1.1 Определение систем обработки данных. Способы построения

Для всех видов вычислительных средств, независимо от их назначения, структуры и размеров, глобальной задачей является обработка данных. Ибо, только когда данные обработаны путем сравнения их с предыдущими значениями, тогда мы можем сделать вывод, к чему привели новые значения, как они изменились в сторону увеличения или уменьшения, быстро или медленно, только тогда мы получаем информацию, на основе которой можем принять какое-то решение. Напомним, что данные представляют собой отдельные факты (значения), характеризующие объекты, процессы и явления предметной области, а также их свойства. При обработке на ЭВМ данные трансформируются, условно проходя следующие этапы:

- данные, как результат измерений и наблюдений;

- данные на материальных носителях информации (таблицы, протоколы, справочники);

- модели (структуры) данных в виде диаграмм, графиков, функций;

- базы данных на машинных носителях информации.

При этом средства обработки данных представляют собой совокупности технических средств и программного обеспечения, образующие системы, предназначенные для информационного обслуживания пользователей и технических объектов, независимо от режимов и цели обработки. Все они получили общее название - системы обработки данных. Неважно, какая архитектура лежит в их основе - отдельная электронная вычислительная машина (ЭВМ) или, определенным образом скомплексированный конгломерат. Это очень удачное, емкое по содержанию название для случая, когда речь идет об общих концепциях, присущих всем видам архитектур. Мы тоже будем им пользоваться для таких случаев.

Примерами систем обработки данных являются вычислительные системы для решения научных, инженерно-технических, планово-экономических и учетно-статистических задач, автоматизированные системы управления предприятиями и отраслями хозяй-ства, системы автоматизированного проектирования, системы автоматизированного или автоматического управления технологическим оборудованием и техническими объектами, информационно-измерительные системы, системы телеобработки и вычислительные сети различных топологий и размеров.

Основой систем обработки данных являются технические средства, так как их производительностью и надежностью в наибольшей степени определяется их эффективность.

В итоге, мы будем рассматривать с вами архитектуры систем обработки данных.

С момента появления первой вычислительной машины было разработано огромное, можно сказать об этом без преувеличения, число различных вычислительных систем, имеющих самые различные структуры, как по составу, схемам соединений, так и по организации. Разобраться в этой массе систем не так-то просто. Поэтому кажется естественным желание каким-то образом упорядочить и классифицировать составляющие этого множества. Исторически первыми, до сих пор массовыми и широко распространенными, являются одномашинные системы обработки данных, построенные на базе единственной ЭВМ с однопроцессорной структурой. К настоящему времени накоплен значительный опыт их проектирования, включая программное обеспечение, что уже не вызывает принципиальных трудностей.

В ычислительные комплексы. Начиная с 1960-х годов, для повышения надежности и производительности стали создавать многомашинные вычислительные комплексы, связывая между собой несколько ЭВМ.

Взгляните на рисунок 1.1, схематически представляющий первые варианты многомашинных комплексов, связь между машинами которых (для простоты выбраны две ЭВМ) обеспечивалась через общие внешние запоминающие устройства, например, накопитель на жестких магнитных дисках – НМД (внизу рисунка в середине между ЭВМ). Могут использоваться накопители на магнитных лентах и работающие на других принципах. Все они обеспечивают доступ к общим наборам данных. Такая связь называется косвенной и оказывается эффективной только в том случае, когда ЭВМ взаимодействуют достаточно редко, например, при отказе одной из них или в моменты начала и окончания обработки данных. Более оперативное и продуктивное взаимодействие в таких системах достигается за счет связи между машинами, обеспечивающей возможность взаимного управления через систему прерываний и обмен командами и данными. За счет этого создаются хорошие условия для координации процессов обработки данных, и повышается оперативность обмена данными, что позволяет вести параллельную обработку и существенно увеличить производительность системы.

В настоящее время многомашинные вычислительные комплексы широко используются для повышения их надежности и производительности.

Д ругой разновидностью вычислительных комплексов, называемых многопроцессорными, являются комплексы, содержащие несколько процессоров, работающих с общей оперативной памятью и всеми периферийными устройствами. Принцип построения их иллюстрируется рисунок 1.2.

Процессоры, модули оперативной памяти и каналы ввода-вывода (КВВ), к которым подключены периферийные устройства (ПУ), объединяются в единый комплекс с помощью средств коммутации, обеспечивающих доступ каждого процессора к любому модулю оперативной памяти и каналу ввода-вывода, а также возможность передачи данных между ними.

Отказы отдельных устройств многопроцессорного комплекса в меньшей степени влияют на его работоспособность, по сравнению с многомашинным комплексом, то есть они обладают большей устойчивостью к отказам, а значит и большей надежностью. Эти комплексы позволяют парал-лельно обрабатывать не только независимые задачи, но и различные части одной задачи.

