Архитектуры вычислительных систем.

Архитектуры вычислительных систем.

 

Ларионов, Майоров «Вычислительные комплексы, системы и сети» (1997).

 

Основные понятия.

Элемент – минимальный, неделимый объект. Свойства элемента – это его свойства как целого. Элемент можно использовать только как целое.

Объекты называются элементами по соглашению, принимаемому с целью дать ответ на определенные вопросы, стоящие перед исследователями.

Изменение вопросов может потребовать разложение элементов на составные части.

Система – это совокупность связанных элементов, объединенных в одно целое для достижения определенной цели. Здесь под целью понимается совокупность результатов, определяемых назначением системы. Наличие цели и заставляет связывать элементы в систему.

Целостность – наиболее важное свойство системы. Удаление из системы элемента непременно изменит её свойства, и в большинстве случаев в направлении, отличном от цели.

Искусственные (инженерные) системы описываются путем определения их функций и структур.

Функция системы – это правило получения результатов, предписанных целью или назначением системы. Определяя функцию, её поведение описывают с использованием некоторой системы понятий: отношения между переменными. Функция устанавливает, что делает система для достижения поставленной цели, но делает она это безотносительно к физическим средствам, то есть соответствующим элементам и связям.

Системы изучают на разных уровнях абстракции с использованием различных подходов, каждый из которых дает ответ на определенные вопросы. В связи с этим функции системы могут описываться с разной степенью детализации. Для описания функций используется теория множеств, алгоритмов, случайных процессов и теория информации.

Функционировать – означает реализовывать функцию, то есть получать результаты, предписанные назначением системы.

Структура системы – это фиксированная совокупность элементов и связей между ними.

Организация – это явление аранжировки с целью осуществления определенных функций в системах, состоящих из большого числа элементов. «Аранжировка» означает «приводить в порядок». Обычно к одной цели можно придти различными способами, исходя из различных принципов организации системы. Каждый принцип задает определенный способ построения некоторого множества систем, аналогичных по назначению, но различных по функциям и структурам. Конкретная система представляет собой лишь пример реализации некоторого способа организации. Большинство современных ЭВМ строятся на принципе программного управления реализации алгоритма на основе команд, имеющих операционно-адресную структуру. Организация – понятие более высокого ранга, чем функция. Организация – это модель, на основе которой могут строиться многие конкретные системы. Если речь идет о способе порождения функций, достаточных для достижения определенных целей, то используется термин функциональная организация. Если речь идет о наборе элементов, обеспечивающих функциональность класса, то используют структурная организация.

Анализ – процесс определения свойств, характеристики элементов.

Синтез – это процесс порождения функций и структур, необходимых и достаточных для получения определенных результатов. Выявляя функции, реализуемые системой, определяют некоторую абстрактную систему, о которой известно только то, что она будет делать. В связи с этим этап синтеза называют абстрактным синтезом, а этап порождения функции называют структурным синтезом.

Эффективность (качество) – это степень соответствия системы своему назначению, оценка эффективности системы – одна из задач анализа. Показатель эффективности – это мера одного свойства или характеристики системы. Показатель должен иметь количественный смысл, то есть является измерением некоторого свойства, поэтому предполагается наличие способа измерения или оценки значения этого показателя.

Критерий эффективности – мера эффективности системы, имеет количественный смысл, измеряет степень эффективности, обобщая все её свойства в одной оценке (критерий эффективности). Таким образом системы, создаваемые для одной цели должны бы оцениваться на основе одного критерия, общего для этого класса систем. Различие в назначениях систем предполагает, что для оценки эффективности использовались различные критерии. Если при увеличении эффективности, значение критериев возрастает, то критерий называется прямым, наоборот, для инверсного критерия. Из 2 систем более эффективной считается, которой соответствует большее значение прямого критерия.

Оптимальная система – это система, которой соответствует максимальное (минимальное) значения прямого (инверсного) критерия.

Модель – физическая или абстрактная система, адекватно представляющая объект. Физическая модель образуется из совокупности материальных объектов.

