Системное программное обеспечение (СПО) – стандартная и унифицированная совокупность общих управляющих и обрабатывающих программ, которые применяются при создании новых и выполнении уже существующих программ пользователей. СПО разделяется на 5 групп систем:
— операционные системы (ОС);
— системы управления файлами;
— интерфейсные оболочки для взаимодействия пользователей и ОС и программной средой;
ОС компьютера – это сложный комплекс управляющих и обрабатывающих программ, который связывает аппаратуру компьютера с пользователем и предназначен для эффективного распределения ресурсов информационной системы между решаемыми задачами и для оптимальной организации надежных вычислений.
Системы управления файлами (СУФ) предназначены для обеспечения удобного доступа к данным, организованным как файлы.
Интерфейсные оболочки используются для удобства взаимодействия с ОС и предназначены для расширения или изменения встроенных в ОС возможностей по организации управления ОС. Ряд ОС могут организовывать выполнение программ, созданных для других ОС.
Небольшие математические программы. Часть 1.
Системы программирования предназначены для создания прикладного программного обеспечения в рамках имеющейся ОС. В состав системы программирования входят: трансляторы с соответствующего языка, библиотеки подпрограмм, редакторы, компоновщики и отладчики. Любая система программирования может работать только в соответствующей ОС, под которую она создана. Однако при этом может позволять разрабатывать программное обеспечение и под другие ОС.
Утилиты – это специальные программы, с помощью которых можно обслуживать как саму ОС, так и подготавливать для работы носители данных, выполнять перекодирование, осуществлять оптимизацию размещения данных на носителе и производить некоторые другие работы, связанные с обслуживанием вычислительной системы.
Прикладное программное обеспечение разрабатывается для решения конкретных целевых задач из той или иной проблемной области. Различают 2 основных вида прикладного ПО: общего и специального назначения.
К ПО общего назначения относятся:
— системы иллюстративной и деловой графики (графические редакторы);
— системы управления базами данных;
— программы математических расчетов, моделирования и анализа экспериментальных данных.
Также офисное программное обеспечение, которое обеспечивает решение почти всех прикладных задач.
Прикладным называется ПО, предназначенное для решения определенной целевой задачи из проблемной области. Часто такие программы называются приложениями.
К типовому прикладному ПО относятся следующие программы:
· текстовые процессоры (редакторы);
· системы иллюстративной и деловой графики (графические процессоры);
· системы управления базами данных;
· программы математических расчетов, моделирования и анализа экспериментальных данных.
Интегрированными системами обычно являются экспертные системы, программы математических расчетов, моделирования и анализа экспериментальных данных, а также офисные системы. Примером мощной и широко распространенной интегрированной системы является офисная система Microsoft Office.
SmathStudio программа для математических расчетов
Рассмотрим наиболее часто встречающееся прикладное ПО.
Редакторы документов (WinWord, Лексикон) – это наиболее широко используемый вид прикладных программ. Они позволяют подготавливать документы гораздо быстрее. Редакторы документов позволяют использовать различные шрифты символов, абзацы произвольной формы, автоматически переносят слова на новую строку, позволяют делать сноски, включать рисунки, автоматически нумеруют страницы и сноски и т.д. Наиболее мощные редакторы документов позволяют проверять правописание, набирать тексты в несколько столбцов, создавать таблицы и диаграммы, строить оглавления, предметные указатели и т.д.
Табличные процессоры (Ехсе1, Lotus 1-2-3). При работе с табличным процессором на экран выводится прямоугольная таблица, в клетках которой могут находиться числа, пояснительные тексты и формулы для расчета значения в клетке по имеющимся данным. Все распространенные табличные процессоры позволяют перевычислять значения элементов таблиц по заданным формулам, строить по данным в таблицах различные графики и т.д.
С помощью графических редакторов (Paint, Adobe Photoshop, Согеl) создаются и редактируются рисунки. В простейших редакторах предоставляются возможности рисования линий, кривых, раскраски областей экрана, создание надписей различными шрифтами и т.д.
