ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ АРХИТЕКТУРЫ АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ, СИСТЕМНОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
Базовые понятия вычислительной системы
Для введения в дисциплину ознакомимся с основными понятиями, которые определяют ее содержание. Рассмотрим понятия «вычислительная машина», «вычислительная система», определим разницу между компьютерами и информационной системой, между понятиями «архитектура» и «структура» аппаратных средств вычислительной системы.
Согласно ГОСТ 15971-90 вычислительная машина (ВМ) — совокупность технических средств, создающая возможность проведения обработки информации (данных) и получения результата в необходимой форме. Под техническими средствами понимают все оборудование, предназначенное для автоматизированной обработки данных. Как правило, в состав ВМ входит и системное программное обеспечение.
Вычислительную машину, основные функциональные устройства которой выполнены на электронных компонентах, называют электронной вычислительной машиной (ЭВМ).
В последнее время в отечественной литературе широкое распространение получил англоязычный термин «компьютер» (англ. Computer — вычислитель). Мы будем использовать эти термины как равноправные. Следует отметить, что в настоящее время активно ведутся разработки компьютеров, работа которых основана на оптических, фотонных, квантовых и других физических принципах. Например, оптические компьютеры в своей работе используют скорость света, а не скорость электричества, что делает их наилучшими проводниками данных. Сверхъестественный мир квантовой механики не подчиняется законам общей классической физики. Квантовый бит (qubit) не существует в типичных 0- или 1-бинарных формах сегодняшних компьютеров — квантовый бит может существовать в одной из них или же в обеих системах одновременно. В связи с этим понятие «электронная вычислительная машина», в котором акцентируется, что машина построена на основе электронных устройств, становится более узким, чем понятие «компьютер».
С развитием вычислительной техники появились многопроцессорные системы и сети, объединяющие большое количество отдельных процессоров и вычислительных машин, программные системы, реализующие параллельную обработку данных на многих вычислительных узлах. Появился термин «вычислительные системы».
Система (от греч. systema — целое, составленное из частей соединение) — это совокупность элементов (объектов), взаимодействующих друг с другом, образующих определенную целостность, единство.
Объект (от лат. objectum — предмет) — это термин, используемый для обозначения элементов системы.
Вычислительную систему (ВС) стандарт ISO/IEC2382/1 -93 определяет как одну или несколько вычислительных машин, периферийное оборудование и программное обеспечение, которые выполняют обработку данных.
Вычислительная система состоит из связанных между собой средств вычислительной техники, содержащих не менее двух основных процессоров, имеющих общую память и устройство ввода-вывода.
Формально отличие ВС от ВМ выражается в количестве вычислительных средств. Множественность этих средств позволяет реализовать в ВС параллельную обработку.
Таким образом, вычислительная система является результатом интеграции аппаратных средств и программного обеспечения, функционирующих в единой системе и предназначенных для совместного выполнения информационно-вычислительных процессов.
Аппаратное средство (hardware) включает в себя все внешние и внутренние физические компоненты компьютерной системы (из п. 3.7.2 ГОСТ Р 53394-2009).
Программное обеспечение (software) по ГОСТ Р 53394-2009 — это совокупность информации (данных) и программ, которые обрабатываются компьютерной системой.
С технической точки зрения вычислительная система — это комплекс вычислительных средств, объединенных в информационновычислительную сеть.
Основной отличительной чертой вычислительных систем по отношению к ЭВМ является наличие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку. Точного различия между вычислительными машинами и вычислительными системами определить невозможно, так как вычислительные машины даже с одним процессором обладают разными средствами распараллеливания, а вычислительные системы могут состоять из традиционных вычислительных машин или процессоров.
Необходимо понимать разницу между компьютерами и информационной системой: компьютеры оснащены специальными программными системами, являются технической базой и инструментом для информационных систем.
Информационная система — это организационно упорядоченная совокупность документов (массивов документов) и информационных технологий, в том числе с использованием средств вычислительной техники и связи, реализующих информационные процессы [1, ст. 2] (из п. 3.1.7 ГОСТ Р 54089-2010).
Информационная система немыслима без персонала, взаимодействующего с компьютерами и телекоммуникациями.
Информационная система с технической точки зрения — это взаимосвязанная совокупность средств, методов и персонала, используемых для хранения, обработки и выдачи информации в интересах достижения поставленной цели.
С развитием средств вычислительной техники изменился подход к созданию вычислительных машин. Вместо разработки аппаратуры и средств математического обеспечения стала проектироваться система, состоящая из синтеза аппаратных и программных средств. При этом на главный план выдвинулась концепция взаимодействия аппаратных и программных средств. Так возникло новое понятие — архитектура вычислительной машины.
Архитектура (architecture)— это базовая организация системы, воплощенная в ее компонентах, их отношениях между собой и с окружением, а также принципы, определяющие проектирование и развитие системы [ИСО/МЭК 15288:2008, определение 4.5].
Архитектура вычислительной машины (Computer architecture) — это концептуальная структура вычислительной машины, определяющая проведение обработки информации и включающая методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения [ГОСТ 15971-90, определение 29].
Таким образом, архитектуру вычислительной машины можно представить как множество взаимосвязанных компонентов, включающих элементы различной природы: программное обеспечение (software), аппаратное обеспечение (hardware), алгоритмическое обеспечение (brainware), специальное фирменное обеспечение (firmware), создающих возможность проведения обработки информации и получения результата в необходимой форме.
Следует отличать архитектуру вычислительной машины от ее структуры.
Структура — это отношение между элементами системы [ISO/ IEC2382/1 -93].
Структура вычислительной машины определяет отношение между ее элементами (множество взаимосвязанных компонентов) на уровне детализации. Элементами детализации могут быть различные функциональные узлы (блоки, устройства и т.д.). Графически описание вычислительной машины на любом уровне детализации представляется в виде структурных схем.
Под архитектурой вычислительной машины понимают общее описание принципов организации аппаратно-программных средств и основных их характеристик, определяющих функциональные возможности вычислительной машины.
Архитектура вычислительной системы — совокупность характеристик и параметров, определяющих функционально-логичную и структурно-организованную систему и затрагивающих в основном уровень параллельно работающих вычислителей.
Понятие архитектуры охватывает общие понятия организации системы, включающие такие высокоуровневые аспекты разработки компьютера, как система памяти, структура системной шины, организация ввода/вывода и т.п.
Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного запоминающего устройства (ЗУ), внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.