Абстрактная модель

 – это описание объекта исследований на некотором языке, то есть компоненты модели – это понятия, чертежи, схемы, графики, таблицы, алгоритмы, математические описания. Необходимые условия для перехода от исследования объекта к модели – это требование адекватности модели и объекта. Адекватность предполагает воспроизведение моделью с необходимой полнотой всех свойств объекта, существенных для целей данного исследования. Адекватность основана на понятиях изоморфизма и гомоморфизма. Объект и модель называются изоморфными, если между ними существует взаимнооднозначное соответствие, что в большинстве случаев очень трудно выполнимо, то есть соответствие свойства + отношения.

Гомоморфизм – также предполагается хранение в модели всех определенных на объекте исследования свойств и отношений, однако существует однозначное соответствие модели объекту, тогда как обратное соответствие неоднозначно.

Концептуальная модель – это абстрактная модель, выявляющая причинно-следственные связи, присущие исследуемому объекту, существенные в рамках определенное исследования. Один и тот же объект может представляться различными концептуальными моделями, которые строятся в зависимости от цели исследования.

Математическая модель – абстрактная модель, представленная на языке математических отношений, имеет форму функциональных зависимостей между параметрами, учитываемыми соответствующей концептуальной моделью. Эти зависимости конкретизируют причинно-следственные связи, выявленные в концептуальной модели, и характеризуют их количественно.

Моделирование – это процесс представления объекта исследования адекватной ему моделью и проведения экспериментов с моделью с целью получения информации об объекте исследования. При моделировании модель выступает и как средство и как объект исследования. Информация в бытовом смысле – это данные и методы. Данные – фиксированные сигналы. Методы – некие отношения с данными. Данные и методы могут быть правильными и неправильными.

Система обработки данных (СОД).

Вычислительная техника – элементы с определенными связями. Повышение производительности происходит за счет совершенствования элементной базы. Следовательно, сокращение времени обмена информацией между устройствами и блоками машины. Время переключения используемых запоминающих и логических элементов достигло наносекунд, а скорость принимаемых связей ограничивается скоростью света. В связи с этим повышение производительности ЭВМ не может быть достигнуто путем уменьшения времени переключения. Новые направления:

1. повышение уровня совмещения во времени выполняемых операций (конвейер)
2. распространение принципа параллелизма на устройства обработки информации
3. создание многомашинных и многопроцессорных вычислительных комплексов и систем. Комплекс (лат. – связь) – это совокупность предметов, явлений, свойств, образующих одно целое. Система (греч. – целое, составленное из частей) – это множество элементов, находящихся в отношениях или связях друг с другом, которые образуют определенную целостность или единство.

СОД – это совокупность технических средств и ПО, предназначенная для информационного обслуживания пользователей и технических объектов. Основа СОД – это технические средства, так как их надежностью и производительностью в большей степени определяется эффективность.

Способы построения СОД.

Одномашинные СОД.

Появились исторически первыми и до сих пор широко распространены. Это системы на базе одной ЭВМ с однопроцессорной структурой. Однако надежность и производительность существующих ЭВМ оказывается удовлетворительной лишь для ограниченного применения, когда требуется относительно невысокая производительность и допускается простой системы в течение нескольких часов из-за отказов оборудования. Оказывается, при любом уровне технологий нельзя обеспечить абсолютную надежность элементной базы, и поэтому нельзя для одномашинных СОД исключить возможность потери работоспособности.

Характеристики:

1. быстродействие
2. объем памяти
3. наборы команд
4. сложность оборудования
5. размеры
6. численность обслуживающего персонала
7. потребляемая мощность.

Вычислительные комплексы.

Многомашинные вычислительные комплексы (ММВК) – связь между ЭВМ, входящих в них, могла быть косвенной (через другие устройства) или прямой (через адаптер). Косвенная связь обеспечивается через общие внешние запоминающие устройства. Всё происходит за счет доступа к общим наборам данных. Подобная связь эффективна только тогда, когда ЭВМ взаимодействуют достаточно редко. Более оперативное взаимодействие достигается за счет прямой связи через адаптеры. Эти адаптеры обеспечивают обмен через каналы ввода/вывода. За счет этого повышается оперативность обмена данными, что позволяет вести параллельно процессы обработки. В ММВК взаимодействие процессов обработки данных обеспечивается только за счет обмена сигналами прерывания и передачи данных через адаптеры или общие внешние запоминающие устройства. Лучшие условия для взаимодействия процессоров – это когда все процессоры имеют доступ ко всему объему данных, хранимых в ОЗУ, и могут взаимодействовать со всеми периферийными устройствами комплекса.

