Хамухин А.А. Введение в информатику для инженеров нефтегазового дела:

Подождите немного. Документ загружается.

По этому закону авторское право подразделяется на имущественное и

неимущественное право. Имущественное право предоставляет возможность

распространять продукт с целью получения прибыли. Неимущественное право

обязывает распространителя указывать имя автора и охраняет его право на

целостность программы. То есть защищает автора от внесения в его программу

(базу данных) изменений без его согласия. По этому закону, имущественное право

принадлежит работодателю, если программа или база данных разработана в порядке

выполнения служебных обязанностей или по заданию работодателя, если иное не

оговорено в договоре найма работника.

Несмотря на некоторые различия в законодательствах разных стран, их

объединяет закрепление за правообладателем исключительного права и запрет

использования результата без его согласия. Во всех странах предусмотрен механизм

выдачи лицензий того или иного вида. Также общим является и наличие санкций за

нарушение права – от запрета действий, нарушающих право, до крупных штрафов,

взыскания убытков, а в некоторых случаях – уголовной ответственности. Размер

этих санкций в разных странах значительно отличается.

В авторском праве лицензией называется договор между правообладателем и

пользователем, по которому правообладатель передаёт пользователю ограниченные

права на использование того или иного объекта интеллектуальной собственности. В

этом договоре указываются разрешённые виды использования, сроки передачи прав

и иные условия. При передаче прав на использование программ для ЭВМ возможен

особый порядок заключения лицензионного договора – так называемая

«обёрточная лицензия». При этом все существенные условия договора излагаются

правообладателем так, чтобы они были доступны до приобретения товара (на

упаковке, на обёртке), а пользователь эти условия принимает. (Согласие выражается

фактом оплаты или фактом начала использования продукта.) При этом письменный

лицензионный договор не подписывается. В таком случае термином «лицензия»

часто называют документ или текст с изложением условий. Копии программ,

используемые без соответствующего лицензионного договора или с нарушением его

условий, называют контрафактными или, в просторечии, пиратскими.

В настоящее время, как реакция на коммерциализацию, возникло свободно-

распространяемое программное обеспечение. Оно распространяется по так

называемой лицензии GNU GPL (General Public License). GPL предоставляет

получателям компьютерных программ следующие права, или «свободы»:

• свободу запуска программы, с любой целью;

• свободу изучения того, как программа работает, и её модификации

(предварительным условием для этого является доступ к исходному коду);

• свободу распространения копий;

• свободу улучшения программы, и выпуска улучшений в публичный доступ

(предварительным условием для этого является доступ к исходному коду).

Эти «свободы» использования «свободного» ПО накладывают и некоторые

«обязанности», так, например, если в Вашей разработке использованы программы,

полученные по лицензии GPL, то они тоже должны распространяться по лицензии

GPL, а не на коммерческой основе.

Более подробные учебные материалы на эту тему можно найти в ИНТУИТе:

«Основы права интеллектуальной собственности» Серго А.Г. и Пущин В.С.

Глава 2. Обзор аппаратного и программного

обеспечения

2.1. Краткая историческая справка

Примерно 1500 г. – великий творец эпохи возрождения Леонардо да Винчи

начертил эскиз 13-ти разрядного механического сумматора десятичных чисел. По

этому чертежу сумматор был изготовлен фирмой IBM уже в наши дни и успешно

демонстрирует его работоспособность в рекламных кампаниях.

1639 г. – будущий великий французский ученый Блез Паскаль в 16 лет

изготовил первый механический арифмометр с двумя действиями: сложением и

вычитанием. Машина Паскаля оказалась настолько полезной, что позднее он

получил королевский заказ на изготовление 50 штук.

1673 г. – на заседании Лондонского королевского общества великий немецкий

математик Готфрид Лейбниц продемонстрировал машину, совершенно отличную

от машины Паскаля, она позволяла выполнять не только сложение и вычитание, но

и умножение и деление. Однако в XVII веке его арифмометр распространения не

получил, из-за высоких требований к механической точности деталей. Только

позднее в 1820 году Карл Томас усовершенствовал его, получил патент и наладил

производство механических арифмометров.