Многомашинные и многопроцессорные комплексы рассматриваются в качестве базовых средств обработки данных, в связи с чем, принято включать в состав комплекса только технические средства и общесистемное программное обеспечение (прикладное программное обеспечение исключается).

Вычислительные системы. Система обработки данных, настроенная на решение задач конкретной области применения, называется вычислительной системой. Такая система ориентирована на решение определенной совокупности задач. Существует два способа ориентации. Во-первых, вычислительная система может строиться на основе средств общего применения, и ориентация системы обеспечивается за счет программных средств прикладных программ и, возможно, операционной системы. Во-вторых, ориентация на заданный класс задач может достигаться за счет использования специализированных ЭВМ и вычислительных комплексов. В этом случае можно добиться повышения производительности вычислительных средств. Специализированные вычислительные системы наиболее широко используются при решении задач векторной и матричной алгебры, а также связанных с интегрированием дифференциальных уравнений, обработкой изображений, распознаванием образов и т.д. Вычислительные системы, построенные на базе специализированных комплексов, начали интенсивно разрабатываться с конца 1960-х годов. В таких системах использовались процессоры со специализированными системами команд, и конфигурация комплексов жестко ориентировалась на конкретный класс задач. В последующее время начались исследования и разработки адаптивных вычислительных систем, гибко «приспосабливающихся» к решаемым задачам. Адаптация вычислительной системы с целью приспособления ее к структуре реализуемого алгоритма достигается за счет изменения конфигурации системы. При этом соединения между процессорами, а также модулями памяти и периферийными устройствами устанавливаются динамически в соответствии с потребностями задач, обрабатываемых системой в текущий момент времени. В связи с этим адаптивные вычислительные системы стали называть системами с динамической структурой. За счет адаптации достигается высокая производительность для широкого класса задач и обеспечивается высокая устойчивость системы к отказам. Поэтому адаптивные системы стали рассматривать в качестве одного из перспективных направлений в развитии систем обработки данных.

Системы телеобработки. Желание более эффективного использования вычислительных средств, привлечения к ним большего числа пользователей, обеспечение возможности ввода данных в систему непосредственно с мест их появления и выдачу результа-тов обработки в местах их использования привели к появлению, так называемых, систем телеобработки данных. Вычислительные средства, как правило, располагались концентрированным образом в виде вычислительных центров и были недоступны широкому кругу пользователей. «Общение» с вычислительной техникой реализовывалось через программистов и персонал вычислительных центров. Для изменения этой ситуации, необходимо было обеспечить доступ пользователей непосредственно к вычислительным средствам. Пользователи, чаще всего, располагались на различных удаленьях от них. Поэтому необходимо было связать вычислительные средства и рабочие места пользователей с помощью каналов связи. Системы, предназначенные для обработки данных, передаваемых по каналам связи, стали называть системами телеобработки данных.

Вариант состава технических средств системы телеобработки и общая схема связей между ними укрупненно представлены на рисунке 1.3. Пользователи взаимодействуют с системой обработки данных посредством терминалов, подключаемых через каналы связи. В качестве терминалов использовались пишущие машинки, телетайпы, видеодисплеи и другие устройства.

Д анные передаются по каналам связи в форме сообщений – блоков данных, несущих в себе кроме собственно данных служебную информацию, необходимую для управления процессами передачи и защиты данных от искажений. Программное обеспечение для таких систем должно обязательно содержать специальные средства для управления техническими средствами, установления связи между ЭВМ и абонентами (пользователями), передачи данных между ними и организации взаимодействия пользователей с программами обработки данных.

Телеобработка позволяет создавать крупномасштабные системы, обеспечивающие доступ широкого круга пользователей к вычислительным средствам, данным и процедурам их обработки, а также значительно повышает оперативность информационного обслуживания пользователей.

Локальные вычислительные сети. Развитием систем телеобработки явились локальные вычислительные сети. К концу 1970-х годов в сфере обработки данных широкое распространение наряду с ЭВМ общего назначения получили мини- и микро-ЭВМ и начали применяться персональные ЭВМ. Эти средства нашли свое применение в рамках отдельных подразделений предприятий и стали обслуживать небольшие группы пользователей, а микро-ЭВМ и персональные ЭВМ – отдельных пользователей. Коллективный характер труда вызывал необходимость оперативного обмена данными между пользователями, то есть объединения ЭВМ в единый комплекс. В связи с этим был разработан эффективный способ объединения ЭВМ, расположенных на незначительном расстоянии друг от друга – в пределах одного здания или группы соседних зданий с помощью линии связи, названной моноканалом. Передача информации по моноканалу осуществляется последовательным кодом. Так появились локальные вычислительные сети (ЛВС), типичная структура одного из вариантов которых изображена на рисунке 1.4.

В моноканале наиболее широко используются: свитая пара проводов, коаксиальный кабель или волоконно-оптическая линия. Длина моноканала не превышает обычно нескольких сотен метров. При этом пропускная способность (скорость передачи информации) моноканала составляет 10⁵ – 10⁷ бит/с, что достаточно для обеспечения информационной связи между десятками ЭВМ.