П – процессор

МП – модуль памяти

Квв – канал ввода/вывода

ПУ – периферийное устройство.

Вычислительный комплекс со многими процессорами и общей оперативной памятью называется многопроцессорным. В многопроцессорной комплексе отказы отдельных устройств влияют на работоспособность СОД в меньшей степени, то есть они обладают большей устойчивостью к отказам.

Многопроцессорные вычислительные комплексы рассматриваются как базовые элементы для СОД различного назначения. Поэтому в состав ВК принято включать только технические средства и общесистемное (базовое) ПО. Вычислительный комплекс (ВК) – это совокупность средств, включающая в себя несколько ЭВМ или процессоров и общесистемное ПО. ВК – СОД, настроенная на решение задачи конкретной области применения – называется вычислительной системой, то есть совокупности технических средств и ПО, ориентированных на решение определенной совокупности задач. Существует 2 способа ориентации: вычислительная система может строиться на основе ЭВМ или ВК общего применения и ориентация системы обеспечивается за счет программных средств: ОС и прикладные программы; ориентация на заданный класс задач может достигаться за счет использования специализированных ЭВМ и ВК, в этом случае удается при умеренных затратах оборудования добиться высокой производительности. Специализированные вычислительные системы (ВС) наиболее широко используются для решения задач векторной и матричной алгебры, интегрированием и дифференцированием уравнений, обработки изображений, распознаванию образов. Первые ВС были простроены на основе специализированных комплексов, то есть были разработаны процессоры со специализированными системами команд, и конфигурация комплексов жестко ориентировалась на конкретный класс задач.

Адаптивные ВС самостоятельно приспосабливаются к решаемым задачам, причем адаптация достигается за счет изменения конфигурации системы, при этом соединения между модулями памяти, процессорами, периферией осуществляются динамически на текущий момент времени. Их часто называют системами с динамической структурой. Динамическая настройка может происходить в течение длительного времени.

 

Системы телеобработки.

Системы, предназначенные для обработки данных, передаваемых по каналам связи, называются системами телеобработки. Терминал – оконечное устройство. Сообщение – это обычно блок данных, который несет в себе кроме собственно данных некую служебную информацию, необходимую для управления процессами передачи и защиты данных от искажений. ПО систем телеобработки должно содержать специальные средства, необходимые для управления техникой, установления связи, передачи данных и организовывать взаимодействие пользователя с программами обработки данных. Использование таких систем повышает оперативность обслуживания и наряду с этим позволяет создавать крупномасштабные системы. Вычислительный комплекс ничем не отличается от информационно-вычислительной сети.

Вычислительные сети.

Технические задания.

1. создать программный комплекс по генерации расстановки оборудования на плоскости. Оборудование – это узел, состоящий из материальных объектов. Разработать формы представления, редактирования и сохранения данных.
2. создать программный комплекс по организации многоуровневой структуры из результатов работы задачи №1. Организовать систему ввода, систему связки уровней. Расстановка дополнительного оборудования – проходы, шлюзы. Необходимо обеспечить просмотр обстановки по уровням.
3. создать программный продукт по просмотру результатов работы №2.
4. на основании задач 2 и 3 выбрать подходящий/подходящие шлюз/шлюзы и запустить в него/них робота/роботов-разведчиков. Робот-разведчик – устройство с манипулятором определения ближайшего пространства.
5. на основании карт, полученных в задаче 4, определить маршруты между n выбранными точками, причем первый из них – кратчайший.
6. запустить и проследить по выбранному из задачи 5 маршруту робота-грузчика.
7. всё, что было создано, организовать в единый программный продукт.

В научных исследованиях и управления производством и транспортом стало необходимым объединение в СОД. СОД необходим доступ к данным к разработке процедур. Чтобы объединить территориально разрозненные объекты данных в единый комплекс необходимо:

1. обеспечить возможность обмена данными между системами обработки каналами передачи данных.
2. оснастить полученные системы программными средствами, позволяющими пользователям одной системы обращаться к различным ресурсам других систем: информационные, программные и технические.