1839 г. – профессор Кембриджского университета Чарльз Бэббидж подал в

отставку, чтобы полностью посвятить себя конструированию «аналитической» и

«разностной» машины, работа которой программировалась через ввод

последовательности перфокарт. Не имея под рукой реального вычислителя, в своих

теоретических рассуждениях Бэббидж продвинулся настолько, что сумел глубоко

заинтересовать и привлечь к программированию своей гипотетической машины

дочь поэта лорда Байрона Августину Аду Кинг, графиню Лавлейс, обладавшую

бесспорным математическим дарованием и вошедшую в историю как «первый

программист». Идеи Чарльза Бэббиджа слишком опережали технические

возможности его времени, а потому спроектированные вычислители в принципе

невозможно было построить в ту эпоху. И лишь в 1991 году, к двухсотлетию со дня

рождения ученого сотрудники лондонского Музея науки воссоздали по его

чертежам 2,6-тонную «разностную машину № 2», а в 2000 году – еще и 3,5-тонный

принтер Бэббиджа.

1847 г. – Джордж Буль опубликовал «Математический анализ логики».

Благодаря этой работе он в 1849 году получил пост профессора математики,

несмотря на то, что он даже не имел университетского образования. Он первый

показал, что тремя основными логическими операциями – И, ИЛИ, НЕ, можно

производить сложение, вычитание, умножение, деление и сравнение символов и

чисел. Сейчас вся цифровая техника работает на их основе.

1907 г. – Ли де Форест получает патент на триод – лампу с анодом, сеткой и

катодом, то и этого вполне хватило бы для того, чтобы войти в историю

компьютеров. Ничего более эффективного, чем триод, для аппаратной реализации

на элементарном уровне функций булевой алгебры так и не было придумано до сих

пор.

1936 г. – 24-летний английский математик Алан Тьюринг опубликовал работу

«О вычислимых числах», в которой описал воображаемое устройство, названное

«универсальной машиной», поскольку она должна была справляться с любой

допустимой, то есть теоретически разрешимой задачей – математической или

логической. Сейчас ее называют во всех учебниках «машиной Тьюринга».

15 февраля 1946 г. – состоялась демонстрация работы первой ЭВМ ENIAC,

созданной под руководством Маучли и Эккерта в Баллистической лаборатории

армии США. Новая машина имела впечатляющие «параметры»: около 18 тысяч

электронных ламп. Потребовалось помещение площадью 9x15 метров, масса

компьютера – 30 т, энергопотребление – 150 кВт. ENIAC работал с тактовой

частотой 100 кГц, что было на три порядка быстрее, чем это могли делать релейные

машины. Быстро обнажились недостатки новой машины. Использовалась

десятичная система счисления вместо двоичной. Программа задавалась схемой

коммутации триггеров на 40 наборных полях, на каждую требовалось несколько

коммутационных шнуров. На перенастройку коммутационных полей уходили

недели. При пробной эксплуатации выяснилось, что надежность машины очень

низка – поиск неисправностей занимал от нескольких часов до нескольких суток.

По своей структуре ЭВМ ENIAC напоминала механические вычислительные

машины.

1948 г. – Норберт Винер опубликовал свой фундаментальный труд

«Кибернетика, или управление и связь в животном и машине». Книга получила

мировое признание, а автора теперь называют «отцом кибернетики». Винер полагал

очевидным, что многие концептуальные схемы, определяющие поведение живых

организмов при решении конкретных задач, практически идентичны схемам,

характеризующим процессы управления в сложных технических системах. Более

того, он убедительно доказывал, что социальные модели управления и модели

управления в экономике могут быть проанализированы на основе тех же общих

положений, которые разработаны в области управления системами, созданными

людьми. В последующем он предсказал две тогда совсем неочевидные

составляющие киберпространства – компьютер как средство коммуникации и

интерактивный режим.

1948 г. – американский учёный и инженер Клод Шеннон опубликовал

фундаментальный труд «Математическая теория связи». Именно он за единицу

информации принял то, что впоследствии окрестили «бит», то есть выбор одного из

двух равновероятных вариантов. Он сформулировал и доказал теорему о

пропускной способности зашумленных каналов связи.

