютеров для управления технологическими процессами, они успешно применяются для вычислений в многопользовательских вычислительных системах, в системах автоматизированного проектирования, в системах моделирования несложных объектов, в системах искусственного интеллекта.

Родоначальником современных миникомпьютеров можно считать компьютера PDP-11 фирмы DEC (США), они явились прообразом и наших отечественных миниЭВМ — Системы Малых ЭВМ (СМ ЭВМ): СМ 1, 2, 3, 4, 1400, 1700 и т. д. В настоящее время семейство миникомпьютеров PDP-11 включает большое число моделей, начиная от ЧАХ-11 до ЧАХ-3600; мощные модели миникомпьютеров класса 8000 (VA(-8250, 8820); суперминикомпьютеры класса 9000 (VAX-9410, 9430) и т. д.

Модели VAX обладают широким диапазоном характеристик:

● количество процессоров от 1 до 32;

● производительность от 10 до 1000 MIPS;

●  емкость основной памяти — от 512 Мбайт до 2 Гбайт;

● емкость дисковой памяти — от 50 Гбайт до 500 Гбайт;

● число каналов ввода-вывода до 64. Миникомпьютеры VAX полностью перекрывают весь диапазон характеристик этого класса компьютеров и в подклассе суперминикомпьютеров стирают грань с мэйнфреймами.

Среди прочих миникомпьютеров следует отметить:

● однопроцессорные: 1ВМ 4381, НР 9000;

● многопроцессорные: Wang US 7320, AT&T ЗВ 4000;

● суперминикомпьютеры HS 4000, по характеристикам не уступающие мэйн- фреймам.

Микрокомпьютеры

Микрокомпьютеры весьма многочисленны и разнообразны. Среди них может выделить несколько подклассов (рис. 2.9).

● Многопользовательские микрокомпьютеры — это мощные микрокомпьютеры, 3 оборудованные несколькими видеотерминалами и функционирующие в режиме разделения времени, что позволяет эффективно работать на них сразу 4 нескольким пользователям.

● Персональные компьютеры — однопользовательские микрокомпьютеры, удовлетворяющие требованиям общедоступности и универсальности применения.

● Рабочие станции (workstation) представляют собой однопользовательские микрокомпьютеры, часто специализированные для выполнения определенно- ro вида работ (графических, инженерных, издательских и т. д.).

● Серверы (server) — многопользовательские мощные микрокомпьютеры в вычислительных сетях, выделенные для обработки запросов от всех рабочих станций сети.

● Сетевые компьютеры (network Computer) — упрощенные микрокомпьютеры, обеспечивающие работу в сети и доступ к сетевым ресурсам, часто специализированные на выполнение определенного вида работ (защита сети от несанкционированного доступа, организация просмотра сетевых ресурсов, электронной почты и т. д.).

Персональные компьютеры

Персональные компьютеры (ПК) относятся к классу микрокомпьютеров, но ввиду их массовой распространенности заслуживают особого внимания. ПК для удовлетворения требованиям общедоступности и универсальности применения должна обладать такими качествами, как:

● малая стоимость ПК, находящаяся в пределах доступности для индивидуального покупателя;

● автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды;

● гибкость архитектуры, обеспечивающая ее адаптируемость к разнообразным применениям в сфере управления, науки, образования, в быту;

● дружественность операционной системы и прочего программного обеспечения, обусловливающая возможность работы с ней пользователя без специальной профессиональной подготовки;

● высокая надежность работы (более 5000 часов наработки на отказ).

Среди современных ПК в первую очередь следует отметить компьютеры американской фирмы IBM (International Business Machine Corporation):

● IBM PC ХТ (Personal Computer eXtended Technology);

● IBM PC АТ (Personal Computer Advanced Technology) на микропроцессорах (МП) 80286 (16-разрядные);

● IBM PS/2 8030 — PS/2 8080 (PS Personal System, все кроме PS/2 8080— 16-разрядные, PS/2 8080 — 32-разрядная);

● IBM PC на МП 80386 и 80486 (32-разрядные);

● IBM PC на МП Pentium — Pentium 4 (64-разрядные).

