ЭВМ в физике. Используется в следующих осн. направлениях: автоматизация эксперимента
и управление процессами в реальном времени (см. Автоматизация эксперимента), численный анализ, аналитич. вычисления, компьютерный эксперимент, визуализация
данных физического или компьютерного эксперимента (см. Графическое представление
данных), локальные вычислит, сети.
Численный эксперимент физ. модели на ЭВМ
обычно завершает её теоретич. исследование, доведённое до описывающего систему
набора ур-ний или ф-л. Последние в большинстве случаев могут быть проанализированы
лишь с помощью численного анализа, состоящего в решении этих ур-ний или расчёте
ф-л с использованием соответствующих методов вычислит, математики [1, 2].
Аналитические вычисления. Наряду с огромными
возможностями для численного анализа задач физики совр. компьютерные системы
предоставляют физикам-теоретикам широкий спектр программных систем аналитич.
вычислений (CAB), см. [3-6], позволяющих аналитически выполнять, такие операции,
как дифференцирование, интегрирование, решение систем ур-ний, упрощение выражений
(приведение подобных членов, подстановку вместо символа или выражения др. выражения
и т. д.). В итоге результат вычисления представляет собой нек-рое аналитич.
выражение, напр, функцию с явной зависимостью от её аргументов. CAB являются мощным
(и практически единственным) инструментом решения задач, требующих непомерно
больших затрат ручного труда при их аналитич. решении (напр., задача обращения
матрицы достаточно высокого порядка, элементы к-рой являются символами или алгебраич.
выражениями), или задач, очень чувствительных к потере точности при их численном
решении (напр., задача анализа устойчивости плазмы в установке типа токамак,
сводящаяся к условию существования нуля нек-рой функции в заданной области, положение
к-рого очень чувствительно к потере точности
при численных расчётах) [3, 6]. Разумеется, CAB могут решать только те задачи,
для к-рых известен чёткий алгоритм построения решения.
Традиц. области приложения CAB в физике - небесная
механика, общая теория относительности, квантовая теория поля, физика элементарных
частиц, физика плазмы, гидродинамика, теория нелинейных дифференц. ур-ний и
др. Один из наиб, ярких результатов - вычисление вклада трёхпстлевых диаграмм
в аномальный магн. момент электрона, что позволило достичь согласия теории и
эксперимента с точностью ~ 10-12, см. [5].
Наиб, распространённая CAB - система REDUCE,
созданная в кон. 1960-х - нач. 1970-х гг. под руководством Э. Хирна [7]. Первая
версия системы разработана для мини-ЭВМ серии PDP-11 фирмы Digital Equipment
Corporation (США). Впоследствии REDUCE стал доступен на всех осн. типах ЭВМ,
включая персональные компьютеры и рабочие станции.
Принцип работы CAB REDUCE показан на рис. 1. Пользователь REDUCE пишет задания на специализир. языке высокого уровня описания аналитич. вычислений (язык REDUCE). Собственно CAB REDUCE написана на языке Лисп [4]. Пользователю, однако, знание Лиспа не требуется, поскольку выполнение программы на REDUCE состоит в преобразовании (трансляции) программы на язык Лисп, выполнении Лисп-программы компьютером и затем в обратном преобразовании результатов работы Лисп-программы на язык REDUCE. T. о., пользователь общается с CAB лишь на языке REDUCE. Часто выданные CAB REDUCE ф-лы необходимо использовать для численного счёта. Сама CAB REDUCE умеет производить выкладки с произвольной точностью, но очень медленно. Поэтому более эффектив ф-лы для счёта на языке Фортран. Для этого CAB REDUCE снабжена специальной опцией, формирующей выдачу результатов в форме программы на Фортране.
но использовать получаемые ф-лы
для счёта на языке Фортран. Для этого CAB REDUCE снабжена специальной опцией,
формирующей выдачу результатов в форме программы на Фортране.
CAB REDUCE состоит из ядра, встроенных пакетов на REDUCE, загружаемых в память при первом обращении к ним, и внеш. пакетов, загружаемых пользователем с помощью спец. команд. Существует большое число пакетов для применения в разл. областях физики и математики, к-рые можно получить по сети электронной почты [3].