1951г. – под руководством С.А.Лебедева была построена и пущена в

эксплуатацию первая Советская ЭВМ МЭСМ. В отличие от американской ЭВМ

она работала в двоичной системе, с трехадресной системой команд, причем

программа вычислений хранилась в запоминающем устройстве оперативного типа.

Машина Лебедева с параллельной обработкой слов представляла собой

принципиально новое решение. Она была одной из первых в мире и первой на

европейском континенте ЭВМ с хранимой в памяти программой. Затем, развивая

те же принципы построения быстродействующей вычислительной техники, под

руководством академика Лебедева был создан целый ряд оригинальных

отечественных компьютеров. Наилучший образец (БЭСМ-6) выпускался с 1966 по

1987 гг. и имел производительность 1 млн операций с плавающей точкой в секунду

над 48-разрядными числами. Создавая БЭСМ-6, академик Лебедев пришел к

реализации принципа конвейера — совмещения нескольких команд, находящихся

на разных стадиях выполнения, который только гораздо позднее появился в

зарубежных компьютерах.

1956г. – американские физики Шокли, Бардин и Браттейн удостоены

Нобелевской премии «за исследования полупроводников и открытие

транзисторного эффекта», который они открыли еще в 1947 г. в знаменитой

лаборатории «Bell Labs». Началась полупроводниковая эра ЭВМ.

1959г. – будущий основатель фирмы Intel Роберт Нойс изобрел способ

размещения на одной пластине кремния множества транзисторов – интегральную

микросхему. Их промышленное производство началась в 60-е годы и ЭВМ на

основе микросхем стали называть ЭВМ 3-его поколения.

1970г. – фирмой Intel представлена первая микросхема оперативной памяти, а

в 1971 г. – фирмой Intel представлена первая микросхема с микропроцессором, а

ЭВМ на их основе называют ЭВМ 4-го поколения.

2.2. Компьютеры

2.2.1. Магистрально-модульный принцип и классификация

компьютеров

Под архитектурой компьютера понимается его логическая организация,

структура, ресурсы, т. е. средства вычислительной системы, которые могут быть

выделены процессу обработки данных на определенный интервал времени.

Архитектура современных компьютеров основана на магистрально-модульном

принципе.

Модульный принцип позволяет потребителю самому подобрать нужную ему

конфигурацию компьютера и производить при необходимости его модернизацию.

Модульная организация системы опирается на магистральный (шинный) принцип

обмена информации. Магистраль или системная шина – это набор электронных

линий, связывающих воедино по адресации памяти, передачи данных и служебных

сигналов процессор, память и периферийные устройства.

Обмен информацией между отдельными устройствами компьютера

производится по трем многоразрядным шинам, соединяющим все модули, – шине

данных, шине адресов и шине управления.

Подключение отдельных модулей компьютера к магистрали на физическом

уровне осуществляется с помощью устройств, называемых контроллерами, а на

программном – обеспечивается специальными программными, называемыми

драйверами. Контроллер принимает сигнал от процессора и дешифрует его, чтобы

соответствующее устройство смогло принять этот сигнал и отреагировать на него.

За реакцию устройства процессор не отвечает – это функция контроллера. Поэтому

внутренние (и внешние) устройства компьютеров заменяемы, и набор таких

модулей можно подбирать под класс решаемых задач.

Разрядность шины данных задается разрядностью процессора, то есть

количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт.

Данные по шине данных могут передаваться как от процессора к какому-либо

устройству, так и в обратную сторону, то есть шина данных является

двунаправленной. К основным режимам работы процессора с использованием шины

передачи данных можно отнести следующие: запись/чтение данных из оперативной

памяти и из внешних запоминающих устройств, чтение данных с устройств ввода,

пересылка данных на устройства вывода.

Выбор абонента по обмену данными производит процессор, который формирует

код адреса данного устройства, а для запоминающего устройства – код адреса

ячейки памяти. Код адреса передается по адресной шине, причем сигналы

передаются в одном направлении, от процессора к устройствам, то есть эта шина

является однонаправленной.

По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена

информацией, и сигналы, синхронизирующие взаимодействие устройств,

участвующих в обмене информацией.