Широко известны персональные компьютеры, выпускаемые американскими фирмами: Apple (компьютеры Macintosh), Compaq Computer, Немей — Packard, Dell, DEC (Digital Equipment Corporation), а также фирмами Великобритании: Spectrum, Amstrad; Франции: Micral; Италии: Olivetti; Японии: Toshiba, Matsushita (Panasonic) и Partner.

Наибольшей популярностью в настоящее время пользуются персональные компьютеры фирмы IBM, первые модели которых появились в 1981 году, и их аналоги других фирм; существенно уступают по популярности ПК фирмы Apple (Macintosh), занимающие по распространенности 2-е место.

В настоящее время мировой парк компьютеров составляет более четверти миллиарда штук, из них около 90% — это персональные компьютеры (компьютеров типа IBM PC более 80% всех ПК).

Самыми распространенными моделями компьютеров в настоящее время являются IBM PC с микропроцессорами Pentium II, Ш, 4.

Обобщенные характеристики современных персональных компьютеров IBM PC приведены в табл. 2.3.

Отечественная промышленность (страны СНГ) выпускала микрокомпьютеры:

● Apple-совместимые — диалоговые вычислительные комплексы ДВК-1 — ДВК-4 на основе «Электроника МС-1201»; «Электроника 85», «Электроника 32» и т. п.;

● IBM РС-совместимые — ЕС1840-ЕС1842, ЕС1845, ЕС1849, ЕС1861, «Искра 1030», «Истра 4816», «Нейрон И9.66» и т. д.

Персональные компьютеры можно классифицировать по ряду признаков.

По поколениям персональные компьютеры делятся на:

● 1-го поколения: используют 8-битовые микропроцессоры;

● 2-го поколения: используют 16-битовые микропроцессоры;

● 3-гo поколения: используют 32-битовые микропроцессоры;

● 4-го поколения: используют 64-битовые микропроцессоры.

Классификация ПК по конструктивным особенностям показана на рис. 2.10.

Многомашинные и многопроцессорные ВС

Вычислительные системы могут строиться на основе целых компьютеров или отдельных процессоров. В первом случае ВС будет многомашинной во втором многопроцессорной.

Многомашинная ВС содержит некоторое число компьютеров, информационно взаимодействующих между собой. Машины могут находиться рядом друг с другом, а могут быть удалены друг от друга на некоторое, иногда значительное расстояние (вычислительные сети).

В многомашинных ВС каждый компьютер работает под управлением своей операционной системы (ОС). А поскольку обмен информацией между машинами выполняется под управлением ОС, взаимодействующих друг с другом, динамические характеристики процедур обмена несколько ухудшаются (требуется время на согласование работы самих ОС). Информационное взаимодействие компьютеров в многомашинной ВС может быть организовано на уровне:

● процессоров;

● оперативной памяти (ОП);

● каналов связи.

При непосредственном взаимодействии процессоров друг с другом информационная связь реализуется через регистры процессорной памяти и требует наличия в ОС весьма сложных специальных программ.

Взаимодействие на уровне ОП сводится к программной реализации общего поля оперативной памяти, что несколько проще, но также требует существенной модификации ОС. Под общим полем имеется в виду равнодоступность модулей памяти: все модули памяти доступны всем процессорам и каналам связи.

На уровне каналов связи взаимодействие организуется наиболее просто, и может быть достигнуто внешними по отношению к ОС программами-драйверами, обеспечивающими доступ от каналов связи одной машины к внешним устройствам других (формируется общее поле внешней памяти и общий доступ к устройствам ввода-вывода).

Все вышесказанное иллюстрируется схемой взаимодействия компьютеров в двухмашинной ВС, представленной на рис. 2.11.

Ввиду сложности организации информационного взаимодействия на 1-м и 2-м уровнях в большинстве многомашинных ВС используется 3-й уровень, хотя и динамические характеристики (в первую очередь быстродействие), и показатели надежности таких систем существенно ниже.

