Общие концепции построения сложных технических систем и систем

Зарегистрируйтесь, чтобы просмотреть полный документ!

Общие концепции построения сложных технических систем и систем автоматизированного управления 1

Система (system – целое, составленное из частей; греч. ) – это совокупность элементов, взаимодействующих друг с другом и образующих определенную целостность, единство. Подсистема - совокупность взаимосвязанных элементов, имеющих определенное функциональное назначение. Элемент системы – неделимая элементарная часть системы. Архитектура системы – совокупность свойств системы, существенных для пользователя. Архитектура - это базовая организация системы, воплощенная в ее компонентах, их отношениях между собой и с окружением, а также принципы, определяющие проектирование и развитие системы. 2

Организация системы – внутренняя упорядоченность, согласованность взаимодействия элементов системы, проявляющаяся, в частности, в ограничении разнообразия состояния элементов в рамках системы. Структура системы – состав, порядок и принципы взаимодействия элементов системы, определяющие основные свойства системы. Если отдельные элементы системы разнесены по разным уровням и характеризуются внутренними связями, то говорят об иерархической структуре системы. 3

Автоматизированная система - совокупность персонала, технических и программных средств, математических методов и организационных комплексов, обеспечивающих рациональное управление сложным объектом или техническим (технологическим) процессом в соответствии с заданной целью. В зависимости от вида деятельности автоматизированные системы управления (АСУ) В зависимости от вида управляемого объекта автоматизированные системы научных исследований (АСНИ) системы автоматизированного проектирования (САПР) АСУ технологическими процессами (АСУТП) АСУ предприятиями (АСУП) 4

Свойства автоматизированных систем 1) при построении автоматизированной системы необходимо использовать системный подход; 2) проектирование автоматизированной системы включает этапы синтеза, анализа и оптимизации на основе принципов теории систем; 3) в автоматизированную систему должен быть заложен принцип дальнейшего развития и расширения (расширяемость, масштабируемость); 4) выходной продукцией автоматизированной системы является информация, на основе которой принимаются решения; 5) автоматизированную систему следует рассматривать как человеко-машинную (эргатическую) систему обработки информации и управления. 5

Понятие сложной системы Сложная (большая) система [complicated system] - автоматизированная система, представляющая собой совокупность конечного числа взаимосвязанных и объединенных общими целями функционирования подсистем. К признакам сложной системы можно отнести следующие: Ø широко развитая архитектура; Ø иерархическая структура; Ø многоцелевой характер; Ø сложный алгоритм управления; Ø высокий уровень автоматизации; Ø большой состав персонала и/или пользователей; Ø значительные периоды времени создания и жизни системы. 6

Области использования сложных систем предсказание погоды, климата и глобальных изменений в атмосфере; наука о материалах; разработка полупроводниковых приборов; исследование сверхпроводимости; структурная биология; разработка фармацевтических препаратов; генетика; астрономия и космология; управление сложными техническими системами; транспортные задачи; гидро- и газодинамика; управляемый термоядерный синтез; эффективность систем сгорания топлива; геоинформационные системы; разведка недр; наука о мировом океане; распознавание и синтез речи; распознавание изображений; нанотехнологии. 7

Структура сложной автоматизированной информационной системы управления

Принципы построения сложных автоматизированных систем 1. Иерархия (структурированное управление в сложной системе); 2. Распределенность (наилучшее согласование топологии системы управления ); 3. Эргатичность (взаимодействие технологических и человеческих факторов): • • Идентификация физиологического состояния человека Поддержание необходимой квалификации и навыков 9

Сложные вычислительные системы 10

Общие концепции построения сложных вычислительных систем Структурные методы построения СВС - многопроцессорность, распределенность и распараллеливание. СВС могут существовать в различных конфигурациях. К основным типам таких систем относятся: Ø системы высокой надежности; Ø системы для высокопроизводительных вычислений; Ø многопоточные системы. 11

Система классификации вычислительных систем 1966 г. М. Флинн (Flynn) 1. SISD - Single Instruction Single Data 2. MISD - Multiple Instruction Single Data 3. SIMD - Single Instruction Multiple Data 4. MIMD - Multiple Instruction Multiple Data Поток - последовательность элементов, команд или данных, обрабатываемых процессором. 12

SISD (Single Instruction Single Data) 13

MISD (Multiple Instruction Single Data ) 14

SIMD (Single Instruction Multiple Data ) 15

MIMD (Multiple Instruction Multiple Data) 16

MPP (Massive Parallel Processing) – массивно-параллельная архитектура. Ядро – многомашинный комплекс. Достоинства: высокое быстродействие, раздельная память и масштабируемость: каждый процессор имеет доступ только к своей локальной памяти, в связи с чем не возникает необходимости в потактовой синхронизации процессоров. Недостатки: · требуется специальная техника программирования для реализации обмена сообщениями между процессорами; · каждый процессор может использовать только ограниченный объем локального банка памяти. 17