Внешние устройства к шинам подключаются посредством интерфейса. Под

интерфейсом понимают совокупность различных характеристик какого-либо

периферийного устройства компьютера, определяющих организацию обмена

информацией между ним и центральным процессором. Интерфейс современного

компьютера состоит обычно из нескольких портов (разъемов для подключения

периферийных устройств). Это COM1, COM2, LPT (параллельные порты), RS232,

USB (последовательные порты). В случае несовместимости интерфейсов (например,

интерфейс системной шины компьютера и интерфейс нового винчестера)

используют дополнительные контроллеры.

Чтобы устройства, входящие в состав компьютера, могли взаимодействовать с

центральным процессором, в IBM-совместимых компьютерах предусмотрена

система прерываний (Interrupts). Система прерываний позволяет компьютеру

приостановить текущее действие и переключиться на другие в ответ на

поступивший запрос, например, на нажатие клавиши на клавиатуре. Ведь с одной

стороны, желательно, чтобы компьютер был занят возложенной на него работой, а с

другой необходима его мгновенная реакция на любой требующий внимания запрос.

Прерывания обеспечивают немедленную реакцию системы.

Все устройства, входящие в состав компьютеров, обычно подразделяются на

следующие компоненты:

• центральный процессор (CPU);

• оперативная память (memory);

• устройства хранения информации (storage devices);

• устройства ввода (input devices);

• устройства вывода (output devices);

• устройства связи (communication devices).

Существует много классификаций компьютеров. Рассмотрим классификацию по

функциональному назначению:

• Персональные компьютеры

o Карманные ПК (КПК, смартфон)

o Мобильные ПК (ноутбук, планшетный ПК)

o Настольные ПК

o Рабочие станции

o Тонкие клиенты

• Серверы

o Настольные

o Напольные

o Серверы-лезвия

• Мэйнфреймы

• Кластеры

Карманные ПК или смартфоны (наладонники) это малогабаритные устройства,

имеющие операционную систему, память и порты связи. Это позволяет выполнять

небольшие мультимедиа и офисные приложения.

Ноутбуки имеют, как правило, вычислительную мощность настольного

офисного ПК, отличаются небольшим весом (2-3 кг), наличием аккумуляторов,

позволяющих несколько часов работать без электросети и повышенной ценой.

Планшетные ПК – это облегченный вариант ноутбука, отличающийся меньшими

ресурсами, существенно меньшей ценой и предназначенный для массового

использования, например, в обучении.

Рабочими станциями называют «усиленные» персональные компьютеры,

работающие в локальной сети и обслуживаемые сервером, отличающиеся развитой

графикой и повышенной производительностью. Предназначены для

профессиональной деятельности.

Тонкими клиентами называют «облегченные» персональные компьютеры,

работающие в локальной сети целиком на ресурсах сервера. Они отличаются более

низкой ценой и большей надежностью, так как благодаря отсутствию встроенных

накопителей тонкие клиенты предотвращают случайное изменение системных

файлов.

Серверами называют компьютеры, предназначенные для обслуживания других

компьютеров в сети. Они отличаются максимально возможной для данной

конфигурации вычислительной мощностью и ресурсами памяти, а также

возможностью замены или увеличения ресурсов (масштабирование) в «горячем»

режиме (без отключения электропитания и нарушения работы сервера). Для

серверов разрабатывается и специальное программное обеспечение, в том числе –

серверные операционные системы. Классифицируются серверы по их размещению

(на столе, на полу, в стойке), которое примерно соответствует их мощности,

зависящей от габаритов.

Мэйнфреймы представляют собой многопроцессорные системы, содержащие

один или несколько центральных и периферийных процессоров с общей памятью,

связанных высокоскоростными магистралями передачи данных. Основная

вычислительная нагрузка ложится на центральные процессоры, каждый из

которых, как правило, оснащается высокопроизводительными векторными

сопроцессорами-ускорителями операций, а периферийные процессоры

обеспечивают работу с сетью и широкой номенклатурой периферийных устройств

Кластерную архитектуру можно определить как комплекс специальным образом

соединенных однородных вычислительных машин, который воспринимается

единым целым операционной системой, системным программным обеспечением и

прикладными программами пользователей. Аппаратурная и программная

избыточность комплекса позволяет при обнаружении отказа одного процессора

быстро перераспределить работу на другие процессоры внутри кластера.