Система состоит из каналов и узлов, которые принимают данные и обеспечивают доставку данных определенным пользователям в определенном направлении. К этим узлам начинают подключаться вычислительные комплексы, системы, отдельные ЭВМ. Совокупность ЭВМ, объединенных сетью передачи данных, образует сеть ЭВМ. К ЭВМ непосредственно или опосредованно подключаются терминалы. Вычислительная сеть представляет собой композицию базовых сетей передачи данных, сети ЭВМ и терминальных сетей. Все элементы оснащаются программными средствами для сетевой обработки данных. На это ПО возлагается широкий круг функций: управление аппаратурой сопряжения и каналами связи; установление соединений между взаимодействующими процессами; управление процессами передачи; ввод и выполнение заданий от удаленных терминалов; доступ программ к наборам данных возмещенных в удаленных ЭВМ. К сетевому ПО предъявляется следующие требования:

1. сохранение работоспособности при изменении структуры сети вследствие выхода из строя отдельных ЭВМ каналов и узлов связи.
2. возможность работы ЭВМ с терминалами различных типов.
3. возможность взаимодействия разнотипных ЭВМ.

Как правило, функции, возлагаемые на сетевое ПО отличаются высоким уровнем сложности, и реализуется с использованием специальных методов управления процессами передачи данных. Наиболее эффективным является построение крупномасштабных проектов. Как показывает практика, стоимость в сетях в 1,5 раза ниже, чем при использовании отдельных ЭВМ.

Локальные сети ЭВМ.

Обычно совокупность близко расположенных ЭВМ, которые связаны последовательными интерфейсами, снабженные специальным ПО, которое позволяет использовать информационные, программные и технические возможности. ЭВМ обычно сопрягаются с помощью моноканала, единого для всех ЭВМ данной сети. Раньше сетевой адаптер не входил в ЭВМ, сейчас это сетевая карта. Длина моноканала с развитием увеличивается. Наличие в сети единственного моноканала существенно упрощает процедуры установления соединений и обмена данными. Сетевое ПО локальной ВС оказывается более простым, чем в глобальных.

Вычислительные комплексы.

T = t_n(время постановки задачи)+t_m(время разработки метода и алгоритма)+t_пр(время программирования)+t_отл(время отладки)+t_cч(время счета).

Локальный параллелизм.

Локальный параллелизм – выполнение программы, когда исходные данные для i-той операции вырабатываются заранее. В таком понимании локальный параллелизм похож на параллелизм независимых ветвей.

E = (m*g⁴*π²)/(8*ε₀^2*ε²*H²)

F1:= m*G*G*G*G*Π*Π

F2:=8*Eø*Eø*E*E*H*H

F3:=F1/F2

Классификация систем параллельной обработки.

Категории классификации параллельных ЭВМ могут быть разными. Например, виды соединения процессора или способы функционирования процессорного поля.

В 1966 году – классификация Флинна: различные способы организации параллельной обработки можно представить как способы организации одновременного воздействия одного или нескольких потоков команд на один или несколько потоков данных.

Группы систем:

1. ОКОД = SISD – системы с одним потоком команд и данных.
2. МКОД = MISD – системы множественным потоком команд и одним потоком данных.
3. ОКМД = SIMD – один поток команд, множественный поток данных.
4. МКМД = MIMD – множественные потоки команд и данных.

Один поток команд разделяется на несколько потоков микроопераций, каждая из которых реализуется специализированным устройством. Поток данных проходит через все АЛУ. Этот класс систем называется конвейерным.

 

Р

Д

К

АЛУ…АЛУ

УУ

ЗУД

ЗУК

 

 

Любая классификация справедлива для определенных комплексов или систем, в которых ЭВМ и процессоры реализуют последовательные методы вычисления. В системах с ассоциативной обработкой классификация Флинна не корректна.

Для комплексов с сателлитной ЭВМ характерным является не способ связи, а структура связи, которая обычно не отличается от других комплексов (канал-канал). Особенность этих комплексов в том, что в них ЭВМ существенно отличаются по своим характеристикам, имеет место соподчиненность, то есть различие функций одной ЭВМ от другой. Сателлиты умеют преобразовывать информацию, таким образом, они освобождают основные ЭВМ от ненужных операций. Используются несколько сателлитов.