Т е р м и н а л ы п о л ь з о в а т е л е й

Сопряжение ЭВМ с моноканалом осуществляется с помощью сетевых адаптеров, иначе контроллеров, реализующих операции ввода-вывода данных через моноканал. Единственный канал в сети существенно упрощает процедуры установления соединений и обмена данными между ЭВМ. Поэтому сетевое программное обеспе-чение оказывается более простым, чем в вычислительных сетях, содержащих сеть передачи данных, и легко встраивается даже в микро-ЭВМ. Вследствие этого локальные вычислительные сети оказываются эффективным средством построения сложных систем обработки данных на основе микро- и мини-ЭВМ.

Локальные вычислительные сети получили широкое применение в системах автоматизации проектирования и технологической подготовки производства, системах управления производством, транспортом, снабжением и сбытом, в учрежденческих системах, а также в системах автоматического управления технологическим оборудованием, создаваемых на основе микро- и мини-ЭВМ.

Вычислительные сети. С ростом масштабов применения электронной вычислительной техники в научных исследованиях, проектно-конструкторских работах, управлении производством и транспортом и прочих областях, стала очевидной необходимость объединения систем обработки данных, обслуживающих отдельные предприятия и коллективы. Для всех пользователей, связанных общей сферой деятельности, стало необходимым объединение разрозненных систем обработки данных, обеспечивающее доступ ко всем данным и процедурам их обработки. Так, экспериментальные данные, полученные группой исследователей, используются при проектно-конструкторских работах, результаты проектирования – при технологической подготовке производства, результаты испытаний и эксплуатации изделий – для совершенствования конструкций и технологии производства и т.д. Чтобы объединить территориально разобщенные системы обработки данных в единый комплекс, необходимо, во-первых, обеспечить возможность обмена данными между системами обработки, связав соответствующие

ЭВМ и вычислительные комплексы каналами передачи данных, и, во-вторых, оснастить системы программными средствами, позво-ляющими пользователям одной системы обращаться к информационным, программным и техническим ресурсам других систем. Была предложена структура, объединяющая ЭВМ (вычислительные комплексы), в общих чертах представленная на рисунке 1.5. Ядром вычислительной сети является базовая сеть передачи данных (СПД), которая состоит из каналов и узлов связи (УС).

Узлы связи принимают данные и передают их в направлении, обеспечивающем доставку данных абоненту. ЭВМ подключаются к узлам базовой сети передачи данных, чем обеспечивается возможность обмена данными между любыми парами ЭВМ. Совокупность ЭВМ, объединенных сетью передачи данных, образует сеть ЭВМ. К ЭВМ непосредственно или с помощью каналов связи подключаются терминалы, через которые пользователи взаимодействуют с сетью.

Совокупность терминалов и средств связи, используемых для подключения терминалов к ЭВМ, образуют терминальную сеть. Таким образом, вычислительная сеть представляет собой композицию базовой сети передачи данных, сети ЭВМ и терминальной сети. Такая вычислительная сеть называется глобальной или распределенной. Вычислительные сети используются для объединения ЭВМ, находящихся на значительном расстоянии друг от друга в пределах региона, страны или континента. Все ЭВМ вычислительной сети оснащаются специальными программными средствами для сетевой обработки данных, которые обеспечивают пользователям широкий комплекс функций. К таким функциям относят: управление аппаратурой сопряжения и каналами связи; установление соединений между взаимодействующими процессами и ЭВМ; управление процессами передачи данных; ввод и выполнение заданий от удаленных терминалов; доступ программ к наборам данных, размещенным на удаленных ЭВМ, и другие функции. К сетевому программному обеспечению предъявляются многочисленные и достаточно жесткие требования: сохранение работоспособности сети при изменении ее структуры, а также возможность работы ЭВМ с терминалами различных типов и взаимодействие разнотипных ЭВМ. Изменение структуры сети может быть обусловлено выходом ЭВМ или каналов связи из строя или новыми подключениями различных устройств и каналов. Функции, возлагаемые на сетевое программное обеспечение, отличаются высоким уровнем сложности и реализуются с использованием специально разработанных методов управления процессами передачи и обработки данных.

Использование вычислительных сетей позволяет автоматизировать управление отраслями производства, транспортом и материально-техническим снабжением в масштабе крупных регионов и страны в целом. За счет концентрации в сети больших объемов данных и общедоступности средств обработки значительно улуч-шается информационное обслуживание научных исследований, повышается производительность труда инженерно-технических и других работников и качество административно-управленческой деятельности. Кроме того, объединение ЭВМ в вычислительные сети позволяет существенно повысить эффективность их использования. Так, стоимость обработки данных в вычислительных сетях, по крайней мере, в полтора раза меньше, чем при использовании автономных вычислительных машин.