3. Классификация вычислительных систем

Цель классификации ВС — разделить множество мыслимых систем на классы подобных систем и исследовать свойства не каж­дой отдельной системы, а свойства каждого класса систем. Наибо­лее результативной считается такая классификация, которая при­водит к максимальной унификации теоретических исследований и прикладных методой. Классификация проводится на основе сово­купности признаков классификации, в качестве которых могут использоваться любые свойства систем.

Можно ожидать, что наиболее существенное влияние на орга­низацию ВС оказывает ее назначение, определяющее функции, которые должна реализовать система. Системы одного назначения, т. е. с одинаковой сферой применения, в меньшей степени разли­чаются по своей структурной организации и программному обес­печению, чем системы с существенно различным назначением. По этой причине назначение системы можно рассматривать в ка­честве основного признака классификации ВС. Классы ВС, выде­ляемые на разных уровнях детализации назначения систем, при­ведены на рис. 1.2.

Все множество ВС можно разделить на системы проблемно-ориентированные и общего назначения.

П роблемно-ориентированные ВС.

Проблемно-ориентированной называется ВС, предназначенная для выполнения фиксированного

Рис. 1.2. Классификация ВС по назначению.

набора алгоритмов, т. е. для решения конкретных задач. Примеры проблемно-ориентированных ВС — системы управления технологи­ческими процессами (например, гальваническими линиями), резер­вирования и продажи билетов, обработки банковских документов и т. п. Ориентация ВС

предопределяется конкретностью номенкла­туры задач, для решения которых создается система. Задачи и алгоритмы их решения известны на момент создания ВС и не ме­няются в течение всего периода эксплуатации системы.

Проблемно-ориентированные ВС разделяют на системы цифро­вые управляющие и типа «запрос — ответ».

Назначение цифровой управляющей системы — управление ра­ботой конкретного технического объекта (ядерного реактора, ком­мутационного оборудования автоматической телефонной станции, прокатного стана и т. п.). Набор программ управления опреде­ляется задачей управления и неизменен во время работы системы. К тому же программы должны выполняться в темпе, определяе­мом динамикой управляемого объекта. Сверхнормативная задерж­ка в получении результатов, формируемых на выводе системы, может привести к катастрофическим последствиям или к сниже­нию показателей качества работы управляемого объекта.

Системы «запрос — ответ» предназначены для обслуживания не технических объектов, а людей (операторов касс по продаже билетов, операторов банка, работников складов и т. д.). Запрос, формируемый на входе системы, является требованием иницииро­вать определенную программу, формирующую ответ. Система должна обслуживать запросы по возможности быстрее, и это тре­бование относится ко всей совокупности запросов, как к целому. Следовательно, стратегия управления порядком выполнения про­грамм в управляющих системах и системах «запрос — ответ» должна быть различна; в управляющих системах необходимо вы­полнять жесткие ограничения на время получения результатов, а в системах «запрос — ответ» необходимо стремиться по возмож­ности уменьшать среднее время обслуживания запросов. К тому же системы «запрос — ответ» работают с большей номенклатурой программ, и значительно большим количеством данных, чем управ­ляющие системы. В связи с этим системы «запрос — ответ» содер­жат в своем составе большее количество устройств, характери­зуются более сложной организацией программного обеспечения и требуют специфического подхода к их организации.

Проблемно-ориентированным системам присуще следующее свойство: темп выполнения программ подчиняется темпу процес­сов, развивающихся вне системы, т. е. подчиняется ходу реального времени. Работа систем этого класса должна быть организована таким образом, чтобы время реакции системы на входные воздей­ствия не превышало нормативных значений, зависящих от дина­мических свойств объектов, обслуживаемых системой. Режим рабо­ты ВС, при котором порядок функционирования ВС подчиняется динамике процессов, развивающихся вне системы, называется ра­ботой в реальном масштабе времени (РМВ). Работа в РМВ — та­кое же специфичное свойство проблемно-ориентированных систем, как и постоянство набора выполняемых системой программ. В свя­зи с этим проблемно-ориентированные ВС иначе называют систе­мами, работающими в РМВ.