Компьютерный эксперимент (КЭ) состоит
в моделировании методами КЭ модели физ. системы с целью изучения её характеристик,
выявления новых закономерностей. В отличие от численного анализа модели, когда
её осн. исследование выполняется аналитически, в КЭ модель системы строится
из первых принципов либо с использованием фундам. законов и небольшого числа
параметров. Методы КЭ подразделяются на стохастические (см. Монте-Карло метод)и детерминистические (см. Молекулярной динамики метод)[2, 8, 9].
Прогресс в КЭ связан с прогрессом технологии и теории параллельных вычислений
[10]. Базой для них являются совр. многопроцессорные вычислит, системы с параллельной
обработкой данных (см. Микропроцессор, Процессор), производительность
к-рых достигает 109 плавающих операций в секунду; ведутся работы
над проектом компьютера производительностью 1012 плавающих операций
в секунду [10].
Одно из осн. достоинств КЭ - устранение в нём
ограничений на модели, присущих любому аналитическому или численному анализу.
Благодаря возможности изучения сложных систем
КЭ является своего рода "эталоном", с к-рым могут сравниваться разл.
приближённые модели. С др. стороны, КЭ допускает также сравнение с реальным
экспериментом и, следовательно, проверку корректности модели (рис. 2). Наконец,
КЭ позволяет заполнить разрыв между теорией и реальным экспериментом. Нек-рые
величины или зависимости невозможно или трудно измерить в реальном эксперименте,
в КЭ же они могут быть легко вычислены.
Рис. 2. Связь между экспериментом, компьютерным
экспериментом и разработкой теорий.
Вычислительные сети (BC) - коммуникац.
системы, позволяющие сообщаться друг с другом однотипным или разнородным средствам
вычислительной и микропроцессорной техники, включая разл. типы компьютеров,
периферийное оборудование (терминалы, принтеры, графопостроители, устройства
внеш. памяти и др.). BC классифицируются по параметру географич. площади (где
размещается связанное в сеть оборудование) на глобальные и локальные BC [11
-13].
Глобальные BC охватывают города, области и регионы
одной или неск. стран.
Локальные BC (ЛВС) объединяют разл. компьютеры
и устройства в пределах одного учреждения, группы лабораторий или одной лаборатории.
ЛВС наиб. широко используются в физике при построении систем автоматизации эксперимента
и в системах распределённой обработки данных [14]. Последние позволяют, напр.,
осуществлять обработку и хранение больших массивов эксперим. информации отдельно
от места её регистрации и предварит. обработки. Наиб. развитые системы такого
типа созданы в центрах физики высоких энергий, космич. центрах и центрах по
атомной энергии (CERN, NASA, MAGATE и др.).
Типичная ЛВС позволяет организовать передачу
файлов данных от одного компьютера к другому, разделение таких ресурсов, как
принтеры и память на магн. дисках, удалённый доступ к любому компьютеру сети,
пересылку электронной почты (см. ниже), загрузку программного обеспечения по
сети и др. Последняя возможность позволяет использовать в ЛВС компьютеры, не
имеющие устройств внеш. памяти на магн. носителях.
ЛВС характеризуются архитектурой (топологией),
физ. средой передачи информации, методами доступа и протоколами управления в
сети.
Архитектура (топология) ЛВС определяет взаимное
размещение устройств (т. н. узлов в терминах ЛВС), объединяемых ЛВС, и способ
соединения между ними. Осн. архитектуры ЛВС - шинная, кольцевая и типа "звезда"
(рис. 3). Принтеры, модемы и устройства внеш. памяти на магн. дисках подключаются
к ЛВС при помощи спец. интерфейса - сетевого сервера, к-рый позволяет разделять
подключаемый ресурс между узлами сети. Для увеличения длины среды передачи ЛВС,
связи ЛВС одного типа и ЛВС разных типов применяются спец. устройства-соответственно
повторители, мосты и шлюзы.
Физ. среда ЛВС - физ. носитель для передачи информации. Для реализации ЛВС используются витая пара, коаксиальный кабель, волоконно-оптич.