Правовые базы данных (Гарант, Консультант плюс) содержат тексты нормативных документов и предоставляют возможности поиска, распечатки и т.д.
Системы автоматизированного проектирования (САПР) позволяют осуществлять черчение и конструирование различных предметов и механизмов с помощью компьютера. Среди систем малого и среднего класса в мире наиболее популярна система AutoCAD фирмы AutoDesk.
Для работы со звуком и видео существуют различные программы, такие как звуковые процессоры и редакторы, проигрыватели, утилиты и управляющие программы. Некоторые программы являются встроенными в операционные системы. Например, программа Звукозапись входит в состав Windows, играет роль цифрового магнитофона и позволяет записывать звук и сохранять его в звуковых файлах. Программа Универсальный проигрыватель воспроизводит звук и видео.
Одним из последних достижений в области инструментальных средств для решения прикладных задач является MATHCAD – физико-математический пакет, который позволяет выполнять математические вычисления не только в числовой, но и в аналитической (символьной) форме.
Интерфейс MATHCAD прост и понятен, полностью отвечает стандартам среды Windows. Все графики и математические объекты могут быть введены щелчком «мыши» с перемещаемых палитр. Обучение пользователя происходит в процессе работы «на ходу» при помощи многочисленных сообщений системы.
Графическая среда MATHCAD позволяет записывать математические формулы в привычном виде, гибко и выразительно представлять данные графически.
Документ MATHCAD состоит из областей различного типа. Текстовые области создаются нажатием кнопки с буквой А на панели инструментов. Математические области возникают, если щелкнуть в свободном месте (появляется красный крестик – визир, фиксирующий место ввода формулы). Области на экране легко можно перетаскивать «мышью».
Большинство математических формул записывается в рабочем документе MATHCAD так же, как на листе бумаги. Знаки арифметических операций вводятся с помощью клавиш +, -, *, /.
При вводе более сложных операций используют кнопки палитр операторов MATHCAD, находящиеся на экране слева. Для перехода от одной палитры к другой надо щелкнуть на цифре над палитрой.
Документ MATHCAD, на котором совмещены текст, графика и формулы, выглядит как страница учебника или научной статьи, при этом формулы являются «живыми» — стоит внести изменение в любую из них, как MATHCAD пересчитает результаты, перерисует графики и т. д.
Система MATLAB – это матричная лаборатория, которая была создана фирмой MathWorks.
MATLAB – язык программирования высокого уровня для технических вычислений. Его достоинством является возможность расширения для технических задач. Существует 14 расширений.
Derive – в переводе означает извлекать или наследовать. Видимо оба этих значения учитывали разработчики системы. Derive тщательно опробованная, надежная и быстрая система. Фактически это единственная малая система обеспечивающая решение задач компьютерной алгебры в диалоговом режиме.
Derive способна решать систему следующих задач:
1. Арифметические и логические операции: вычисление алгебраических, тригонометрических, гиперболических, статистических и финансово-экономических функций.
2. Действия над числами произвольной разрядности и при различной системе счисления.
3. Операция с действительными и комплексными числами, представление их в дробно-рациональной форме.
4. Символьные операции с полиномами, дробно-рациональными функциями, функциями одной и многих переменных.
5. Символьное и численное интегрировании и дифференцирование, вычисление сумм и произведений элементов рядов, вычисление пределов функций.
6. Символьные и числовые операции с векторами, матрицами.
7. Построение двухмерных и трехмерных графиков, графиков функций заданных в параметрической форме и графиков в полярной системе координат.
