Состовляющие и основные характеристики компьютерных систем

Содержание

Составляющие и основные характеристики компьютерных систем.

Содержание:

1. Понятие «компьютерные системы».

2. Компьютер.

3. Локальные и глобальные сети.

Понятие «компьютерные системы».

Сегодня под термином «компьютерные системы» подразумевают:

• непосредственно компьютер с установленным на него системным и прикладным программным обеспечением, а также электронные носители данных;

• локальные и глобальные компьютерные сети.

Как для любой системы, можно выделить четыре базовых характеристики компьютерных систем:

1. отношение стоимость/производительность;

2. надежность и отказоустойчивость;

3. масштабируемость;

4. совместимость и мобильность программного обеспечения.

Составляющие компьютерной системы, как информационной, могут выполнять 5 основных функций (одну или несколько сразу):

1. получение информации из внешних источников;

2. выдача информации;

3. хранение информации;

4. передача информации;

5. обработка информации⁰.

Рассмотрим отдельно компьютеры, локальные и глобальные сети.

Компьютер.

По областям применения и соответственно предъявляемым требованиям компьютеры можно классифицировать:

1. Персональные компьютеры и рабочие станции.

Появились в результате эволюции миникомпьютеров при переходе элементной базы машин с малой и средней степенью интеграции на большие и сверхбольшие интегральные схемы. ПК, благодаря своей низкой стоимости, очень быстро завоевали хорошие позиции на компьютерном рынке и создали предпосылки для разработки новых программных средств, ориентированных на конечного пользователя. Это прежде всего – «дружественные пользовательские интерфейсы», а также проблемно-ориентированные среды и инструментальные средства для автоматизации разработки прикладных программ.

Первоначальная ориентация рабочих станций на профессиональных пользователей привела к тому, что рабочие станции - это хорошо сбалансированные системы, в которых высокое быстродействие сочетается с большим объемом оперативной и внешней памяти, высокопроизводительными внутренними магистралями, высококачественной и быстродействующей графической подсистемой и разнообразными устройствами ввода/вывода.

1. X-терминалы.

Представляют собой комбинацию бездисковых рабочих станций и стандартных терминалов. Занимают промежуточное положение между персональными компьютерами и рабочими станциями.

Типовой X-терминал включает следующие элементы: экран высокого разрешения; микропроцессор: на базе Motorola, RISC и т.д.; отдельный графический сопроцессор; базовые системные программы; программное обеспечение сервера; переменный объем локальной памяти; порты для подключения клавиатуры и мыши; переферийные устройства.

1. Серверы.

Прикладные многопользовательские коммерческие и бизнес системы требуют перехода к модели вычислений «клиент-сервер» и распределенной обработке. В распределенной модели «клиент-сервер» часть работы выполняет сервер, а часть пользовательский компьютер. Существует несколько типов серверов, ориентированных на разные применения: файл-сервер, сервер базы данных, принт-сервер, вычислительный сервер, сервер приложений. Таким образом, тип сервера определяется видом ресурса, которым он владеет (файловая система, база данных, принтеры, процессоры или прикладные пакеты программ).

С другой стороны существует классификация серверов, определяющаяся масштабом сети, в которой они используются: сервер рабочей группы, сервер отдела или сервер масштаба предприятия (корпоративный сервер).

Современные серверы характеризуются: наличием двух или более центральных процессоров; многоуровневой шинной архитектурой, а также множество стандартных шин ввода/вывода; поддержкой технологии дисковых массивов RAID; поддержкой режима симметричной многопроцессорной обработки, которая позволяет распределять задания по нескольким центральным процессорам или режима асимметричной многопроцессорной обработки, которая допускает выделение процессоров для выполнения конкретных задач; работают под управлением операционных систем UNIX, Windows; высокой степенью расширяемости, гибкости и адаптируемости⁰.

1. Мейнфреймы.