Производительность кластерной системы определяется высокоскоростным

механизмом связи процессоров и организацией параллельных вычислений.

2.2.2. Суперкомпьютеры

Суперкомпьютерами называют компьютеры, имеющие гораздо более высокую

производительность по сравнению с ПК. Информация о 500 самых мощных

суперкомпьютеров в мире публикуется на сайте http://www.top500.org.

Причем тактовая частота процессора (количество элементарных логических

операций в секунду) является всего лишь косвенной характеристикой

производительности. Так как в некоторых процессорах за счет архитектурных

усовершенствований реальные задачи решаются быстрее даже при более низкой

тактовой частоте. Поэтому для сравнения реальной производительности

компьютеров (и процессоров) ввели другую единицу измерения их вычислительной

мощности.

Флопс (Flops) – это количество операций с плавающей точкой в секунду,

которое может выполнить компьютер. Операция с плавающей точкой – это

полноразрядная арифметическая операция над вещественными числами. При

определении производительности компьютера обычно берется смесь всех четырех

арифметических операций в определенных пропорциях.

Производительность оценивается двумя цифрами: пиковая производительность

peak

(теоретически возможная производительность компьютера) и максимальная

реальная производительность R

max

(максимальная производительность компьютера,

зафиксированная на реальных тестовых задачах). В табл. 2.1 значения R

max

и R

peak

приведены в GFlops (1 гигафлопс = 1 миллиарду флопс).

Таблица 2.1

Выписка из мирового рейтинга суперкомпьютеров по данным на июнь 2005

№

п/п

Сайт

Страна/год создания

Марка компьютера/кол-во процессоров

Производитель

Rmax

Rpeak

DOE/NNSA/LLNL

United States/2005

BlueGene/L

eServer Blue Gene Solution / 65536

IBM

136800

183500

BM Thomas J.

Watson Research

Center

United States/2005

BGW

eServer Blue Gene Solution / 40960

IBM

91290

114688

NASA/Ames

Research Center/NAS

United States/2004

Columbia

SGI Altix 1.5 GHz, Voltaire Infiniband /

10160

SGI

51870

60960

The Earth

Simulator Center

Japan/2002

Earth-Simulator / 5120

NEC

35860

40960

Barcelona

Supercomputer Center

Spain/2005

MareNostrum

JS20 Cluster, PPC 970, 2.2 GHz, Myrinet /

4800

IBM

27910

42144

Для оценки динамики развития компьютерной отрасли приведем ту же таблицу

через один год (табл. 2.2, обновленные позиции выделены фоном). Как видно из

таблицы, количество процессоров в самом мощном компьютере удвоилось, и

появились новые суперкомпьютеры, что свидетельствует о значительном росте этой

области информатики.

Таблица 2.2

Выписка из мирового рейтинга суперкомпьютеров по данным на июнь 2006

№

п/п

Сайт

Страна/год

Марка компьютера/кол-во процессоров

Производитель

Rmax

Rpeak

DOE/NNSA/LL

United States/2005

BlueGene/L

eServer Blue Gene Solution / 131072

IBM

28060

367000

BM Thomas J.

Watson Research

Center

United States/2005

BGW

eServer Blue Gene Solution / 40960

IBM

91290

114688

DOE/NNSA/LL

United States/2006

ASC Purple - eServer pSeries p5 575 1.9 GHz

IBM/ 12208

75760

92781

NASA/Ames

Research

Center/NAS

United States /

2004

Columbia

SGI Altix 1.5 GHz, Voltaire Infiniband / 10160

SGI

51870

60960

Commissariat

a l'Energie

Atomique (CEA)

France / 2006

Tera-10 - NovaScale 5160, Itanium2 1.6

GHz, Quadrics

Bull SA / 8704

42900

55705

…

Joint

Supercomputer

Center

Russia / 2006

MVS-15000BM, eServer BladeCenter JS20

(PowerPC970 2.2 GHz), Myrinet

IBM / 1148

6645

10102

…

490

United Institute

of Informatics

Problems

Belarus / 2004

SKIF K-1000 - Opteron 2.2 GHz, Infiniband

Self-made / 576

2032

2534

Большинство из представленных выше суперкомпьютеров имеют

многопроцессорную кластерную архитектуру, и количество используемых

процессоров играет существенную роль в определении производительности

суперкомпьютеров. Некоторые из суперкомпьютеров являются доступными для

общего пользования на коммерческих условиях через сеть Интернет.