ВС общего назначения. ВС общего назначения предназначены для решения прикладных задач, номенклатура которых не под­дается строгому ограничению к моменту создания системы. ВС об­щего назначения используются для выполнения расчетных работ в организациях, занятых научными исследованиями, техническими разработками, планированием, статистическим учетом и т. д. Зада­чи, возникающие в научной, производственной и оборонной дея­тельности, называются прикладными задачами, а программы их решения — прикладными программами.

Решение прикладных задач на ВС может быть организовано различными способами. Например, можно поставить целью до­биться максимальной производительности системы, определяемой числом задач, решаемых системой в единицу времени. Для этого необходимо максимально загрузить оборудование ВС, т. е. создать условия, гарантирующие наличие работы для каждого из устройств системы в каждый момент времени. Чтобы достичь этого, необхо­димо предоставить в распоряжение ВС по возможности больший набор работ, которые система могла бы принимать к исполнению в порядке, гарантирующем высокую загрузку оборудования (от­сутствие простоев) и, как следствие этого, высокую производитель­ность. ВС, выполнение работ в которых организуется путем за­грузки в систему пакета (набора) задач, обрабатываемых в поряд­ке, ориентированном на минимизацию времени обработки всего пакета, называются системами пакетной обработки (СПО).

В СПО задачи выбираются из пакета и обрабатываются в по­рядке, минимизирующем время обработки пакета задачи. В резуль­тате этого производительность системы увеличивается, но среднее время обработки каждой задачи оказывается далеко не мини­мальным.

Во многих случаях экономия, получаемая за счет лучшего ис­пользования оборудования при пакетной обработке задач, оказы­вается меньше потерь, связанных с простоем пользователей, ожи­дающих результатов обработки. В этих случаях целесообразно строить системы, в которых вычислительные процессы планируют­ся таким образом, чтобы по возможности уменьшить среднее вре­мя решения задач, определяемое промежутком времени от момен­та поступления задачи на обработку до момента окончания обра­ботки.

ВС общего назначения, используемые для решения задач в режиме, обеспечивающем минимальное среднее время получения результатов по каждой задаче, называется системами оператив­ной обработки (СОО). Чтобы обеспечить минимум среднего вре­мени ответа на требование пользователя, система должна обла­дать следующими свойствами: 1) принимать задачи на обработку в момент их возникновения — практически немедленно; 2) обслу­живать одновременно несколько пользователей, обеспечивая ввод и вывод информации параллельно для нескольких пользователей и, возможно, параллельную обработку нескольких программ; 3) выполнять задачи в порядке, обеспечивающем минимум средне­го времени пребывания задач в системе (среднего времени ответа).

Практика выработала два основных способа организации опе­ративной обработки: разделение времени и диалоговый режим.

Способ разделения времени состоит в выделении поочередно каждому из активных пользователей, создавших задачи, кванта процессорного времени, обеспечивающего выполнение нескольких тысяч или десятков тысяч машинных операций. Каждый из поль­зователей периодически в течение нескольких секунд получает доступ к ЭВМ, в результате чего среднее время ответа пользова­телям уменьшается. Системы, в которых обработка задач орга­низуется путем последовательного выделения квантов времени всем принятым на обработку задачам, называются системами с разделением (распределением) времени (СРВ). В СРВ время квантуется принудительно механизмом, входящим в состав системы.

Аналогичный эффект можно получить, если организовать взаи­модействие пользователя и системы таким образом, чтобы про­цесс решения задачи был расчленен на достаточно небольшие этапы. На каждом этапе пользователь формирует некоторый за­прос на обслуживание, обработка которого занимает сравнитель­но небольшое время. В таком случае одна ЭВМ оказывается спо­собной обслуживать одновременно несколько пользователей. Такой порядок взаимодействия пользователя с системой является диалогом: пользователь формирует задание для машины (посы­лает соответствующее сообщение), получает ответ, подготовленный машиной, анализирует ответ и посылает очередное задание. ВС, предназначенные для решения задач, представляемых в виде совокупности независимых шагов, называются системами с диа­логовым режимом работы. Диалоговый режим удобен для отладки программ, при решении творческих задач, требующих эвристиче­ского подхода (аналитические преобразования, доказательство теорем), при конструировании и т. д.