Это синоним понятия «большая универсальная ЭВМ». Они могут включать один или несколько процессоров, каждый из которых, в свою очередь, может оснащаться векторными сопроцессорами (ускорителями операций с суперкомпьютерной производительностью). В архитектурном плане мейнфреймы представляют собой многопроцессорные системы, содержащие один или несколько центральных и периферийных процессоров с общей памятью, связанных между собой высокоскоростными магистралями передачи данных. При этом основная вычислительная нагрузка ложится на центральные процессоры, а периферийные процессоры обеспечивают работу с широкой номенклатурой периферийных устройств.

1. Кластерные архитектуры.

Кластерная система определяется как группу объединенных между собой вычислительных машин, представляющих собой единый узел обработки информации.

Обладает следующими основными характеристиками: высокая готовность; высокая пропускная способность; удобство обслуживания системы: общие базы данных могут обслуживаться с единственного места, прикладные программы могут инсталлироваться только однажды на общих дисках кластера и разделяться между всеми компьютерами кластера; расширяемость: увеличение вычислительной мощности кластера достигается подключением к нему дополнительных компьютеров.

Главная особенность структуры ЭВМ заключается в том, все устройства ЭВМ обмениваются информацией через системную шину. К системной шине подключён центральный процессор (или несколько процессоров), оперативная, постоянная и кеш-память, которые выполнены в виде микросхем. Упомянутые компоненты монтируются на материнской плате. К материнской плате присоединяются платы внешних устройств: видеоадаптер, звуковая плата, сетевая плата и др. В зависимости от сложности устройств на этих платах могут располагаться другие специализированные процессоры: математический, графический и др. С помощью проводов к материнской плате подключены жёсткий диск, гибкий диск и устройство чтения оптических дисков.

Любой персональный компьютер содержит следующие основные элементы:

1. процессор - устройство, непосредственно осуществляющее процесс обработки данных, основные характеристики: тактовая частота, длина слова, архитектура;

2. системная шина: система объединённых проводов для передачи информации между подключёнными к ней устройствами ЭВМ, по шине передаётся информация трёх типов: данные, адреса данных, команды;

3. материнская плата с чипсетом;

4. внутренняя память: конструктивно выполняется в виде модулей, представляющих собой несколько микросхем на небольшой плате и предназначено для хранения промежуточных данных, к которым необходим максимально быстрый доступ, основные характеристики памяти: ёмкость, время доступа, стоимость хранения единицы информации;

5. внешние устройства: делятся на устройства ввода, устройства вывода и внешние запоминающие устройства, основной обобщающей характеристикой внешних устройств может служить скорость передачи данных:

В качестве внешней памяти в ПЭВМ применяются носители, использующие различные физические принципы:

• магнитные диски - это основные носители, отличаются наибольшей скоростью передачи данных, однако надёжность хранения информации на магнитных дисках не слишком высока;

• гибкие магнитные диски: низкая стоимость и надёжность;

• компакт диски: высокая ёмкость, низкая цена, высокая надёжность…

1. Монитор. Средство отображения графической и тестовой информации.

В качестве общих характеристик можно выделить такие, как:

1. Быстродействие (производительность):

Быстродействием компьютера называется скорость, с которой он выполняет определенную последовательность запросов (определяется скоростью работы процессора, пропускной способностью шины данных или скоростью обмена с внутренними и внешними устройствами).

По отношению к современным компьютерам трудно применима, так как мощность компьютеров растет как за счет повышения производительности, так и за счет усложнения архитектуры⁰.

Основу для сравнения различных типов компьютеров между собой дают стандартные методики измерения производительности.

Единицей измерения производительности компьютера является время: компьютер, выполняющий тот же объем работы за меньшее время является более быстрым. Время выполнения любой программы измеряется в секундах. Часто производительность измеряется как скорость появления некоторого числа событий в секунду, так что меньшее время подразумевает большую производительность.

Для измерения времени работы процессора на данной программе используется специальный параметр - время ЦП (CPU time), которое не включает время ожидания ввода/вывода или время выполнения другой программы. Очевидно, что время ответа, видимое пользователем, является полным временем выполнения программы, а не временем ЦП. Время ЦП может далее делиться на время, потраченное ЦП непосредственно на выполнение программы пользователя и называемое пользовательским временем ЦП, и время ЦП, затраченное операционной системой на выполнение заданий, затребованных программой, и называемое системным временем ЦП.