Источник: studopedia.su
Приложения для инженерных и научных расчетов в качестве инструментов для тестирования производительности ПК
В предыдущих статьях нашего цикла, посвященного различным реальным приложениям, которые могут использоваться для тестирования процессоров, компьютеров, ноутбуков и рабочих станций и которые в дальнейшем будут положены в основу нового тестового пакета iXBT Application Benchmark 2018, мы уже рассмотрели довольно внушительный пакет различных приложений. Это были видеоконвертеры, приложения для редактирования и создания видеоконтента, редакторы цифровых фотографий, рендеры, а также архиваторы и программа оптического распознавания символов.
В этой статье мы рассмотрим еще несколько приложений, тесты на базе которых можно отнести к логической группе «Инженерные и научные расчеты»: SolidWorks, Matlab, NAMD и LAMMPS.
Этот набор приложений мы использовали и ранее, в предыдущей версии нашего тестового пакета. Причем в предыдущей версии у нас было даже больше приложений в данной логической группе: был еще тест на основе приложения FFTW. Однако учитывая узкую специфику приложения FFTW и тот факт, что среда Windows для него не совсем родная (хотя его и можно скомпилировать под Windows), мы решили убрать этот тест из нашего набора.
Более того, у нас есть сомнения и по поводу приложений NAMD и LAMMPS. Напомним, что это специализированные пакеты, которые применяются для решения задач молекулярной динамики. Сомнения относительно целесообразности включения данных приложений в тестовый пакет все те же. Во-первых, это очень специфический софт.
Во-вторых, для таких приложений среда Windows является, что называется, не самой оптимальной. Да, имеются скомпилированные под Windows версии, но все же изначально эти приложения разрабатывались под Linux. И в-третьих, такие приложения запускают не на ноутбуках, а на суперкомпьютерах.
Поэтому еще раз отметим, что в отношении данных приложений у нас есть сомнения в целесообразности их включения в тестовый пакет. Пока мы решили оставить их, но, возможно, в окончательном варианте их не будет. И раз уж мы затронули целесообразность использования приложений NAND и LAMMPS, то с них и начнем.
LAMMPS
Приложение LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator) используется для расчетов взаимодействий до десятков миллионов атомов. Программа написана на языке C++ и не имеет графического интерфейса (только командный режим). Возможна компиляция исходных кодов под различные операционные системы (Linux, macOS, Windows). Кроме того, имеется большое количество различных опций компиляции, которые позволяют создавать исполняемый файл под конкретную архитектуру процессора и архитектуру графического процессора. Учебник с описанием всех возможностей данного пакета есть на сайте разработчиков.
На сайте выкладываются заранее скомпилированные версии программы для различных операционных систем. Для тестирования мы воспользовались последней 64-битной Windows-версией LAMMPS 64-bit (от 23.10.2017). Версия программы по сравнению с тестами прошлого года обновилась, но, как мы выяснили, на результатах это никак не отразилось.
Напомним, что программа может запускаться как в однопоточном, так и в многопоточном (в случае многоядерных процессоров и многопроцессорных систем) режиме. Но для запуска в многопоточном режиме необходимо дополнительно установить 64-битную версию пакета MPICH2 компании Argonne lab (mpich2-1.4.1p1-win-x86-64.msi).
Более подробно с особенностями использования Windows-версии пакета LAMMPS можно ознакомиться здесь.
Саму тестовую задачу мы не меняли. Напомним, что при инсталляции пакета LAMMPS создается папка с названием Benchmarks. В этой папке содержатся файлы с задачами, которые можно использовать для тестирования. Всего в папке Benchmarks имеется пять различных задач, но использовать их все для наших целей избыточно, поэтому мы используем только две задачи: Rhodopsin protein benchmark (rhodo) и Lennard-Jones liquid benchmark (lj)). Подробное описание этих бенчмарков (на английском языке) можно найти по ссылке.
Обзор современных компьютерных систем для решения экономико-математических задач
На рынке современных математических систем в настоящее время присутствует целый ряд крупных фирм: Macsyma, Inc., Waterloo Maple Software, Inc., Wolfram Research, Inc., MathWorks, Inc., MathSoft, Inc., SciFace GmbH и др.