Классификация ВС по быстродействию. Важная характеристи­ка ВС — производительность, определяемая количеством «вычис­лительной работы», выполняемой системой в единицу времени. Использование этой характеристики в качестве признака класси­фикации ВС очевидно. Однако к настоящему времени не выявлена мера «вычислительной работы», пригодная для практических при­менений. В связи с этим производительность ВС характеризуют косвенно — суммарным быстродействием процессоров, входящих в состав ВС. Быстродействие процессора обычно определяется средним числом операций, выполняемых им за секунду. При этом учитывается частота (вероятность) использования разнотипных операций в процессе решения задач. Исходя из суммарного быст­родействия В процессоров, ВС общего назначения условно под­разделяют на следующие классы; малые с быстродействием В<=100 тыс. операций/с; средние с быстродействием 100<В<=500 тыс. операций/с; большие с быстродействием В>500 тыс. операций/с. При этом имеется в виду, что состав оборудования и программного обеспечения ВС определенным образом сбалансирован с быстродействием процессоров. По этой причине увеличение быстродействия процессоров или их числа сопровождается увели­чением емкости оперативной и внешней памяти, числа каналов и устройств ввода — вывода, т. е. система становится больше и по количеству составляющего ее оборудования и по объему про­граммного обеспечения. Этого нельзя сказать о проблемно-ориен­тированных ВС и тем более о цифровых управляющих ВС. В связи с этим разделение проблемно-ориентированных ВС на малые, сред­ние и большие по быстродействию процессоров нерезультативно.

Назначение и производительность — внешние характеристики ВС, т. е. они характеризуют систему как целостный объект. При одном назначении и фиксированной производительности системы могут иметь различную внутреннюю организацию. С учетом этого ВС целесообразно классифицировать и с позиций их внутренней организации,

Структуры ВС.

Наиболее существенный признак внутренней организации ВС — способ построения аппаратурной части систе­мы. В зависимости от состава аппаратурной части выделяют ВС одномашинные, мультипроцессорные и многомашинные.

Одномашинная ВС включает в себя одну ЭВМ, содержащую единственный процессор и необходимый комплект сопутствующих устройств (запоминающих устройств, каналов ввода — вывода и т. д.). При таком составе оборудования в каждый момент време­ни ВС способна выполнять счет по одной программе и, возможно, несколько операций ввода — вывода, выполняемых параллельно.

Мультипроцессорная ВС включает в себя комплекс оборудо­вания, содержащий несколько процессоров, способных параллель­но и независимо друг от друга обрабатывать программы. Процес­соры связаны с большим комплектом периферийных устройств (внешних запоминающих устройств и устройств ввода — вывода) и, возможно, с общей оперативной памятью. Наличие общего для всех процессоров оборудования позволяет считать, что процессоры и сопутствующие устройства образуют одну мультипроцессор­ную ВС. Мультипроцессорная система, состоящая из одинаковых процессоров, называется однородной; в противном случае — неод­нородной.

Многомашинная ВС состоит из нескольких связанных между собой ЭВМ, расположенных в непосредственной близости одна от другой — на расстоянии, не превышающем нескольких сотен мет­ров. Каждая ЭВМ содержит один или несколько процессоров, соответствующий комплект запоминающих устройств и устройств ввода — вывода и работает большую часть времени самостоятель­но. В некоторые моменты времени одна ЭВМ может обращаться к другой ЭВМ с целью передачи информации. Многомашинные ВС подразделяются на однородные и неоднородные в зависимости от однотипности или разнотипности ЭВМ, входящих в состав систе­мы. Система из нескольких территориально разобщенных ЭВМ, связанных между собой каналами передачи данных, называется вычислительной сетью.

Лекция 3