Системы обработки данных

Отдельная ЭВМ или процессор являются элементами, позволяющими строить сложные вычислительные системы обработки данных. Система обработки данных (СОД) – это совокупность технических средств и программного обеспечения, предназначенная для информационного обслуживания пользователей и технических объектов.

В состав технических средств СОД входит оборудование для ввода, хранения, преобразования и вывода данных, в том числе ЭВМ, устройства сопряжения ЭВМ с объектами, аппаратура передачи данных и линии связи. Программное обеспечение СОД – это совокупность программ, реализующих возложенные на систему функции. Функции СОД состоят в выполнении требуемых актов обработки данных: ввода, хранения, преобразования и вывода.

Классификация СОД

СОД можно классифицировать на основе способа построения. На рис. 9 представлена такая классификация.

Рис. 9. Классификация СОД

Одномашинные СОД. Исторически первыми были одномашинные СОД, построенные на базе единственной ЭВМ с классической однопроцессорной структурой. К настоящему времени накоплен значительный опыт проектирования и эксплуатации таких СОД. Однако производительность и надежность таких систем оказывается удовлетворительной для ограниченного применения, когда требуется относительно невысокая производительность и допускается простой системы в течение нескольких часов из-за отказов оборудования. К настоящему времени мы пришли к физическому пределу быстродействия элементов электронных схем ЭВМ, а стало быть к пределу производительности систем на базе таких ЭВМ. Кроме того, при любом уровне технологии невозможно обеспечить абсолютную надежность элементной базы и поэтому нельзя исключить для таких СОД возможность потери работоспособности.

Вычислительные комплексы. Начиная с 60-х гг. XX в. для повышения надежности и производительности СОД несколько ЭВМ связывались между собой, образуя многомашинный вычислительный комплекс (ВК). В ранних ВК связь между ЭВМ обеспечивалась через ВЗУ, т.е. за счет доступа к общим наборам данных. Такая связь называется косвенной и оказывается эффективной только тогда, когда ЭВМ взаимодействуют редко (рис. 10, а).

Более оперативное взаимодействие ЭВМ достигается за счет прямой связи через адаптер, обеспечивающий обмен данными и передачу сигналов прерывания через каналы ввода-вывода (КВВ) двух ЭВМ (рис. 10, б). За счет этого создаются хорошие условия для координации процессов обработки данных и повышается оперативность обмена данными, что позволяет вести параллельную обработку данных и существенно увеличить производительность СОД.

а) б)

Рис. 10. Способы связи отдельных ЭВМ в вычислительном комплексе

а – косвенная связь; б – прямая связь

В многомашинных ВК взаимодействие процессов обработки данных осуществляется только за счет обмена сигналами прерывания и передачи данных через адаптеры КВВ или ВЗУ. Лучшие условия для взаимодействия процессов обработки данных – когда все процессы имеют доступ ко всему объему данных и могут взаимодействовать со всеми периферийными устройствами ВК. ВК, содержащие несколько процессоров с общим ЗУ и периферийными устройствами, называются многопроцессорными ВК. Пример такого комплекса приведен на рис. 11.

Процессоры (Пр), модули оперативной памяти (МП) и каналы ввода-вывода (КВВ), к которым подключены периферийные устройства (ПУ), объединены в единый комплекс с помощью средств коммутации, обеспечивающих доступ каждого процессора к любому модулю оперативной памяти и к каналу ввода-вывода. В многопроцессорном комплексе отказы отдельных устройств влияют на работоспособность СОД в меньшей степени, чем в многомашинном ВК. Многопроцессорные ВК позволяют вести параллельную обработку инфор-мации.

Рис. 11. Структура многопроцессорного комплекса

Многомашинные и многопроцессорные ВК являются базовыми средствами для создания СОД различного назначения. Поэтому в состав ВК принято включать только технические и общесистемные средства, но не прикладное программное обеспечение.

Вычислительные системы. СОД, настроенная на решение задач в конкретной области применения, называется вычислительной системой. Вычислительная система включает в себя технические средства и программное обеспечение, ориентированные на решение определенной совокупности задач. Существует два способа ориентации систем:

– вычислительная система может строиться на основе ЭВМ или ВК общего назначения, а ориентация системы осуществляется за счет программных средств ( прикладных программ и, возможно, операционной системы);

– ориентация на заданный комплекс задач может достигаться за счет использования специализированных ЭВМ и ВК. Специализированные вычислительные системы наиболее широко используются при решении задач векторной и матричной алгебры, задач, связанных с решением интегральных и дифференциальных уравнений, обработкой изображений, распознаванием образов и т.д.

