В.А. Фисун - Математическое обеспечение вычислительных систем (статья) (1127784)
Текст из файла
УДК 004.4В. А. Ф и с у нМАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМВ статье рассматривается структура и состав, генезис и тенденции развития математического обеспечения вычислительныхсистем.E-mail: fis@a5.kiam.ruКлючевые слова: программное обеспечение, подпрограмма, пакет программ, библиотека программ, прикладное программирование.ЭВМ состоит из “жесткого” аппаратного оборудования и “мягкого”оборудования — программного обеспечения, которое в свою очередьпринято разделять на системное, прикладное и математическое обеспечение ЭВМ.Системное программное обеспечение является неотъемлемой частью ЭВМ, без него машина просто не может работать.Прикладное программное обеспечение предоставляет пользователю дружественный интерфейс общения с ЭВМ. Для составления программы ему достаточно знать правила по использованию ЭВМ в терминах своей предметной области — предметно-ориентированную среду программирования. Так, для экономистов предлагается среда программирования Кобол, для инженеров — Фортран, Си, для параллельного программирования разработаны свои среды программирования —MPI, OpenMP, Оккам, Фортран-GNS, Фортран-DVM, НОРМА и др.Ускорить программирование задач можно средствами математического обеспечения ЭВМ.Математическое обеспечение ЭВМ.
Математическое обеспечение — МО состоит из фонда программ вычислительных алгоритмов,в частности, фонд содержит решения типовых задач математическойфизики. Фонд непрерывно пополняется, на рынке программных продуктов идет конкуренция между разработчиками МО. При описанииистории МО использованы некоторые данные из работы [1], а современное состояние обсуждается на примерах программ библиотекиНИВЦа МГУ.Одна из классификаций математического обеспечения предполагает деление его на следующие разделы: подпрограммы, пакеты программ, библиотеки программ, системы математического обеспечения.Подпрограммы. Это наиболее известный и часто используемыйраздел математического обеспечения.
Он состоит из отдельных подпрограмм или программ, содержащих небольшой набор подпрограмм.Первые численные модели на ЭВМ программировались в двоичных166ISSN 1812-3368. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Естественные науки”. 2012кодах, эти подпрограммы были машинно-ориентированными. Мобильность подпрограмм — возможность их использования на различныхЭВМ появилась с внедрением универсальных языков программирования: Алгола и Фортрана.
Другим эффектом внедрения алгоритмических языков высокого уровня было появление новой среды описаниявычислительных алгоритмов, программа на таком языке может такжеслужить формальным описанием алгоритма. Особенно ярко эта способность алгоритмического языка служить языком публикаций вычислительных алгоритмов проявилась у языка Алгол-60. В СССР и зарубежом был опубликован обширный спектр вычислительных алгоритмов на этом языке. С 70-х годов описания вычислительных алгоритмов публикуются на Фортране из-за широкого распространенияэтого языка.
Набор алгоритмов, опубликованных в журнале “ACMTransactions on Mathematical Soft.”, охватывает почти все сферы численного анализа.В настоящее время подпрограммы научно-технического характера публикуются в основном на языке Си. Язык Фортран сохраняетпозиции как язык публикаций для описания вычислительных алгоритмов. Также известно, что тексты последовательных Фортран-программудобнее для распараллеливания, чем тексты Си-программ.Пакеты программ. Пакетом программ называют комплекс программ для решения серийных задач в конкретной области наук и техники. Пакет прикладных программ (ППП), частный случай пакетов, —это система взаимосвязанных программ и средств организации процесса вычислений.
При помощи этих средств, в рамках реализованнойв пакете стратегии организации вычислений, автоматически генерируется цепочка прикладных вычислительных программ для проведенияконкретного вычислительного эксперимента. Примером ППП можетслужить пакет САФРА (Система Автоматизации Физических Расчетов) [2], разработанный в ИПМ им. М.В. Келдыша РАН для решениякласса задач математической физики. Программы, создаваемые припомощи пакета САФРА, используют программы из архивного фондапакета, содержащего свыше тысячи программ. Системная часть пакетаобеспечивает подбор оптимальной последовательности программ длярешения общей задачи.Техника ППП широко используются в системах программирования, предназначенных для решения задач линейной алгебры. Базовымуровнем пакетов этого класса служит пакет BLAS (Basic Linear AlgebraSubroutine), реализующий основные операции нижнего уровня вычислительной линейной алгебры.
