60

Компьютерная система – совокупность взаимосвязанных процессоров и других вычислительных устройств, а также отдельных компьютеров предназначенных для повышения производительности и надёжности.

Компьютерные системы (КС) применяются при решении задач научных исследований, задач обработки сигналов и изображений, задач анализа в генной инженерии, компьютерной графики (синтез изображений), задач военной области, задач метрологических служб – для этого требуются многие комплексные системы.

Параллельная обработка – разбиение программы на участки, которые могут обрабатываться параллельно на различных вычислительных устройствах.

Методологически компьютерные системы используют теорию сложных систем и теорию вычислительных систем, которые изучают характеристики систем из большого количества элементов и связей. Здесь используются понятия структуры и эффективности.

Структура системы – набор элементов и связей между ними.

Эффективность – степень соответствия системы своему назначению. Для сложных систем эффективность не удается определить одной величиной и поэтому ее представляют набором величин, называемых характеристиками системы. Набор характеристик формируется таким образом, чтобы в своей совокупности они давали наиболее полное представление об эффективности системы. Основные характеристики эффективности компьютерной системы (КС) описываются показателями производительности и надежности.

Характеристики зависят от организации системы – структуры, состава программного обеспечения, режима функционирования системы и др. Характеристики определяют свойства системы как целого, проявляющиеся в процессе эксплуатации системы и зависящие от ее организации, представляемой соответствующим набором параметров (число и быстродействие устройств, емкость памяти и др.). Исследования характеристик и свойств КС могут быть проведены с помощью методов теории вычислительных систем.

При этом возникают следующие задачи:

1 Задачи анализа;

2 Задачи синтеза;

3 Задачи идентификации.

Задача анализа - определение свойств, присущих системе или классу систем (получение характеристик на основе структур параметров и режимов обработки). В общем случае задача синтеза формулируется следующим образом. Исходя из цели исследования назначается набор характеристик исследуемого объекта (вычислительная система, ее элемент, некоторый процесс и др.) и точность , с которой они должны быть определены. Требуется найти способ оценки характеристик объекта с заданной точностью и на основе этого способа определить характеристики.

Задача синтеза. Синтез – процесс создания вычислительной системы, наилучшим образом соответствующей своему назначению. Исходными в задаче синтеза являются: 1 функция системы (класс решаемых задач); 2 ограничения на характеристики системы (производительность, надежность и др.); 3 критерий эффективности, устанавливающий способ оценки качества системы в целом. Необходимо выбрать конфигурацию системы и режим обработки данных, удовлетворяющие заданным ограничениям и оптимальные по критерию эффективности.

Проектирование системы ведется сверху вниз – от наиболее общих решений, связанных с системой в целом, к частным решениям, относящимся к отдельным подсистемам и их частям.

Сложность задачи синтеза КС обусловлена числом варьируемых параметров, описывающих конфигурацию и режим функционирования системы и областью варьирования параметров. Для решения задач синтеза используются математические методы линейного и нелинейного программирования и имеют большую вычислительную сложность из-за нелинейности функций.

Задачи идентификации. При эксплуатации КС возникает необходимость в повышении их эффективности путем подбора конфигурации и режима функционирования, соответствующих классу решаемых задач и требованиям к качеству обслуживания пользователей. В связи с ростом нагрузки на систему может потребоваться изменение конфигурации системы, использование более современных операционных систем и реализуемых ими режимов обработки. В этих случаях следует оценить возможный эффект, для чего необходимы модели производительности и надежности систем. Построение модели системы на основе априорных сведений об ее организации и данных измерений называется идентификацией системы

Основные задачи теории кс

В теории КС широко используются следующие задачи:

1. Задачи анализа;

2. Задачи синтеза;

3. Задачи идентификации.

Задача анализа - определение свойств, присущих системе или классу систем (получение характеристик на основе структур параметров и режимов обработки). В общем случае задача синтеза формулируется следующим образом. Исходя из цели исследования назначается набор характеристик исследуемого объекта (вычислительная система, ее элемент, некоторый процесс и др.) и точность , с которой они должны быть определены. Требуется найти способ оценки характеристик объекта с заданной точностью и на основе этого способа определить характеристики.

Задача синтеза. Синтез – процесс создания вычислительной системы, наилучшим образом соответствующей своему назначению. Исходными в задаче синтеза являются: 1. функция системы (класс решаемых задач);

2. ограничения на характеристики системы (производительность, надежность и др.); 3. критерий эффективности, устанавливающий способ оценки качества системы в целом. Необходимо выбрать конфигурацию системы и режим обработки данных, удовлетворяющие заданным ограничениям и оптимальные по критерию эффективности.

