Kandaurova_N_Vychislitelnye_sistemy_seti_i_telekommunikatsii
.pdfготовые программы, которые регулярно использовал пользователь. Сейчас к
ППП наряду с комплексом готовых программ относят и программную среду, оболочку, в которой создаются пользовательские программы. Программы вместе со средой значительно облегчают процессы подготовки и решения задач и во многих случаях не требуют от пользователя глубоких знаний специфических языков и процедур программирования.
ППП разрабатываются независимо от других компонентов программного обеспечения. Некоторые ППП могут иметь сложную библиотечную структуру, собственные средства генерации и документацию. С появлением ПК широкое распространение получили следующие прикладные системы:
системы обработки текстов;
системы обработки электронных таблиц;
системы управления базами данных;
системы деловой графики;
коммуникационные системы;
прикладные системы более узкой ориентации.
Все больше ПК используются для обработки информационных потоков. Основным носителем информации является документ. Для работы с документами предназначаются первые три системы.
Практически каждый документ содержит текстовую часть. Для работы с текстом предназначаются текстовые процессоры. В настоящее время известны их десятки и сотни. Независимо от назначения каждый текстовый процессор должен обеспечивать выполнение следующих процедур:
набор текста;
редактирование текста;
форматирование текста;
печать документов;
ведение архивов документов.
Самые простые редакторы встраиваются во многие пакеты, включая
ППП и ППОС. Они имеют достаточно скромные характеристики.
Другие редакторы – текстовые процессоры – обычно используются автономно. Они используются повсеместно при обработке документов различной сложности – от простейших справок до фундаментальных книг (Word, Лексикон, Chi Writer, MultiEdit и др.). Последние версии редакторов типа Word предоставляют пользователям возможности настольной издательской системы. Они позволяют включать в текст фотографии, иллюстрации, графики, диаграммы; использовать различные шрифты; менять параметры текста, осуществлять перемещение фрагментов, изменять оформление документа, автоматизировать его верстку.
Табличные процессоры предназначаются для работы с двухмерными таблицами, каждая клетка которой содержит некоторое значение. Такие документы представляются в памяти компьютера в виде электронных таблиц.
140
Отдельные клетки таблиц содержат числовую или текстовую информацию. Числовые данные обычно подлежат математической обработке по определенным математическим зависимостям или графическому представлению. В деятельности многих фирм широко используются такие пакеты, как Excel, SuperCals, Lotus 1-2-3, Quatto Pro и др.
Области применения табличных процессоров достаточно широки: от задач статистического анализа до задач экстраполяции и интерполяции. Все табличные редакторы обеспечивают графическое представление данных. Для этого к ним подключают графические редакторы, обеспечивающие воспроизведение разнообразных графиков: линейных, круговых, столбиковых, трехмерных и т.д.
Еще одной группой ППП являются системы управления базами данных (СУБД). Они появились, когда компьютеры стали использоваться в контуре управления технологическими процессами и людскими коллективами. Разработка автоматизированных систем управления предполагает создание в памяти компьютера больших информационных массивов, получивших название «база данных».
База данных (БД) – это совокупность взаимосвязанных данных, хранящихся совместно в памяти компьютера. Каждая БД состоит из записей. Запись образует подмножество данных, служащих для описания единичного объекта. Например, фамилия, имя, отчество, год рождения, адрес, место работы, номер телефона могут составлять одну запись и характеризовать одного человека. Информационный массив может содержать записи по отдельным цехам, службам, отделам всего предприятия. Назначением БД является удовлетворение информационных потребностей пользователей. СУБД автоматизирует работу пользователей с хранящимися данными. Количество информационных массивов в БД и их объем зависят от сложности создаваемой АСУ. Ядро БД составляет информация, наиболее часто используемая в процессах управления.
Достаточно мощные СУБД позволяют значительно автоматизировать процессы управления и удовлетворять до 90-95% потребностей управленческого аппарата. Одним из основных назначений СУБД является автоматизация документооборота. На основе хранящейся информации можно автоматически формировать любые стандартные документы. Дополнительно к этому СУБД позволяет обращаться к данным и с нестандартными запросами для получения каких-либо справок, обобщений. СУБД поддерживает диалоговый режим работы пользователей, в которых запросы данных и реакция системы побуждают к формированию более то чных запросов и исследованию данных.
СУБД обеспечивают ввод, поиск, сортировку данных, составление отчетов. Они имеют возможность сопряжения с табличными процессорами для специфической обработки и графического представления данных. В настоящее время широко используются такие СУБД, как Access, Paradox, Clipper и др. Различие между ними заключается в предлагаемом сервисе и удобствах работы.