Он входит в состав всех пакетов и библиотек линейной алгебры, обеспечивая низкоуровневый интерфейсмежду программами широкого класса библиотек и ЭВМ различныхархитектур. Пакет разделяется на три уровня BLAS: Level 1 BLAS —ISSN 1812-3368. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Естественные науки”. 2012167для векторных операций, Level 2 BLAS — для матрично-векторныхопераций, Level 3 BLAS — для матричных операций.
Этот пакет былразработан еще в 70-ые годы, поэтому возникла необходимость разработки методологии автоматической генерации высокоэффективныхподпрограмм для современных вычислительных машин.Наиболее простой и широко используемый метод оптимизациипрограмм пакета заключается в параметризации характеристик вычислителей и использовании этих данных на уровне трансляции приложений. Другим способом оптимизации программ пакета являетсяразработка кодового генератора. Основой такой технологии являетсявозможность генерации нескольких вариантов объектного кода, а адаптация пакета заключается в определении его наилучшей версии дляконкретной архитектуры ЭВМ и может производиться с учетом времени счета эталонных задач. Эти технологии использовались в рамкахпроекта ATLAS (Automatically Tuned Linear Algebra Software) [3] —создание инструментальных систем разработки программного обеспечения для адаптации оптимального объектного кода пакета линейнойалгебры на различные архитектуры ЭВМ.Пакет PETS (Portable, Extensible Toolkit for Scientific Computation —1991 г.) для численного решения дифференциальных уравнений в частных производных (ДУЧП) реализован на широком классе последовательных и параллельных архитектур.Библиотеки программ.
Данный вид математического обеспечениясостоят из набора пакетов программ (пакет пакетов), предназначенныхдля решения широкого круга задач, например задач численного анализа, математической статистики и др. Прототипами библиотек можносчитать программы общего назначения, поставляемые производителями ЭВМ для своих машин.
В СССР наиболее известна была библиотека такого класса — SSP (Scientific Subroutine Package) фирмы IBM.Она была адаптирована для ЭВМ серии ЕС и БЭСМ-6.Библиотека программ ANSYS заявлена как многоцелевая конечноэлементная библиотека для проведения анализа в широкой областиинженерных дисциплин (прочность, теплофизика, динамика жидкостей и газов и электромагнетизм).
Она представляет собой наборсвыше десяти специализированных пакетов, включая учебный. Пакеты сертифицированы по целому ряду международных стандартов, втом числе по стандартам Американской атомной промышленности иГОСАТОМНАДЗОРа России. Разработчики ANSYSа также используют лицензионные программы для обеспечения интеграции с другимипакетами. Распределенные вычисления на вычислительных кластерахподдерживаются не на всех пакетах библиотеки.Системы математического обеспечения. Система математического обеспечения — это библиотека программ широкого назначения с168ISSN 1812-3368.
Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Естественные науки”. 2012проблемно-ориентированным языком, обеспечивающим дружественный интерфейс с пользователями.Одной из старейших систем математического обеспечения ЭВМявляется MATLAB. В расчетах допускается использования таких мощных типов данных, как многомерные массивы чисел, символов, структур, задаваемых пользователями.
Область применения MATLABа —это построение математических моделей и разработка алгоритмов,программирование и проведение вычислений, использование научнойи технической графики для визуализации и анализа данных.Математические библиотеки в прикладном программировании. Прогресс технологии производства оборудования ЭВМ значительно опережает темпы роста производства программного обеспечения. В программировании не известен аналог закона Мура — удвоение производительности ЭВМ каждые полтора года. Поэтому оченьвелико значение систем математического обеспечения как элементаиндустриальной технологии производства программ приложений.Современное МО, кроме программ элементарных математическихфункций для вычисления синусов и логарифмов и др., содержит обширный набор стандартных программ для реализации массовых вычислительных алгоритмов.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