Время ЦП для некоторой программы может быть выражено двумя способами: количеством тактов синхронизации для данной программы, умноженным на длительность такта синхронизации, либо количеством тактов синхронизации для данной программы, деленным на частоту синхронизации.

Важной характеристикой, часто публикуемой в отчетах по процессорам, является среднее количество тактов синхронизации на одну команду.

Таким образом, производительность ЦП зависит от трех параметров: такта синхронизации, среднего количества тактов на команду и количества выполняемых команд. Когда сравниваются две машины, необходимо рассматривать все три компоненты, чтобы понять относительную производительность.

Альтернативные единицы измерения

• MIPS - миллион команд в секунду. В общем случае – это скорость операций в единицу времени, т.е. для любой данной программы MIPS есть просто отношение количества команд в программе к времени ее выполнения. Однако использование MIPS в качестве метрики для сравнения наталкивается на три проблемы: зависимость от набора команд процессора, зависимость от программы, может меняться по отношению к производительности в противоположенную сторону.

• MFLOPS. Обычно для научно-технических задач производительность процессора оценивается в MFLOPS (миллионах чисел-результатов вычислений с плавающей точкой в секунду, или миллионах элементарных арифметических операций над числами с плавающей точкой, выполненных в секунду). Как единица измерения, MFLOPS, предназначена для оценки производительности только операций с плавающей точкой, и поэтому не применима вне этой ограниченной области.

Тесты: INPACK (Ливерморские циклы) - это набор фрагментов фортран программ, каждый из которых взят из реальных программных систем; LINPACK - это пакет фортран-программ для решения систем линейных алгебраических уравнений; SPECint92 и SPECfp92 - базируются на реальных прикладных программах широкого круга пользователей и т.д.

1. Пропускная способность системы - определяет пиковую производительность мультипрограммной системы, измеряемую количеством выполненных заданий в минуту. Приводящийся в отчете график пропускной способности системы показывает, как она работает при различных нагрузках.

2. Надёжность: время наработки на отказ и временем эксплуатации.

3. Стоимость и удобство работы.

4. Количество процессоров, объём оперативной памяти, объем внешней памяти.

5. Поддерживаемое прикладное и системное программное обеспечение.

Локальные и глобальные сети.

Вычислительная сеть - это совокупность ЭВМ, объединённых средствами передачи данных.

В зависимости от удалённости ЭВМ, входящих в ВС, сети условно разделяют на локальные и глобальные:

1. Локальная сеть - это группа связанных друг с другом ЭВМ, расположенных в ограниченной территории, например, в здании. Расстояния между ЭВМ в локальной сети может достигать нескольких километров. Локальные сети развёртываются обычно в рамках некоторой организации, поэтому их называют также корпоративными сетями.

2. Большие сети называются глобальными. Глобальная сеть может включать в себя другие глобальные сети, локальные сети и отдельные ЭВМ. Глобальные сети практически имеют те же возможности, что и локальные. Но они расширяют область их действия.

Для характеристики архитектура сети используют понятия логической и физической топологии:

1. Физическая топология - это физическая структура сети, способ физического соединения всех аппаратных компонентов сети. Существует несколько видов физической топологии:

• Шинная топология. Наиболее простая, которой кабель идёт от ЭВМ к ЭВМ, связывая их в цепочку. Такие сети более дёшевы, однако если узлы сети расположены по всему зданию, то гораздо более удобным оказывается использование звездообразной топологии.

• При физической звездообразной топологии каждый сервер и рабочая станция подключаются к специальному устройству – центральному концентратору, который осуществляет соединение пары узлов сети – коммутацию.

• Если сеть имеет много узлов, причём многие располагаются на большом удалении друг от друга, то расход кабеля при использовании звездообразной топологии будет большим. Кроме того, к концентратору можно подключить лишь ограниченное число кабелей. В таких случаях применяется распределённая звездообразная топология, при которой несколько концентраторов соединяются друг с другом.