141
Графические редакторы (ГР) позволяют создавать и редактировать на экране компьютера различные рисунки, диаграммы, картинки. Своеобразие их построения заключается в том, что на экране информация представляется в виде точек, линий, окружностей, прямоугольников, кривых. Элементы рисунков могут использовать различное сочетание цветов, шрифтов, форматов. Допускается работа с фрагментами рисунков. Некоторые ППП
имеют собственные встроенные графические редакторы. Они ориентированы на специфические режимы работы (графики, диаграммы). Некоторые редакторы допускают автономную работу. Например, графический редактор Paint for Windows позволяет создавать фрагменты изображений и включать их в другие программные продукты.
По мере накопления опыта разработки и применения ППП
пользователи стали переходить к эксплуатации интегрированных систем, объединяющих наиболее часто используемые прикладные системы и пакеты. Сочетание различных видов обработки в рамках единой операционной среды создает дополнительные удобства пользователям.
10.5. Комплекс программ технического обслуживания
Комплекс программ технического обслуживания (КПТО) включает наладочные, проверочные и диагностические тест-программы [6, 23, 30].
Наладочные программы обеспечивают автономную настройку и проверку отдельных устройств компьютера. Проверочные тест-программы предназначены для периодически проводимых проверок правильности функционирования устройств. Диагностические тест-программы
используются в тех случаях, когда необходимо классифицировать отказ оборудования и локализовать место неисправности. Инициирование работы этих программ осуществляется модулями ОС после фиксации сбоев и отказов аппаратурой контроля.
Проверочные тест-программы записаны в ПЗУ компьютера. При каждом включении ПК и перезагрузках производится его предварительная проверка путем выполнения тестовой программы. Вначале проверяется работоспособность системного блока. После этого проверяются ячейки оперативной памяти. Далее проверяется стандартная периферия: клавиатура, накопители на дисках, дисплей и др. В случае каких-либо ошибок на каждом шаге проверки формируются определенные звуковые сигналы, сопровождаемые соответствующими сообщениями на экране дисплея.
Все пользователи стараются пополнить программное обеспечение ПК вспомогательными системными программами-утилитами. Эти программы в вычислительном процессе не используются, а обеспечивают необходимый и разнообразный сервис при подготовке заданий пользователями. Часть таких программ может объединяться в пакеты. Примерами подобных программ могут быть: программы-архиваторы, антивирусные программы, программы обслуживания дисков и др.
142
Литература
Список основной литературы
1.Бройдо В.Л., Ильина О.П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. – 3-е изд. – СПб.: Питер, 2008.
2.Гордеев А. В., Молчанов А. Ю. Системное программное обеспечение. – СПб.: Питер, 2003.
3.Олифер В.Г., Олифер Н.А. Сетевые операционные системы. – СПб.: Питер,
2002.
4.Поветкин С.Н. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации (краткий курс): учеб. пособие. – СПб.: Андреевский издательский дом,
2005.
5.Пятибратов А.П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: учебник / А.П. Пятибратов, Л.П. Гудыно, А.А. Кириченко; под ред. А.П. Пятибратова. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Финансы и статистика; ИНФРА-М, 2008.
6.Яковлев С.В. Администрирование программного обеспечения: учеб. пособие. – Ставрополь: Сев-КавГТУ, 2010.
Список дополнительной литературы
1.Бройдо В.Л. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: учебник. – 2-е изд. – СПб.: Питер, 2005.
2.Информатика: учебник / под ред. Н.В. Макаровой. – М.: Финансы и статистика, 2004.
3.Основы современных компьютерных технологий: учебник / под ред. проф. А.Д. Хомоненко. – СПб.: КОРОНА принт, 2005.
4.Пятибратов А.П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: учебник / А.П. Пятибратов, Л.П. Гудыно, А.А. Кириченко; под ред. А.П. Пятибратова. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Финансы и статистика,
2005.
5.Пятибратов А.П. и др. Вычислительные системы, сети и
телекоммуникации: учебник / А.П. Пятибратов, Л.П. Гудыно, А.А. Кириченко; под ред. А.П. Пятибратова. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Финансы и статистика, 2002.
6.Робачевский А.М. Операционная система UNIX. – СПб.: БХВ – Петербург,
2003.
7.Яковлев С.В. Администрирование программного обеспечения: учеб. пособие. – Ставрополь: Сев-КавГТУ, 2010.