В многопроцессорной ВС имеется несколько процессоров, информационно взаимодействующих между собой либо на уровне регистров процессорной памяти, либо на уровне оперативной памяти. Этот тип взаимодействия принят в большинстве случаев, так как организуется значительно проще и сводится к созданию общего поля оперативной памяти для всех процессоров. Общий доступ к внешней памяти и к устройствам ввода-вывода обеспечивается обычно через каналы ОП. Важным является и то, что многопроцессорная вычислительная система работает под управлением единой операционной системы, общей для всех процессоров. Это существенно улучшает динамические характеристики ВС, но требует наличия специальной, весьма сложной операционной системы.

Схема взаимодействия процессоров в ВС показана на рис. 2.12.

Быстродействие и надежность многопроцессорных ВС по сравнению с многомашинными, взаимодействующими на 3-м уровне, существенно повышаются, во-первых, ввиду ускоренного обмена информацией между процессорами, более быстрого реагирования на ситуации, возникающие в системе, во-вторых, вследствие большей степени резервирования устройств системы (система сохраняет работоспособность, пока работоспособны хотя бы по одному модулю каждого типа устройств).

Типичным примером массовых многомашинных ВС могут служить компьютерные сети, примером многопроцессорных ВС — суперкомпьютеры.

Суперкомпьютеры и особенности их архитектуры

К суперкомпьютерам относятся мощные многопроцессорные вычислительные машины с быстродействием сотни миллионов — десятки-миллиардов операций в секунду.

Типовая модель суперкомпьютера 2001 года:

● высокопараллельная многопроцессорная вычислительная система с быстродействием порядка 100 000 MFLOPS (см. с. 92);

● емкость: оперативной памяти 10 Гбайт, дисковой памяти 1 —.10 Тбайт (1 Тбайт =

= 1024 Гбайт);

● разрядность 64 — 128 бит.

В декабре 1996 года фирма Intel объявила о создании суперкомпьютера Sandia, впервые в мире преодолевшего терафлопный барьер быстродействия. За 1 час 40 минут компьютер выполнил 6,4 квадриллиона операций с плавающей запятой. Конфигурация, достигшая производительности 1060 MFL0PS по тесту MP LINPACK, представляла собой 57 стоек, содержащих более 7000 процессоров Pentium Pro с тактовой частотой 200 МГц и оперативную память 454 Гбайт. Окончательный вариант суперкомпьютера имеет производительность 1,4 TFLOPS, включает 86 стоек общей площадью 160 м, 573 Гбайт оперативной и 2250 Гбайт дисковой памяти. Масса компьютера составляет около 45 тонн, а пиковое потребление энергии — 850 КВт,

В 1998 году японская фирма NEC (Nippon Electric Company) Corporation сообщила о создании суперкомпьютеров SX-5 с производительностью 4 TFLOPS, содержащих,512 процессоров и обеспечивающих общую скорость передачи данных 32 Тбайт/с.

Наконец, недавно фирма IBM объявила о разработке нового суперкомпьютера, который будет содержать более миллиона микропроцессоров Pentium Ш и иметь быстродействие порядка 10 операций в секунду.

Создать такие высокопроизводительные компьютеры на одном микропроцессоре (MII) не представляется возможным ввиду ограничения, обусловленного конечным значением скорости распространения электромагнитных волн (300 000 км/с), поскольку время распространения сигнала на расстояние несколько миллиметров (линейный размер стороны МП) при быстродействии 100 миллиардов операций в секунду становится соизмеримым со временем выполнения одной операции. Поэтому суперкомпьютеры создаются в виде высокопараллельных многопроцессорных вычислительных систем (МПВС).

Высокопараллельные МПВС имеют несколько разновидностей.

1. Магистральные (конвейерные) МПВС, у которых процессор одновременно выполняет разные операции над последовательным потоком обрабатываемых данных. По принятой классификации такие МПВС относятся к системам с многократным потоком команд и однократным потоком данных (МКОД или MISD — Multiple Instruction Single Data).