Сравнение ММВК и МПВК.

Оцениваемые характеристики:

1. надежность
2. производительность
3. гибкость
4. сложность ПО
5. экономическая эффективность.

Дать точную качественную оценку каждой характеристике невозможно. Надежность – набор показателей, причем МПВК имеют лучшие характеристики. С этой позиции МПВК обеспечивает более высокую надежность на том же оборудовании. Производительность – сложная характеристика из-за того, что есть различие задач по характеру вычислений, то есть числу операций, обращений к аппаратуре, объему передаваемой информации. Могут быть существенные различия при построении ВК. Емкость памяти, способы связи, параметры используемых устройств сюда входят. Обычно рассматривают 2 варианта нагрузки: в ВК поступает большой поток различных, не связанных друг с другом задач с небольшим объемом вычислений; загружается крупноразмерными задачами, число которых невелико, но решение связано с большой вычислительной работой. Схема обработки в ММВК и МПВК – МКМД (много команд и данных).

Работа ЭВМ в ММВК мало отличается от работы в автономном режиме. Обычно общий поток задач разделяется между машинами, каждая машина работает независимо, существующие связи используются только для обеспечения надежности. Производительность вычислительного комплекса – это сумма всех процессоров комплекса, производительность растет линейно с ростом числа машин. Организация вычислений ничем не отличается от организации ММВК. В МПВК конфликты неизбежны. Чем больше процессоров, тем выше вероятность конфликтов, что приводит к снижению производительности. В ММВК на работу ОС требуются определенные затраты времени. В МПВК требуются затраты на обеспечение взаимодействия всех элементов, которые растут нелинейно с увеличением числа процессоров. Эксперименты показывают, что подключение второго процессора ведет к увеличению производительности на 60-80 %.

Задачи с большим объемом вычислений. Обычно эти задачи могут быть разделены на части, которые можно выполнять параллельно. Однако продолжение расчетов идет совместное. То есть их нельзя рассматривать как совершенно независимые. Потому решать их в ММВК очень сложно, так как каждая ЭВМ работает под управлением своей ОС, а нужна некая управляющая ОС, так как требуется совместная работа разрозненных ЭВМ. Надстройка принадлежит одной ЭВМ, которая называется управляющей.

Для МПВК затраты времени на обработку сложных задач мало отличаются от затрат времени для решения мелких задач.

Берталанфи предложил 19 характеристик:

1. система – сложная иерархическая структура
2. многофункциональность
3. иерархичность
4. связность, целостность
5. распределенность
6. переменность структур
7. адаптируемость
8. надежность
9. живучесть
10. контроль и диагностика
11. параллельность
12. наращиваемость
13. системность
14. автоматизированность
15. сложность анализа/синтеза и организации функционирования системы
16. большие сроки создания
17. затраты
18. множественность целей, которые могут не совпадать с целями отдельных подсистем
19. динамичность.

Открытые и замкнутые системы. Замкнутая полностью изолированная. Подходы к созданию ВС:

1. построение ВС, моделирующей процесс выполнения алгоритма одиночным человеком – вычислителем.
2. создание ВС, моделирующей выполнение алгоритма коллективно.

Первый подход – архитектура фон Неймана, которая легла в основу огромного количества систем. Фиксированные структуры, неоднородность связей и неоднородность функциональных элементов. Модель коллективных вычислений сформулирована в работах Евреинова. Под коллективом вычислителей понимается совокупность вычислительных машин, программно-аппаратным способом настроенных на выполнение задачи. При этом не исключается возможность выполнения нескольких задач. Были выработаны несколько принципов решения задач: параллельность выполнения большого числа операций, переменность структуры, конструктивная однородность. Переменность структуры конфигурации является революционным деянием, то есть коллектив вычислителей была заложена возможность адекватного выполнения задачи или наиболее эффективны в конкретных условиях выполнения. Следовательно, в коллективе должна быть заложена возможность хранения и модификации структуры.