SMP (Symmetric Multi. Processing) – симметричная многопроцессорная архитектура Достоинства: • Наличие единой ОС - автоматическое распределение ресурсов системы на различных этапах ее работы. • Простота и универсальность для программирования. • Использование общей памяти увеличивает скорость обмена, пользователь также имеет доступ сразу ко всему объему памяти. • простота эксплуатации • относительно невысокая цена Недостатки: системы с общей памятью плохо масштабируются. 18

NUMA (Non. Uniform Memory Access) – неоднородный доступ к памяти 19

Высокопараллельные вычислительные системы Обработка множественного потока команд или данных. Поток команд - последовательность команд, выполняемых ВС. Поток данных - последовательность данных, обрабатываемых под управлением потока команд. 20

Высокопараллельные архитектуры типа SIMD или матричные ВС 21

Высокопараллельные ВС структуры типа MISD или конвейерные ВС 22

Классификация ВС По назначению Универсальные ВС - для решения широкого круга задач автоматизации и управления Специализированные - для решения определенного круга задач По типу оборудования Однородные системы содержат несколько однотипных ЭВМ (или процессоров) Неоднородные - разнотипные ЭВМ (или процессоры). 23

По типу структуры Системы с постоянной структурой Системы с переменной структурой По степени централизации управления Централизованные - все функции управления сосредоточены в одном элементе, в качестве которого используется одна из ЭВМ, называемая машиной-директором, или центральный процессор. Децентрализованные - каждый процессор или ЭВМ действуют автономно, решая свои задачи. Со смешанным управлением - СВС разбивается на группы взаимодействующих ЭВМ (или процессоров), в каждой из которых осуществляется централизированное управление, а между группами - децентрализированное. 24

Производительность СВС Производительность - количество операций, производимых системой за единицу времени Пиковая – равна произведению пиковой производительности одного процессора на число таких процессоров в данной машине. Реальная зависит от взаимодействия программной модели, в которой реализовано приложение, с архитектурными особенностями машины, на которой приложение запускается Способы оценки пиковой производительности: MIPS (Million Instructions Per Second). Flops (Floating point operations per second) 25

Примеры сверхмощных вычислительных систем (суперкомпьютеры) Суперкомпьютер Blizzard ( «Буран» , Германия, 2009 г. ), который является самым мощным на планете из числа компьютеров, которые используются исключительно для анализа климатических процессов. Состоит из 8448 процессоров, обладает мощностью 158 терафлопс (способен воспроизводить 158 млрд операций в секунду) и весит 35 тонн. Длина одних кабелей, соединяющих вычислительные блоки, составляет 50 км. Объем памяти компьютера — 60 тыс. терабайт. Blizzard в 60 раз мощнее того компьютера, который работал DKRZ ранее, и примерно в 20 тыс. раз мощнее обычного ПК. Бюджету Гамбурга он обошелся в 35 млн евро. Еще 26 млн евро было вложено в ремонт и модернизацию здания, в котором и стоит Blizzard. 26

Jaguar — суперкомпьютер класса массивно-параллельных систем расположен в Национальном Центре компьютерных исследований в Окридже, штат Теннеси (National Center for Computational Sciences (NCCS), 2009 г. ). Этот суперкомпьютер владеет массово-параллельной архитектурой, которые делятся на 2 раздела: XT 5 и XT 4 моделей Cray XT 5 и XT 4, соответственно. Раздел XT 5 содержит 149’ 504 вычислительных ядер, более 300 ТБ памяти, более 6 ГБ дискового пространства и пиковую производительность 1. 38 PFLOPS. Раздел XT 4 содержит 7’ 832 вычислительных ячеек. Ячейка содержит 4 -ядерный процессор AMD Opteron 1354 (Budapest), имеющий внутреннюю частоту 2. 1 ГГц. В целом раздел содержит 31’ 328 вычислительных ядер, более 62 ТБ памяти, более 600 ТБ дискового пространства и пиковую производительность 263 TFLOPS. Роутер Sea. Star 2+ обладает пиковой пропускной способностью равной 57. 6 ГБ/с, роутер Sea. Star 2 — 45. 6 ГБ/с. Роутеры соединены в топологию «трехмерный тор» . Сетевая операционная система для «Ягуара» состоит из полноценных версий Linux. 27

Самая мощная компьютерная установка в СНГ и Восточной Европе Суперкомпьютер “Ломоносов”, 2009 г. , Московский Государственный Университет Суперкомпьютерный комплекс, поставленный компанией «ТПлатформы» для МГУ им. М. В. Ломоносова, обладает пиковой производительностью 420 Тфлопс. Реальная производительность системы на тесте Linpack - 350 Тфлопс. Таким образом, эффективность суперкомпьютера, то есть соотношение реальной и пиковой производительности, составляет 83%. Этот показатель на сегодня является одним из самых высоких в мире: аналогичный показатель суперкомпьютера Jaguar, текущего лидера списка ТОП 500, составляет лишь 75. 46%. 28

Скачать презентацию Общие концепции построения сложных технических систем и систем

Лекция3 СВС.pptx

Количество слайдов: 28