Вычислительные системы, построенные на основе специализированных ВК, начали интенсивно разрабатываться с конца 60-х гг. XX в. В таких системах использовались процессоры со специализированными системами команд, а конфигурация комплексов жестко ориентировалась на конкретный класс задач. В 70-х стали разрабатываться адаптивные вычислительные системы, гибко приспосабливающиеся к решаемым задачам. Адаптация такой системы осуществляется за счет изменения конфигурации системы, в связи с этим такие системы еще называют системами с динамической структурой. За счет динамической структуры достигается высокая производительность и устойчивость к отказам.

Системы телеобработки. Уже первоначальное использование СОД для управления производством, транспортом и материально-техническим снабжением показало, что эффективность систем можно значительно повысить, если обеспечить ввод данных непосредственно с мест их появления и выдавать результаты обработки в места их использования. Для этого необходимо связать СОД и рабочие места пользователей с помощью каналов связи. Системы, предназначенные для обработки данных, передаваемых по каналам связи, называются системами телеобработки данных (рис. 12).

Рис. 12. Система телеобработки данных

Пользователи (абоненты) взаимодействуют с системой посредством терминалов (абонентских пунктов), подключаемых через каналы связи к ЭВМ или ВК. Данные передаются по каналам связи в форме сообщений – блоков данных, несущих кроме собственно данных служебную информацию, необходимую для управления процессами передачи и защиты данных.

Телеобработка данных значительно повышает оперативность обслуживания пользователей и позволяет создавать крупномасштабные системы, обеспечивающие доступ широкого круга пользователей к информации.

Глобальные вычислительные сети. С ростом масштабов применения ЭВМ практически во всех сферах деятельности человека возникла необходимость объединения СОД, обслуживающих отдельные предприятия и коллективы.

В конце 60-х гг. XX в. был предложен способ построения вычислительных сетей, объединяющих ЭВМ (ВК) с помощью базовой сети передачи данных (СПД) (рис. 13).

Рис. 13. Структура глобальной компьютерной сети

Ядром системы является базовая сеть передачи данных (СПД), состоящая из каналов связи и узлов связи (УС). Узлы связи принимают данные и передают их в направлении, обеспечивающем доставку данных абоненту. ЭВМ подключаются к узлам связи. Совокупность ЭВМ, объединенных сетью передачи данных, образует сеть ЭВМ. Совокупность терминалов (Т) и средств связи, обеспечивающих подключение терминалов к ЭВМ, образует терминальную сеть. Таким образом, глобальная вычислительная сеть представляет собой композицию базовой сети передачи данных, сети ЭВМ и терминальной сети.

Глобальные вычислительные сети – наиболее эффективный способ построения крупномасштабных СОД. Использование вычислительных сетей позволяет автоматизировать управление отраслями производства, транспортом, материально-техническим снабжением в масштабе крупных регионов и страны в целом.

Локальные вычислительные сети. К концу 70-х гг. XX в. в сфере обработки данных широкое распространение наряду с большими ЭВМ общего назначения получили мини- и микроЭВМ и начали применяться персональные компьютеры. При этом для обработки данных в рамках одного учреждения использовалось большое число ЭВМ, в то время как коллективный характер труда требовал оперативного обмена данными между пользователями ЭВМ. В этот период времени был разработан эффективный способ объединения ЭВМ, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга, – локальные вычислительные сети.

Локальная вычислительная сеть (ЛВС) – это совокупность близкорасположенных ЭВМ, которые оснащены последовательными интерфейсами и программными средствами, обеспечивающими информационное взаимодействие между процессами в различных ЭВМ. Типичная структура ЛВС приведена на рис. 14.

Рис. 14. Структура локальной компьютерной сети

Все ЭВМ сопрягаются между собой с помощью моноканала. Длина моноканала не превышает нескольких сотен метров. ЭВМ подсоединяются к моноканалу посредством сетевых адаптеров (СА), иначе говоря, контроллеров сети, реализующих операции ввода-вывода. Наличие в такой структуре одного канала для обмена данными существенно упрощает процедуры установления соединений и обмена данными между ЭВМ. Поэтому сетевое программное обеспечение ЭВМ оказывается более простым, чем в глобальных ВС.