Многопроцессорная асинхронная система состоит из нескольких процессоров различного назначения. Если данные существуют, то процессор их обрабатывает. В параллельных машинах, кроме слежения метода вычислений приходится заниматься синхронизацией вычислительных процессов.

Процессорная матрица. Это понятие подчеркивает факт, что параллельные операции выполняются группой одинаковых элементов, объединенных коммуникационной сетью и управляемых единым центром. Этот центр обычно реализует единую программу. Процессорная матрица может быть присоединена к большой машине в качестве сопроцессора. Каждый элемент матрицы может иметь собственную локальную память. Оказывается, что больше половины обращений происходит к локальной памяти. Обычно центральное устройство управления является полноценным процессором для выполнения единой программы. Используются команды 2 типов: скалярные и векторные.

В многопроцессорных системах вычислительный процесс организуется 2 способами: асинхронным и синхронным. Асинхронный позволяет инициализировать начало нового процесса после конца предыдущего. Форма запуска по готовности данных в большей степени соответствует управлению от потока данных. Основным видом используемых процессоров являются синхронные, связанные с выполнением задач типа матричных систем уравнений и всевозможными режимами работы цифровых устройств. Матричные процессоры наилучшим образом ориентированы на реализацию алгоритмов упорядоченных массивов данных.

Обработка данных реализуется в виде систолических или волновых матриц. Систолическая матрица состоит из отдельных элементов, каждый из которых соединен с соседними посредством упорядоченной решетки. Большая часть элементов обладает одинаковым набором операций. Процессоры работают синхронно, то есть используют тактовый генератор. В волновой матрице происходит распределение функций между процессорными элементами, только отсутствует общая синхронизация от задающего генератора. Управление организуется локального в соответствии с поступающими данными. Результирующая волна распространяется по матрице по мере того, как обрабатываются данные.

Ассоциативные системы, как и матричные, характеризуются большим числом устройств, способных одновременно обеспечивать обработку нескольких потоков данных. Основное отличие – организация потоков. В матричных системах данные поступают на обработку от общих или раздельных ЗУ с адресной выработкой информации или непосредственно. В ассоциативных системах информация поступает от ассоциативных ЗУ, информация из них выбирается не по определенному адресу, а по содержанию. Выборка информации по ассоциативному признаку зависит от разряда признака и скорости опроса разрядов. Это главное преимущество перед адресными устройствами.

Однородные системы и среды. Во всех ранее рассмотренных не ставились ограничения на состав и связи устройств. В данном случае действуют принципы:

1. параллельность операций – всякая сложная задача может быть представлена как совокупность подзадач и для любой сложной задачи может быть предложен алгоритм, именно таким образом достигается более высокая производительность за счет параллельной работы числа устройств.
2. переменность логической структуры – процесс решения сложной задачи может быть представлен некоторой структурой со связями, следовательно для каждой сложной задачей можно предложить структуру и обрабатывающие элементы.
3. конструктивная однородность элементов и связей между ними – все простые задачи из сложной примерно одинаковы по объему вычислений и обычно связываются одинаковыми схемами обмена. Это означает, что система из сложной задачи может быть построена из одинаковых элементов с одинаковыми связями.

При соблюдении условий задача может быть представлена как совокупность. Подобные системы должны бы решать сколь угодно объемные задачи.

Функционально–распределенные системы (ФРВС). Подобные системы отличаются друг от друга характеристиками, например, работа с целыми или любыми числами. Они создаются на основе МПВК, использование однотипных процессоров неэкономично. ФРВС строятся как проблемно–ориентированные системы. Состав процессоров зависит от класса решаемых задач. Специализация процессоров может осуществляться на разных уровнях: структуры, микропрограмм, программ.

На уровне структуры: достигается за счет использования в операционной части процессора специальных регистровых структур и микроопераций, реализующий заданный набор операций.

На уровне микропрограмм: создание с помощью микропрограмм специализированного набора операций, ориентированного на реализацию набора функций. Обычно это динамическое программирование.

На уровне программ: загрузка процессора соответствующим набором программ.

Системы с перестраиваемой структурой – универсальный способ создания систем.