• Кроме рассмотренных видов соединений может применяться также кольцеобразная топология, при которой рабочие станции соединены в кольцо. Такая топология практически не используется для локальных сетей, но может применяться для глобальных.

1. Логическая топология сети определяет способ, в соответствии с которым устройства сети передают информацию от одного узла к следующему. Различают два вида логической топологии: шинную и кольцевую⁰.

Сеть в общем случае можно представить как совокупность следующих элементов:

1. Узлов обработки информации:

• Рабочие станции.

• Сервера и суперсервера: выполняют различные сервисные функции. Существуют серверы различных типов, которые определяются типом предоставляемых услуг:

• Файловый сервер предоставляет доступ к данным, которые хранятся во внешней памяти сервера. Таким образом, на файловый сервер возложены все задачи по безопасности хранения данных, поиску данных, архивированию и др. Внешняя память сервера становится распределяемым ресурсом, так как её могут использовать несколько клиентов.

• Сервер печати организует совместное использование принтера.

• Модемный пул представляет собой ЭВМ, снабжённую особой сетевой платой, к которой можно подключить несколько модемов. Таким образом, достигается определённая экономия, когда, например, десять ЭВМ работают, используя три модема.

• Прокси-сервер не только использует единственное соединение с Internet, но и предоставляет свою память для хранения временных файлов, что ускоряет работу с сетью.

• Главной задачей маршрутизатора является поиск кратчайшего пути, по которому будет отправлено сообщение, адресованное некоторой ЭВМ в глобальной сети. Маршрутизатор представляет собой либо специализированную ЭВМ, либо обычную ЭВМ со специальным программным обеспечением.

• Сервер приложений используется для выполнения программ, которые по каким-то причинам нецелесообразно или невозможно выполнить на других сетевых ЭВМ. Очевидной причиной может быть недостаточная производительность клиентских ЭВМ. Другая причина – использование каких-нибудь стандартных библиотек, копирование которых на каждую клиентскую ЭВМ трудоёмко и, кроме того, создаёт возможность несогласованности версии библиотеки. Такой сервер должен иметь большой объём основной и внешней памяти и высокую производительность.

• Сервера баз данных.

• Терминалы.

1. Каналы связи (среда обмена данными между узлами):

• Беспроводные оптические линии связи.

• Волоконно – оптические линии связи.

• Радиоканалы, в том числе и спутниковые.

• На основе медного кабеля: экранированная и неэкранированная витая пара, толстый и тонкий коаксиал и т.д. Основными характеристиками сетевого кабеля являются скорость передачи данных и максимально допустимая длина. Обе характеристики определяются физическими свойствами кабеля.

В построении современной информационной среды предприятия большую роль играет наличие соответствующей кабельной системы, которая должна быть создана в соответствии с принятыми стандартами, быть универсальной, масштабируемой, иметь гибкую структуру и высоконадежной.

В начале 90-х годов была принята концепция Структурированной Кабельной Системы, предоставляющей комплекс услуг по передаче данных, голосовой и видеоинформации. Необходимость в определении стандартов была вызвана стремлением обеспечить взаимодействие оборудования от различных производителей и, в целом, защитить средства, инвестируемые в создание коммуникационной инфраструктуры.

1. Аппаратура коммутации (можно также назвать узлами обработки информации, но на уровне транспорта):

• Розетки, разъёмы, панели и т.д.

• Модемы. Это устройство связи ЭВМ по телефонным линиям. По телефонной сети любые данные могут передаваться лишь в аналоговой форме. Данные от ЭВМ поступают в цифровом виде. Задача модема заключается в преобразовании цифровых данных в аналоговую форму и наоборот.

• Сетевые карты. Представляют собой дополнительные платы, устанавливаемые на материнскую плату ПЭВМ. К сетевой плате подключаются сетевые кабели. Сетевая плата определяет тип локальной сети.

• Концентраторы.

• Коммутаторы.

• Маршрутизаторы.