MATLAB — продукт компании MathWorks, Inc.(http://www.mathwork.com/), представляющий собой язык высокого уровня для научно-технических вычислений. Среди основных областей применения MATLAB — математические расчеты, разработка алгоритмов, моделирование, анализ данных и визуализация, научная и инженерная графика, разработка приложений, включая графический интерфейс пользователя. MATLAB решает множество компьютерных задач — от сбора и анализа данных до разработки готовых приложений. Среда MATLAB соединяет в себе математические вычисления, визуализацию и мощный технический язык. Встроенные универсальные интерфейсы позволяют легко работать с внешними информационными источниками, а также осуществлять интеграцию с процедурами, написанными на языках высокого уровня (C, C++, Java и др.).
MathCAD — Это интегрированная среда для выполнения, документирования и обмена результатами технических вычислений от компании MathSoft, Inc. (http://www.mathsoft.com/). Данный продукт позволяет пользователям вводить, редактировать и решать уравнения, визуализировать результаты, документировать их, а также обмениваться результатами анализа, отслеживая при этом их размерность.
Maple — продукт компании Waterloo Maple Software, Inc. (http://www.maplesoft.com/) часто называют системой символьных вычислений или системой компьютерной алгебры. Maple позволяет выполнять как численные, так и аналитические расчеты с возможностью редактирования текста и формул на рабочем листе.
Mathematica
Система Mathematica — компании Wolfram Research, Inc. (http://www.wolfram.com/) имеет чрезвычайно широкий набор средств, переводящих сложные математические алгоритмы в программы. По сути дела, все алгоритмы, содержащиеся в курсе высшей математики технического вуза, заложены в память компьютерной системы Mathematica.
Mathematica имеет мощный графический пакет, с помощью которого можно строить графики очень сложных функций одной и двух переменных.
Macsyma
Macsyma от компании Macsyma, Inc. (http://www.macsyma.com/) — это одна из первых математических программ, оперирующих символьной математикой. Сильные стороны Macsyma — развитой аппарат линейной алгебры и дифференциальных уравнений. Система ориентирована на прикладные расчеты и не предназначена для теоретических исследований в области математики. В связи с этим в программе отсутствуют или сокращены разделы, связанные с теоретическими методами (теория чисел, теория групп, и др.).
MuPAD
MuPAD является программным пакетом компьютерной алгебры, предназначенным для решения математических задач различного уровня сложности. Основные качественные отличия MuPAD — невысокие требования к ресурсам PC, наличие собственного ядра символьной математики, способность к развитию самим пользователем и мощные средства визуализации решения математических задач.
S-PLUS
S-PLUS представляет собой интерактивную компьютерную среду, обеспечивающую полнофункциональный графический анализ данных и включающую оригинальный объектно-ориентированный язык. Гибкая система S-PLUS может использоваться для исследовательского анализа данных, статистического анализа и математических вычислений, а также для удобного графического представления анализируемых данных.
2 – Программирование в MathCAD: операторы, примеры использования
Рассмотрим все команды из панели программирования Mathcad.
1. Add Line – добавить строку в текущую позицию программы. При вводе данной команды появляется или расширяется на одну строку вертикальная линия, объединяющая отдельные операторы в блок с одним входом и одним выходом, который выполняется как один оператор. Для того чтобы начать ввод подпрограммы, необходимо набрать имя программы и в скобках через запятую перечислить формальные параметры подпрограммы, ввести нужное количество раз команду Add Line. Программа выводит последнюю переменную, обрабатываемую программой перед выходом. Вместо имени подпрограммы можно указать имя переменной, куда необходимо вывести результат работы подпрограммы.
2. Оператор присваивания. В Mathcad имеются два оператора присваивания: для глобальных переменных (обозначается двумя символами «:=») и для локальных переменных «←». Глобальные переменные доступны в любом месте программы после объявления данной переменной, а локальные – только в текущем блоке.