Микропроцессорный модуль реализует функции обработки, управления и соединений между модулями. Эти модули объединяются в матричные, пирамидальные, кубические структуры. Коммуникационные процессоры и каналы связи образует в результате коммуникационное поле, которое осуществляет соединение и передачу данных. Основные проблемы – обеспечение параллелизма и управление вычислениями.

Архитектуры вычислительных систем.

 

Ларионов, Майоров «Вычислительные комплексы, системы и сети» (1997).

 

Основные понятия.

Элемент – минимальный, неделимый объект. Свойства элемента – это его свойства как целого. Элемент можно использовать только как целое.

Объекты называются элементами по соглашению, принимаемому с целью дать ответ на определенные вопросы, стоящие перед исследователями.

Изменение вопросов может потребовать разложение элементов на составные части.

Система – это совокупность связанных элементов, объединенных в одно целое для достижения определенной цели. Здесь под целью понимается совокупность результатов, определяемых назначением системы. Наличие цели и заставляет связывать элементы в систему.

Целостность – наиболее важное свойство системы. Удаление из системы элемента непременно изменит её свойства, и в большинстве случаев в направлении, отличном от цели.

Искусственные (инженерные) системы описываются путем определения их функций и структур.

Функция системы – это правило получения результатов, предписанных целью или назначением системы. Определяя функцию, её поведение описывают с использованием некоторой системы понятий: отношения между переменными. Функция устанавливает, что делает система для достижения поставленной цели, но делает она это безотносительно к физическим средствам, то есть соответствующим элементам и связям.

Системы изучают на разных уровнях абстракции с использованием различных подходов, каждый из которых дает ответ на определенные вопросы. В связи с этим функции системы могут описываться с разной степенью детализации. Для описания функций используется теория множеств, алгоритмов, случайных процессов и теория информации.

Функционировать – означает реализовывать функцию, то есть получать результаты, предписанные назначением системы.

Структура системы – это фиксированная совокупность элементов и связей между ними.

Организация – это явление аранжировки с целью осуществления определенных функций в системах, состоящих из большого числа элементов. «Аранжировка» означает «приводить в порядок». Обычно к одной цели можно придти различными способами, исходя из различных принципов организации системы. Каждый принцип задает определенный способ построения некоторого множества систем, аналогичных по назначению, но различных по функциям и структурам. Конкретная система представляет собой лишь пример реализации некоторого способа организации. Большинство современных ЭВМ строятся на принципе программного управления реализации алгоритма на основе команд, имеющих операционно-адресную структуру. Организация – понятие более высокого ранга, чем функция. Организация – это модель, на основе которой могут строиться многие конкретные системы. Если речь идет о способе порождения функций, достаточных для достижения определенных целей, то используется термин функциональная организация. Если речь идет о наборе элементов, обеспечивающих функциональность класса, то используют структурная организация.

Анализ – процесс определения свойств, характеристики элементов.

Синтез – это процесс порождения функций и структур, необходимых и достаточных для получения определенных результатов. Выявляя функции, реализуемые системой, определяют некоторую абстрактную систему, о которой известно только то, что она будет делать. В связи с этим этап синтеза называют абстрактным синтезом, а этап порождения функции называют структурным синтезом.

Эффективность (качество) – это степень соответствия системы своему назначению, оценка эффективности системы – одна из задач анализа. Показатель эффективности – это мера одного свойства или характеристики системы. Показатель должен иметь количественный смысл, то есть является измерением некоторого свойства, поэтому предполагается наличие способа измерения или оценки значения этого показателя.

Критерий эффективности – мера эффективности системы, имеет количественный смысл, измеряет степень эффективности, обобщая все её свойства в одной оценке (критерий эффективности). Таким образом системы, создаваемые для одной цели должны бы оцениваться на основе одного критерия, общего для этого класса систем. Различие в назначениях систем предполагает, что для оценки эффективности использовались различные критерии. Если при увеличении эффективности, значение критериев возрастает, то критерий называется прямым, наоборот, для инверсного критерия. Из 2 систем более эффективной считается, которой соответствует большее значение прямого критерия.

Оптимальная система – это система, которой соответствует максимальное (минимальное) значения прямого (инверсного) критерия.

Модель – физическая или абстрактная система, адекватно представляющая объект. Физическая модель образуется из совокупности материальных объектов.

Абстрактная модель