Проектирование системы ведется сверху вниз – от наиболее общих решений, связанных с системой в целом, к частным решениям, относящимся к отдельным подсистемам и их частям.

Сложность задачи синтеза КС обусловлена числом варьируемых параметров, описывающих конфигурацию и режим функционирования системы и областью варьирования параметров. Для решения задач синтеза используются математические методы линейного и нелинейного программирования и имеют большую вычислительную сложность из-за нелинейности функций.

Задачи идентификации. При эксплуатации КС возникает необходимость в повышении их эффективности путем подбора конфигурации и режима функционирования, соответствующих классу решаемых задач и требованиям к качеству обслуживания пользователей. В связи с ростом нагрузки на систему может потребоваться изменение конфигурации системы, использование более современных операционных систем и реализуемых ими режимов обработки. В этих случаях следует оценить возможный эффект, для чего необходимы модели производительности и надежности систем. Построение модели системы на основе априорных сведений об ее организации и данных измерений называется идентификацией системы

СОСТАВ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ КС.

Компьютерные системы строятся из технических и программных средств, существенно различающихся по своей природе. Поэтому КС принято рассматривать как совокупность двух составляющих: технических средств и программного обеспечения. Функционирование КС определяется взаимодействием программных и технических средств, в результате чего свойства системы проявляются как совокупные свойства технических и программных средств.

Технические средства. Основу КС составляют технические средства—оборудование, предназначенное для ввода, хранения, преобразования и вывода данных. Состав технических средств определяется структурой (конфигурацией) КС, т.е. - тем, из каких частей (элементов) состоит система и каким образом эти части связаны между собой. Математическая форма представления структуры—граф, вершины которого соответствуют элементам системы, а ребра (дуги)—связям между элементами.

Инженерная форма представления структуры — схема. Таким образом, схема и граф тождественны по содержанию и различны по форме. В схеме для изображения элементов используются различные геометрические фигуры, а для изображения связей—линии многих типов. За счет этого схема приобретает большую по сравнению с графом наглядность. Основные элементы структуры КС — устройства: процессоры, устройства запоминающие, ввода — вывода, сопряжения с объектами и др. Устройства связываются с помощью интерфейсов, включающих в себя совокупность линий или каналов передачи данных (линий связи).

Пример структуры, представленной на уровне устройств, приведен на которых снабжена тремя каналами ввода — вывода МКО, СК.1 и СК.З, двумя

подключенными через контроллер КД к мультиплексному каналу МК.О. Машины связаны с общим для них набором внешних запоминающих устройств— накопителями на магнитных дисках НМДЗ и НМД4 и магнитных лентах НМЛ1—НМЛ4, которые подключены к селекторным каналам СК2 через соответствующие контроллеры КНМД я КНМЛ. К ЭВМ подключены мультиплексоры передачи данных МПД1 и МПД2, каждый из которых обслуживает четыре канала связи КС1-К.С4 и КС5-КС8. На рисунке линиями представ. лены следующие интерфейсы: интерфейс прямого управления, сопрягающий процессоры ЭВМ1 и ЭВМ2; интерфейсы оперативной памяти, связывающие оперативную память с процессором и каналами ввода—вывода МКО. СК.1 и СК.З; интерфейсы ввода — вывода, связывающие каналы ввода — вывода с контроллерами запоминающих устройств и устройств ввода—вывода; малые интерфейсы, посредством которых накопители и устройства ввода—вывода подключаются к соответствующим контроллерам.

Структура сложных систем при представлении ее на уровне устройств может оказаться настолько сложной, что теряет обозримость и выходит за рамки возможностей методов исследования, используемых при анализе и синтезе систем.

В таких случаях структура описывается на более высоком уровне, когда в качестве элементов выступают ЭВМ, многопроцессорные комплексы и сложные подсистемы, которые изображаются одной вершиной графа. Таким образом, элемент структуры КС — это прежде всего удобное понятие, но не физическое свойство объекта. Главное требование к изображению структуры—информативность.

Структура КС дает общее представление о составе технических средств и связей между ними. Дополнительные сведения о технических средствах даются в форме спецификации, где для каждого элемента структуры и каждого типа связей между элементами указывается: наименование элемента, приведенное на структурной схеме; тип устройства, соответствующего элементу структурной схемы; технические характеристики устройства или средства связи (производительность, емкость памяти, пропускная способность).