Суперкомпьютеры являются весьма дорогостоящим оборудованием. К тому же,

стоимость программного обеспечения, например, для 3-D обработки геофизических

данных, еще выше. Поэтому ведущие фирмы-производители создают центры

коллективного доступа к суперкомпьютерам, оснащенные всем необходимым

программным обеспечением от операционных систем, до специализированных

пакетов программ.

Так, например, ведущий производитель суперкомпьютеров фирма IBM

совместно с разработчиком одного из лучших пакетов обработки данных

сейсморазведки Omega установили подобный центр в Москве. В его состав входит

Linux-кластер из 28 2-х процессорных серверов Intel Xeon EM64T с двумя

управляющими узлами на базе серверов IBM eServer xSeries 346. Центр проводит

как обучение специалистов, так и реальную обработку геофизических данных на

коммерческой основе. Следует отметить, что пакет Omega уже приобретен (по

данным на октябрь 2006г.) такими Российскими нефтяными компаниями, как

«Роснефть», «Татнефть», «Славнефть».

2.2.3. Процессоры

Процессором обычно называют вычислительное устройство, выполняющее

логические и арифметические операции по заданной в оперативной памяти

программе и обеспечивающее функционирование всего компьютера. Именно

процессором в основном определяется вычислительная мощность компьютера.

В табл. 2.3 приведены характеристики некоторых процессоров, используемых в

компьютерах списка top500 по данным на июнь 2005г. (в последней колонке

приведены и данные на июнь 2006г. для оценки динамики развития). Основные

фирмы, разрабатывающие и выпускающие процессоры в настоящее время: Intel,

AMD, IBM, VIA, HP, SGI, Apple, Sun и др.

Чтобы узнать производительность одного процессора из этой таблицы,

необходимо суммарную производительность разделить на суммарное количество

процессоров (в 2005 г.). Например, Opteron фирмы AMD имеет производительность

4,35GFlops, а процессор Pentium 4 Xeon фирмы Intel – 5,77 GFlops.

Многие из перечисленных в табл. 2.3 процессоров используются не только в

суперкомпьютерах, но и в обычных ПК, а также в серверах локальных сетей.

Технологическая новизна современных суперкомпьютеров кластерного типа и

состоит именно в том, что они используют обычные типовые процессоры. При

массовом производстве цена этих процессоров относительно низка, что позволяет

делать сборки из тысяч и сотен тысяч штук. При организации высокоскоростного

взаимодействия между процессорами и надлежащего распараллеливания решаемых

задач, такие кластерные структуры позволяют добиться более высокой

производительности по сравнению с классическими суперкомпьютерами, например,

типа Cray.

Таблица 2.3

Выписка из рейтинга суперкомпьютеров по используемым в них процессорам

Название

процессора

Кол-во

компьютеров,

использ

ющих

этот процессор

Доля от

общего

списка,

Rmax

суммарная,

GFlops

Rpeak

суммарная,

GFlops

Суммарное

количество

процессоров

в списке

2005г. /

2006г.

Pentium 4

Xeon

175 35 398724 781355

135348 /

148670

Itanium 2

79 15.8 237385 298675

50668 /

52558

Xeon EM64T

76 15.2 146050 240167

35214 /

104450

36 7.2 46156 81888 22560 / 0

Opteron

25 5 106337 145971

33568 /

71821

Power4+

22 4.4 97098 182720

25194 /

21002

PowerPC 440

16 3.2 364691 469398

169984 /

290816

Power4

15 3 31092 60736

11552 /

6656

Cray X1

9 1.8 25482 29250

1944 /

2538

PowerPC

9 1.8 64377 101901

11636 /

18640

Power5

8 1.6 35581 47242

6216 /

23634

Power

7 1.4 23574 35524

26920 /

16768

Nec

7 1.4 53009 58685

6552 /

6136

Alpha

5 1 25653 36696

17060 /

15160

Sparc

5 1 20099 40222

7012 /

5440

Pentium 4

2 0.4 4276 11334

1812 /

1378