кабель и эфир (радио-, ИК- и микроволновой диапазоны). Сравнит. характеристики
физ. сред ЛВС приведены в табл.
Методы доступа в ЛВС - методы разделения общего
ресурса физ. среды передачи между узлами ЛВС при приёме или передаче данных.
Сложность проблемы разделения среды передачи заключается в том, что отд. узлы
должны осуществлять передачу таким образом, чтобы не мешать друг другу. В противном
случае будет происходить наложение сигналов и их взаимное искажение, т. е. возникнет
конфликтная ситуация. Все методы доступа в ЛВС можно разделить на методы, применяемые
при централизованном и децентрализованном управлении сетью. В первом случае
конфликтные ситуации легко разрешаются центр. арбитром (напр., центр. процессором,
обслуживающим шину данных компьютера). Методы доступа в сетях с децентрализованным
управлением можно разделить на случайные, маркерные и интервальные.
Случайные методы доступа характеризуются тем,
что узлы сети могут передавать данные в произвольные моменты времени, что приводит
к возникновению конфликтов при одноврем. передаче данных двумя или неск. узлами.
Искажённые данные при этом передаются заново. Для уменьшения вероятности конфликтов
узел может проверить наличие передачи данных от др. узлов, прежде чем начать
передавать свои данные ("слушай, прежде чем говорить").
В маркерных методах доступа право на передачу
в сети переходит от одного узла к другому в определ. последовательности или
по приоритетам с помощью спец. сообщений (маркеров).
Узел, получивший маркер, может передавать данные
в течение определ. времени, после чего обязан передать маркер след. узлу.
Интервальные методы доступа позволяют разделить
среду передачи данных между узлами ЛВС, предоставляя в простейшем случае каждому
узлу фиксир. интервал времени для передачи данных.
Протоколы управления в ЛВС. Задача передачи
информации от одного узла к другому осуществляется в ЛВС согласно протоколам
передачи данных. Они включают в себя определения формата передаваемых данных,
процедур передачи данных и управления каналом связи. Простейшими протоколами
являются протоколы последовательного и параллельного обмена, реализуемые в соответствующих
интерфейсах. Большинство протоколов управления ЛВС используют в настоящее время
принципы, заложенные в высокоуровневом протоколе управления каналом передачи
данных (HDLC - High-level Data Link Control) [11 ]. Данные, согласно этому протоколу,
передаются блоками байт (кадрами), имеющими формат, показанный на рис. 4. Передаваемые
данные размещаются в информац. поле кадра и сопровождаются рядом полей.
Рис. 4. Формат кадра протокола HDLC: BEG,
END - поля заголовка и конца кадра; 1, 2-поля адреса получателя и отправителя;
3 - поле команды управления; 4-информационное поле данных; 5 - контрольное поле.
Для определения номера узла, к-рому адресована
информация, в кадре указывается адрес получателя, а для контроля за отправителем
- адрес отправителя. Протокол включает также набор команд управления каналом,
таких, как "сброс канала", "передача данных" и др.
Одной из наиб, распространённых ЛВС является
ЛВС Ethernet [1l -13], разработанная фирмой Xerox (США) в 1976 для связи персональных
компьютеров. С 1980 эта ЛВС принята в качестве стандарта фирмами Digital Equipment
Corporation, Intel, Xerox и др. ЛВС Ethernet имеет шинную архитектуру, физ.
среда передачи - коаксиальный кабель, обеспечивающий скорость передачи данных
10 Мбит/с. Способ доступа к каналу - случайный с проверкой передачи и столкновений.
Электронная почта (ЭП; Electronic mail. E-mail)
- система передачи письменной корреспонденции по локальным и глобальным BC,
позволяет организовать оперативную связь между учёными, работающими в разл.
геогра-фич. точках [15, 16]. Наряду с телефонной и факсимильной связью ЭП становится
стандартным средством передачи информации. Доклады на MH. научные конференции,
статьи в ряд ведущих научных журналов принимаются по ЭП.