2. Векторные МПВС, у которых все процессоры одновременно выполняют одну команду над различными данными — однократный поток команд с многократным потоком данных (ОКЛАД или SIMD — Single Instruction Multiple Data).

3. Матричные МПВС, у которых микропроцессор одновременно выполняет разные операции над последовательными потоками обрабатываемых данных— многократный поток команд с многократным потоком данных (МКМД или MIMD — Multiple Instruction Multiple Data).

Условные структуры однопроцессорной (SISD) и названных многопроцессорных ВС показаны на рис. 2.13.

В суперкомпьютере используются все три варианта архитектуры МПВС:

● структура MIMD в классическом ее варианте (например, в суперкомпьютере BSP фирмы Burrought);

● параллельно-конвейерная модификация, иначе MMISD, то есть многопроцессорная (Multiple) MISD архитектура (например в суперкомпьютере «Эльбрус 3»);

● параллельно-векторная модификация, иначе MSIMD, то есть многопроцессорная SIMD архитектура (например в суперкомпьютере Cray 2).

Наибольшую эффективность показала MSIMD архитектура, поэтому в современных суперкомпьютерах чаще всего находит применение именно она (суперкомпьютеры фирм Cray, Fujitsu, NEC, Hitachi и т. д.). Первый суперкомпьютер был задуман в 1960 и создан в 1972 году (машина ILLIAC IV с производительностью 20 MFLOPS), а начиная с 1975 года лидерство в разработке суперкомпьютеров захватила фирма Cray Research, выпустившая Cray 1 с производительностью 160 MFLOPS и объемом оперативной памяти 8 Мбайт, а в 1984 году Cray 2, в полной мере реализовавший архитектуру MSIMD и ознаменовавший появление нового поколения суперкомпьютеров. Производительность Cray 2— 2000 MFLOPS, объем оперативной памяти — 2 Мбайт (классическое соотношение, ибо критерий сбалансированности ресурсов компьютера — «каждому MFLOPS производительности процессора должно соответствовать не менее 1 Мбайт оперативной памяти»).

В настоящее время в мире насчитывается несколько тысяч суперкомпьютеров, начиная от простых офисных Cray EL до мощных  3, Cray 4, Сагу Y-МР С90 фирмы Cray Research, Cyber 205 фирмы Control Data, SX-3 и SX-Х компании NEC, VP 2000 компании Fujitsu (обе фирмы японские), VPP 500 компании Fujitsu Siemens (немецко-японская) и т. д., производительностью несколько десятков тысяч MFLOPS.

Среди лучших суперкомпьютеров можно отметить и отечественные суперкомпьютеры. В сфере производства суперкомпьютеров Россия, пожалуй, впервые, представила собственные оригинальные модели компьютеров (все остальные, включая и ПЭВМ, и малые ЭВМ, и универсальные компьютеры за редким исключением, например ЭВМ «Рута 110», копировали зарубежные решения, и, в первую очередь, разработки фирм США).

В СССР, а позднее в России была разработана и реализуется (сейчас, правда, почти заморожена) государственная программа разработки суперкомпьютеров. В рамках этой программы были спроектированы и выпущены такие суперкомпьютеры, как повторяющая Cray-архитектуру модель «Электроника СС БИС», оригинальные разработки: ЕС 1191, EC 1195, ЕС 1191.01, ЕС 1191.10, «Эльбрус».

Разработка новой модели ЕС 1191 с производительностью 1200 MFLOPS из-за нехватки средств отложена на неопределенный срок; офисные варианты ЕС 1195, ЕС 1191.01 имеют производительность соответственно 50 MFLOPS и 500 MFLOPS; практически заморожена и модель ЕС 1191.10 с производительностью 2000 MFLOPS.