• Шлюзы.

Основными характеристиками сетей являются:

1. Время доставки сообщений. Определяется как статистическое среднее время от момента передачи сообщения в сеть до момента получения сообщения адресатом.

2. Производительность сети. Представляет собой суммарную производительность серверов.

3. Стоимость обработки данных. Стоимость обработки данных определяется как стоимостью средств, используемых для обработки, так и временем доставки и производительностью сети.

4. Тип сети. Определяется строением и принципами работы сети передачи данных, которые описываются протоколом. Протокол - это система правил, определяющих формат и процедуры передачи данных по сети.

5. Скорость передачи данных. В настоящее время для локальных сетей широко используются два основных значения скорости функционирования сети – 10 Mbit/s в соответствии со стандартом IEEE 802.3 (10Base-T) и 100 Mbit/s в соответствии со стандартом IEEE 802.12 (100Base-TX), а также 1000 Mbit/s (1Gbit/s) в соответствии со стандартом IEEE 802.3ab (1000Base-TX).

6. Надёжность работы сети⁰.

Импортирование данных из других источников (БД, электронные таблицы, текстовые файлы). Экспорт данных.

В связи с возрастающим значением и роли информации в жизни современного общества, значительно увеличившимся объёмом хранимой, получаемой и обрабатываемой информации, возникла базовая задача структурирования данных (информация, представленная в виде, позволяющем автоматизировать ее сбор, хранение и дальнейшую обработку человеком или информационным средствам).

Термин структурирование означает приведение к единым представлениям и форматам.

Так как задачи и предъявляемые требования к автоматизированным системам различны, то были разработаны и используются различные формы представления информации.

Можно выделить следующие формы, используемые в информационных системах (в порядке усложнения):

1. Текстовые файлы. Представляют собой либо последовательность символов алфавитов и управляющих символов (форматы с расширением «*.txt», характеризуются различными кодировками), либо бинарные файлы, позволяющие усложнить структуру текста внесением графических и иных объектов (файлы «*.doc», «*.rtf» и т.д.).

2. Электронные таблицы. Представляют собой совокупность однородных структур, имеющих одинаковые по смыслу поля.

3. Файлы баз данных. Строятся на основе электронных таблиц, связанных между собой, на уровне файловых систем представлены одним или множеством файлов.

Для эффективной работы с информацией необходимо обеспечить обмен данными между текстовыми файлами, электронными таблицами и базами данных, а также обеспечить вывод на печать и зрительное восприятие.

Обмен данных состоит из импорта и экспорта:

1. Импорт данных – предоставление информационной системой необходимых данных внешней среде в определённом формате.

2. Экспорт данных – получение и интегрирование данных из внешней среды информационной системой в понятном для неё формате с соблюдением целостности.

В этом случае очень важно, чтобы источник и получатель информации использовали одни и те же форматы представления данных, иначе графика будет воспринята как текст, музыка как видео, что повлечёт за собой нарушение целостности системы, которая попытается неправильно использовать эти данные. В условиях современных банков данных это может повлечь за собой огромный ущерб.

Поэтому эта проблема сегодня решается двумя способами:

1. Разработка стандартов на представление информации как на уровне государства, так на уровне общеиспользуемых приложений и СУБД, например:

• графические файлы: «*.bmp», «*.jpg», «*.tiff», «*.gif» и т.д.;

• файлы видео: «*.avi», «*.mpeg», «*.asf» и т.д.;

• файлы баз данных: «*.db», «*.mdb», «*.dbf» и т.д.;

1. Разработка объектных технологий.

Список литературы

1. Внутри Internet Методы поиска информации, Кузнецов С.Д., - Познавательная книга +. - М. – 2001.

2. Глобальные телесети новостей на информационном рынке, Орлова В.В., - РИП-Холдинг. –М. - 2003

3. Глобальный бизнес и информационные технологии. Современная практика и рекомендации, Попов В.М., Маршавин Р.А., - Финансы и статистика. –М. - 2001.

4. Информатика. Учебник. –М. - 1999 .