В связи с процессами обработки данных технические средства рассматриваются как совокупность ресурсов двух типов: устройств и памяти.

Устройство—ресурс, используемый для преобразования (и ввода—вывода) данных, разделяемый между процессами (задачами) во времени. Примеры устройств—процессоры, каналы ввода — вывода, периферийные устройства (ввода — вывода и внешние запоминающие) и каналы передачи данных. В каждый момент времени устройство используется одним процессом, реализуя соответствующие операции; преобразование или ввод—вывод данных .

Основная характеристика устройства — производи-тельность, определяемая числом операций, выполняемых в секунду, или пропускная способность, определяемая количеством единиц информации (байтов), передаваемых в секунду.

Память—ресурс, используемый для хранения данных и разделяемый между процессами по объему и времени. Примеры—оперативная память и накопители на магнитных дисках. Основная характеристика памяти — емкость, определяемая предельным количеством информации, размещаемой в памяти. В одной памяти одновременно могут размещаться данные, относящиеся к нескольким процессам. Накопитель на магнитных дисках содержит два ресурса, являясь одновременно памятью определенной емкости и устройством, обслуживающим операции'ввода—вывода данных-

Таким образом, состав технических средств определяет номенклатуру ресурсов, используемых для хранения, ввода—вывода и преобразования данных. Конфигурация связей между устройствами определяет пути передачи данных в системе и порядок доступа процессов к устройствам и данным, хранимым в памяти.

Программное обеспечение. Технические средства КС реализуют элементарные операции ввода—вывода и обработки данных. Требуемый набор функций, определяемых назначением КС, обеспечивается совокупностью программ — программным обеспеченим КС,

Программное обеспечение КС строится по многоуровневому, иерархическому, принципу. Основные процессы обработки дан-

ных описываются в терминах операций над математическими и

логическими элементами данных, вводимых проблемно- и про- цедурно-ориентированными языками программирования. Эти операции с помощью программных средств более низких уровней интерпретируются как более простые операции и в конце концов сводятся к операциям, реализуемым техническими средствами КС .

Пример многоуровневой реализации функций в КС приведен на рис.1.9. Технические средства КС обеспечивают реализацию элементарных функций—операций ввода, хранения, преоб-разования и вывода данных, которые выполняются с помощью схем и средств микропрограммного управления. Функции, реализуемые техническими средствами, относятся к первому, низшему, уровню иерархии, функции более высоких уровней сложности обеспечиваются программным обеспечением КС , включающим в себя операционную систему и прикладное программное обеспечение.

Операционная система (ОС)—совокупность программ, предназначенных для управления работой КС и реализации наиболее массовых процедур взаимодействия с пользователями, ввода—вывода, хранения и преобразования данных. Управление работой КС сводится к управлению процессами и ресурсами. обеспечивающему эффективное использование оборудования КС и требуемое качество обслуживания пользователей. Функции управления работой КС реализуются управляющими программами ОС, включающими в свой состав супервизор, программы управления заданиями и данными. Супервизор контролирует состояние всех технических средств и процессов (задач) и управляет ими, обеспечивая необходимый режим обработки данных путем распределения процессов в пространстве и времени. Супервизор выделяет задачам области (разделы) памяти и устройства ввода—вывода, инициирует выполнение процессором программ, начинает операции ввода—вывода и обрабатывает сигналы прерывания, отмечающие окончание операций ввода— вывода и особые ситуации, возникающие при выполнении программ и работе устройств.

Программы управления заданиями обеспечивают ввод и интерпретацию команд операторов, управляющих работой КС , и заданий, формируемых пользователями КС . Операторы с помощью специальных команд воздействуют на порядок функционирования и получают информацию о текущем состоянии КС - Эти программы интерпретируют задания в виде соответствующих действий и обеспечивают их необходимыми ресурсами — разделами оперативной и внешней памяти, устройствами ввода — вывода, наборами данных и др. Задания, обеспеченные ресурсами, необходимыми для их выполнения, образуют задачи. Управление задачами реализуется супервизором. Для обращения к программам управления заданиями "применяется язык управления заданиями, в терминах которого пользователи и операторы, управляющие работой системы, записывают задания на выполнение работ в системе.

Программы управления данными обеспечивают доступ к наборам данных и организацию работы устройств ввода—вывода. Средства управления данными настраивают программы на работу с конкретными наборами данных и устройствами, в которых хранятся наборы, и за счет этого создают возможность при программировании задач манипулировать с данными как с логическими объектами, не связанными с конкретными устройствами. Таким образом, управление данными сводится к сопряжению программ с наборами данных и устройствами, а использование этих устройств контролируется и координируется супервизором,

Функции, реализуемые управляющими программами ОС, относятся ко второму и третьему уровню функций системы (см. рис. 1.9).