На рис. 2.14 приведена структура суперкомпьютера «Эльбрус 3», разработанного в Институте точной механики и вычислительной техники (ИТМ и ВТ, Москва). Характеристики суперкомпьютера «Эльбрус 3»:

 производительность 10 000 MFLOPS;

● разрядность 64 бит (можно работать и с 128-разрядными словами);

● 16 магистральных процессоров по 7 арифметико-логических устройств и 16 Мбайт оперативной памяти в каждом (итого — 256 Мбайт);

● общая оперативная память — 8 блоков по 256 Мбайт (итого — 2048 Мбайт);

● суммарная емкость оперативной памяти 1616+ 8 256 = 2304 (Мбайт);

● процессоров ввода-вывода, каждый из которых имеет:

● медленный канал;

● быстрый канал;

● дисковый канал для обмена данными, соответственно, с внешними устройствами, модульными комплексами телеобработки и накопителями на магнитных дисках, часто с дисковыми массивами типа RAID.

Используются операционные системы «Эльбрус» и UNIX, поддерживающие большое число языков программирования: Эль, Фортран, Паскаль, Кобол, Пролог и т. д.

Суперкомпьютер «Эльбрус ЗБ» медленно, но продолжает разрабатываться, ожидаемая его производительность — 20 000 MFLOPS. Для суперкомпьютера «Эльбрус» разработан один из первых в мире микропроцессор Е2к, имеющий VLIW- архитектуру.

Кластерные суперкомпьютеры

Как уже упоминалось выше, в настоящее время развивается технология построения больших и суперкомпьютеров на базе кластерных решений. По мнению многих специалистов, на смену отдельным, независимым суперкомпьютерам должны прийти группы высокопроизводительных серверов, объединяемых в кластер. Удобство построения кластерных ВС заключается в том, что можно гибко регулировать необходимую производительность системы, подключая к кластеру с помощью специальных аппаратных и программных интерфейсов обычные серийные серверы до тех пор, пока не будет получен суперкомпьютер требуемой мощности. Кластеризация позволяет манипулировать группой серверов как одной системой, упрощая управление и повышая надежность.

Важной особенностью кластеров является обеспечение доступа любого сервера к любому блоку как оперативной, так и дисковой памяти. Эта проблема успешно решается, например, объединением систем SMP-архитектуры на базе автономных серверов для организации общего поля оперативной памяти и использованием дисковых систем RAID для памяти внешней (SMP — Shared Memory multiProcessing, технология мультипроцессирования с разделением памяти).

Программное обеспечение для кластерных, систем уже выпускается. Примером может служить компонент Cluster Server операционной системы MS Windows NT/2000 Enterprise. Этот компонент, более известный под кодовым названием Wolfpack, обеспечивает как функции управления кластером, так и функции диагностирования сбоев и восстановления (Wolfpack определяет сбой программы или отказ сервера и автоматически переключает поток вычислений на другие работоспособные серверы).

На конференции Supercomputing 2000 несколько фирм (Dell, Sun Microsystems, IBM) уже продемонстрировали свои достижения в области суперкомпьютерных кластерных технологий (фирма IBM, например, представила модель человеческого сердца, реализованную в кластере серверов RS/6000).

Компания NEC в 2002 году представила созданный в Центре науки и технологии моря в Канагаве, Япония, рекордный по быстродействию кластерный компьютер модели Земли (Earth Stimulator): скорость вычислений 35,86 TFLOPS (35 триллионов операций с плавающей запятой в секунду), пиковая — 40,96 TFLOPS.

Имеется единственный экземпляр этого компьютера, построенный на основе МП 5120 NEC Vector, объединенных в 640 кластеров по 8 процессоров в каждом. Вся система занимает площадь 3250 м (65x50 м).

Все фирмы отмечают существенное снижение стоимости кластерных систем по сравнению с локальными суперкомпьютерами, обеспечивающими ту же производительность.

Основные достоинства кластерных суперкомпьютерных систем:

● высокая суммарная производительность;

● высокая надежность работы системы;

● наилучшее соотношение производительность — стоимость;

● возможность динамического перераспределения нагрузок между серверами;

● легкая масштабируемость, то есть наращивание вычислительной мощности

путем подключения дополнительных серверов;

● удобство управления и контроля работы системы.