Сеть ЭП работает след. образом. Конечный пользователь
имеет компьютер (как правило, персональный), оснащённый модемом и спец. программой,
позволяющей передавать сообщения на один из узловых компьютеров сети ЭП (расположенных
по региональному признаку). Связь пользовательского компьютера с региональным
узлом почты осуществляется по обычным телефонным линиям при помощи модема. Это
ограничивает скорость передачи информации скоростью 1200 ... 2400 бит/с (на
большие расстояния, в условиях помех). Пользователь может в любое время связаться
("позвонить") со своего компьютера с узловым компьютером, получить
адресованные ему сообщения, хранящиеся на нём, и отправить свои.
Узловые, региональные компьютеры сети ЭП соединены,
в свою очередь, либо выделенными (некоммутируемыми) телефонными линиями, либо
к--л. др. способом, обеспечивающим быструю передачу больших объёмов информации
между узлами. В качестве узлов обычно используются мощные рабочие станции или
мини-ЭВМ, работающие круглосуточно. По такому принципу организована, напр.,
одна из наиб. распространённых в России сетей ЭП сеть RELCOM [16]. В настоящее
время существует множество сетей ЭП (Internet, Bitnet, EUnet и др.), фактически
перекрывающих территорию всех развитых стран. Разл. сети ЭП связаны между собой
через соответствующие шлюзы - компьютеры, являющиеся узлами одновременно в разных
сетях ЭП.
ЭП во многом напоминает обычную: текст письма
вводится с клавиатуры или из заранее приготовленного файла, снабжается сопроводительной
информацией (адресами получателя и отправителя, датой отправления и др.) и отправляется
адресату. Адрес в сети ЭП задаётся по-разному в разл. сетях. Напр., адрес "head
dept.
institute, msk. su" имеет типичную структуру адреса сети Internet (и RELCOM),
в к-рой слева от знака
указывается
имя адресата (head), справа - его адрес в сети, состоящий из кода страны (su),
кода города (msk), назв. ин-та (institute) и подразделения (dept). Коды всех
стран, за исключением США, состоят из 2 букв (напр., su, ru - Россия, fr - Франция,
it - Италия и т. д.). Адресаты, расположенные в США, имеют 3-буквенный код (edu
- учебные заведения, com - коммерческие структуры, gov - правительственные организации,
mil - военные организации и т. п.).
Сети ЭП предоставляют наряду с пересылкой электронных писем услуги по организации телеконференций и возможность использования публичных архивов файлов [16]. Кроме того, новейшие системы ЭП позволяют передавать т. н. мультимедиа-письма (multimedia mail), объединяющие текст, графику, речь (звук) и факсимильную информацию в одном сообщении.
5) Еднерал В. Ф., Крюков А. П., Родионов А. Я.,
Язык аналитических вычислений REDUCE, M., 1989; 6) Гердт В. П., Тарасов О. В.,
Ширков Д. В., Аналитические вычисления на ЭВМ в приложении к физике и математике,
"УФН", 1980, т. 130, с. 113; 7) H ear h А. С., REDUCE User's
Manual, RAND Corp.. pub. CP78, 1987, rev. 7/87; 8) Компьютеры, модели, вычислительный
эксперимент, М., 1988; 9) Хеерман Д. В., Методы компьютерного эксперимента
в теоретической физике, пер. с англ., M., 1990;
10) Physics Today (Special Issue on High-Performance Computing and Physics),
1993, March; 11) Мячев А. А., Степанов В. H., Щербо В. К., Интерфейсы систем
обработки данных, M., 1989; 12) Г и К., Введение в локальные вычислительные
сети, пер. с англ., M., 1986; 13) Бойченко E. В., Кальфа В., Овчинников В. В.,
Локальные вычислительные сети, M., 1985; 14) Задков В. H., Пономарев Ю. В.,
Компьютер в эксперименте. Архитектура и программные средства систем автоматизации,
M., 1988; 15) Шварцман В. О., Электронная почта, M., 1986; 16) Антонова П.,
Сеть RELCOM и электронная почта, "Компьютер Пресс", 1991, т. 10,
с. 69. В. H.
Задков.
|
|
 |