Напишем программу для решения квадратного уравнения ax2+bx+c=0. В программе при помощи операторов глобального присваивания задаются значения глобальных переменных a, b и c. Для сравнения введем еще локальную переменную k и присвоим ей значение 4. Далее вычисляем значение корней квадратного уравнения при помощи программы, состоящей из одного блока операторов.
В программе применяются три оператора локального присваивания и возвращается значения вектора x, состоящего из двух чисел. После выполнения программы выводим значение всех переменных, используемых в программе. При этом значение всех локальных переменных D, x и k, заданных вне блока, программа не видит, поэтому вместо знака = выводится оператор глобального присваивания «:=». В этом случае значение переменной не выводится, а вместо него отображается красный прямоугольный маркер.
3. Оператор if предназначен для организации разветвляющихся вычислительных процессов.
Общий вид простого оператора if: D if L, L – логическое выражение; D – оператор, выполняемый в случае, если условие L принимает значение «истина».
Оператор работает следующим образом:
• вычисляется логическое условие L;
• если L – истина, то выполняется оператор D, в ином случае он не выполняется;
• выполнение программы продолжается со следующего, после if, оператора.
Для формирования сложных условий можно использовать панель инструментов Boolean, содержатся знаки логического равенства, неравенства и логических операций. В частности, «V» означает логическое «или», а «Λ» — логическое «и».
Таким образом, чтобы сформулировать условие, что переменная х находится в диапазоне (–3;4), необходимо написать: x > –3 Λ x < 4.
В сложных подпрограммах часто используется блочный оператор if:
Где D1, …, Dn – действия, выполняемые в случае, если логическое условие L истинно.
4. Оператор otherwise применяется в случае, когда используется условие с двумя вариантами действия, то есть, если условие истинно, нужно выполнить одно действие (или действия), а если ложно, то другое.
Общий вид такого оператора следующий:
Рассмотрим пример программы, использующей операторы if и otherwise. В данном случае проверяются условия, при которых логарифм не существует (x
5. Оператор for используется для создания циклических вычислительных процессов.
Где i – счетчик цикла. Переменная, которая меняется в диапазоне от k1 до kn. Диапазон изменения счетчика цикла вводится с помощью ранжированной переменной или с помощью вектора. D –действия, которые выполняются в цикле (тело цикла).
Приведём пример, в котором диапазон изменения счетчика цикла n задан с помощью вектора. Вектор вставляется с помощью панели инструментов Matrix.
Данная программа вычисляет сумму
6. Оператор цикла while используется тогда, когда цикл должен выполняться не заданное количество раз, а до тех пор, пока не будет выполнено определенное в цикле условие.
где L – условие, при выполнении которого выполняется цикл (условие цикла). В данном случае, действие D (тело цикла) выполняется до тех пор, пока условие L истинно. Если логическое условие L изначально ложно, то операторы, составляющие тело цикла, не будут выполняться, а управление передается на оператор следующий за оператором while.
Приведем пример программы, использующей цикл while.
В данной программе с указанной точностью (tol) вычисляется сумма s=1+1/2+1/3+1/4+1/5+1/6+1/7…
7. Оператор break обеспечивает экстренный выход из цикла. Программа при этом продолжает выполнять следующую после цикла строку. Данный оператор часто применяется, чтобы избежать «зацикливания» программы.
В качестве примера применения оператора break рассмотрим задачу вычисления суммы числового ряда
В приведенной ниже программе, суммирование членов ряда прекращается, когда достигается точность, указанная параметром tol или если число итераций цикла превышает 10000.
В данном случае оператор break исключается возможность зацикливания программы для расходящегося ряда.
8. Оператор continue возвращает управление в первую строку цикла. Как только этот оператор встречается в программе, выполнение текущей итерации прерывается и выполняется переход на следующую итерацию цикла. Выход из цикла не производится.