Функции ОС расширяются за счет средств системного программного обеспечения — программных средств телеобработки, управления базами данных, сетевой обработки и др. Системное программное обеспечение является основой для построения прикладного программного обеспечения и предоставляет пользователю средства, необходимые для работы со специальными устройствами (например, с аппаратурой передачи данных и удаленными терминалами) или для специальной обработки данных. Функции, реализуемые средствами системного программного обеспечения, относятся к четвертому уровню иерархии.

К пятому уровню относятся функции, выполняемые системными обрабатывающими программами ОС. Эти программы включают в себя: трансляторы с языков программирования; редакторы связей, обеспечивающие сборку программных модулей в программы с заданной структурой; средства отладки программ и перемещения наборов данных с одних носителей на другие и т. д. Функции, обеспечиваемые трансляторами, представляются в виде языков программирования: машинно-, процедурно- и проблемно-ориентированных языков, языков генерации программ ввода —вывода и др.

Прикладное программное обеспечение — совокупность прикладных программ, реализующих функции обработки данных, связанные с конкретной областью применения системы. В системах автоматизации проектирования радиоэлектронной аппаратуры прикладные программы обеспечивают анализ электронных схем, размещение электронных элементов по конструктивным единицам, разводку соединений на печатных платах и т. д.; в автоматизированных системах управления производством—календарное и оперативное планирование производства на предприятии и в низовых производственных подразделениях, учет и анализ производственной деятельности и т. д. Состав прикладных программ определяется назначением системы.

К программным средствам СОД примыкают наборы данных., рассматриваемых как особая составляющая — информационное обеспечение СОД. Наборы данных—совокупность логически связанных элементов данных, организованных по определенным правилам и снабженных описанием, доступным системе программирования (средствам управления данными). Наборы данных снабжаются именами, с помощью которых программы обращаются к соответствующим наборам и их элементам. Одни и те же наборы данных могут использоваться многими прикладными программами. Чтобы исключить необходимость представления одних и тех же данных в различной форме, вариантах н сочетаниях, ориентированных на разные программы, необходимо обеспечить независимость данных и программ. Это достигается за счет организации данных в виде специальных структур — баз и банков данных, а также использования совокупности программных средств, предназначенных для выборки, модификации и добавления данных,—системы управления базами данных. Организация данных в форме баз обеспечивает независимость прикладных программ от логической в физической организации базы данных, в результате чего изменения в программах не влекут за собой изменений базы и реорганизация базы данных не требует внесения изменений в программы, оперирующие с данными.

Режимы обработки в компьютерных системах

Рассмотрим классификацию по функциональному признаку.

Режим обработки данных – способ выполнения заданий (задач или программ), характеризующийся порядком распределения ресурсов системы между заданиями.

КС характеризуются различными режимами обработки:

1.Режим реального времени

2. Режим пакетной обработки

3.Режим оперативной обработки

3.1 Диалоговый режим

3.2 Режим разделения времени

Режим реального времени. В системах управления реальными объектами, построенных на основе ЭВМ, процесс управления сводится к решению фиксированного набора задач . Каждая задача инициируется либо периодически, либо при возникновении определенных ситуаций в системе. Темп инициирования задач и время получения результатов жестко регламентируются динамическими свойствами управляемого объекта. Это означает, что на время решения задач управления налагаются ограничения , определяющие предельное допустимое время ответа для задач соответственно. Режим, при котором организация обработки данных подчиняется темпу процессов вне КС, называется обработкой в реальном масштабе времени.

Пакетная обработка данных характеризуется:

1. большим объемом вводимых-выводимых данных и вычислений, приходящихся на одно взаимодействие пользователя с системой (на одну задачу);

2. низкой интенсивностью взаимодействия и допустимостью большого времени ответа.

В пакетном режиме организация процесса в системе имеет целью не минимизацию времени ответа, а снижение стоимости обработки данных за счет эффективного использования ресурсов системы. В пакетном режиме управление процессами – выбор заданий из очереди на обработку и порядок выполнения задач – направлено на повышение производительности системы за счет формирования смеси задач, обеспечивающей максимальную загрузку по возможности всех ресурсов системы.

Оперативная обработка данных характеризуется:

1. малым объемом вводимых-выводимых данных и вычислений, приходящимся на одно взаимодействие пользователя с системой (на одну задачу);