Лекция № 11. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
11.1. Классификация вычислительных систем
Вычислительная система (ВС) – это совокупность взаимосвязанных процессоров или компьютеров, программного обеспечения и периферийного оборудования, предназначенная для сбора, хранения, обработки, распределения и выдачи информации [6, 23]. Отличительной особенностью ВС по отношению к компьютеру является наличие в ней нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку. Создание ВС преследует следующие основные цели: повышение производительности системы, повышение надежности и достоверности вычислений, предоставление пользователям дополнительных сервисных услуг и т.д.
Параллелизм в вычислениях в значительной степени усложняет управление вычислительным процессом, использование технических и программных ресурсов. Эти функции выполняет ОС ВС.
Основные принципы построения ВС:
возможность работы в разных режимах;
унификация и стандартизация технических и программных решений;
модульность структуры технических и программных средств;
иерархия в организации управления процессами;
способность систем к адаптации, самонастройке и самоорганизации;
обеспечение сервисом пользователей при выполнении вычислений. Структура ВС – это совокупность элементов ВС и их связей. В
качестве элементов ВС выступают отдельные компьютеры и (или) процессоры.
Существует большое количество признаков, по которым классифицируют вычислительные системы: по целевому назначению и выполняемым функциям, по типам и числу компьютеров или процессоров, по архитектуре системы, режимам работы, методам управления элементами системы, степени разобщенности элементов ВС и др. Однако основными из них являются признаки структурной и функциональной организации ВС.
По назначению вычислительные системы делят на универсальные и специализированные. Универсальные ВС предназначаются для решения самых различных задач. Специализированные ВС ориентированы на решение узкого класса задач. Специализация ВС может устанавливаться различными средствами:
структура ВС ориентирована на определенные виды обработки;
структура ВС содержит специальное оборудование и пакеты.
По типу вычислительные системы можно разделить на многомашинные и многопроцессорные ВС.
Многомашинные вычислительные системы (ММС) появились первыми (рисунок 11.1, а). Положения 1 и 3 электронного ключа (ЭК) обеспечивали режим повышенной надежности, когда одна из ЭВМ
144
выполняла вычисления, а другая находилась в резерве. Положение 2 ЭК обеспечивало параллельный режим вычислений обоих ЭВМ. Здесь возможны две ситуации:
обе машины решают одну и ту же задачу и периодически сверяют результаты, это повышает достоверность результата;
обе машины параллельно решают разные задачи, сохраняя возможность обмена информацией, это повышает производительность.
Рисунок 11.1 – Типы ВС: а – многомашинные комплексы; б – многопроцессорные системы
Каждая ЭВМ ММС сохраняет возможность автономной работы и управляется собственной ОС. Любая дополнительно подключаемая ЭВМ рассматривается как периферийное устройство (ПфУ).
Многопроцессорные системы (МПС) состоят из нескольких процессоров (рисунок 11.1, б). В качестве общего ресурса они имеют общую оперативную память (ООП). Параллельная работа процессоров и использование ООП обеспечивается единой ОС. По сравнению с ММС достигается наивысшая оперативность взаимодействия процессоров.
Однако МПС имеет и существенные недостатки:
возникновение конфликтных ситуаций при обращении нескольких процессоров и УВВ к одним и тем же областям ООП;
проблема коммутации абонентов и доступа их к ООП, т.к.
отсутствуют высокоэффективные коммутаторы общей памяти. Процедуры взаимодействия очень сильно усложняют структуру ОС
МПС. Эти системы эффективны при 2-10 процессорах. В отечественных системах «Эльбрус» обеспечивалась возможность работы до 10 процессоров, до 32 модулей памяти, до 4 процессоров ввода-вывода и до 16 процессоров связи.
По типу ЭВМ или процессоров, используемых для построения ВС, различают однородные и неоднородные системы.
Однородные системы предполагают комплексирование однотипных ЭВМ (процессоров), неоднородные – разнотипных. В однородных системах упрощается разработка и обслуживание технических и программных средств,
145
обеспечивается возможность стандартизации и унификации соединений и процедур взаимодействия элементов системы.
Неоднородные ВС комплексируются из элементов сильно отличаются по своим техническим и функциональным характеристикам. Неоднородные системы находят применение в МПС.
По степени территориальной разобщенности вычислительных модулей ВС делятся на системы совмещенного и распределенного типов.
МПС относятся к системам совмещенного типа. Учитывая успехи микроэлектроники (СБИС), появляется возможность иметь в одном кристалле несколько параллельно работающих процессоров.
В совмещенных и распределенных ММС оперативность взаимодействия зависит от удаленности ЭВМ. Все выпускаемые ЭВМ имеют средства прямого взаимодействия и средства подключения к сетям. Для ПК такими средствами являются модемы.
По методам управления элементами ВС различают централизованные, децентрализованные и со смешанным управлением.
В централизованных ВС имеется главная, или диспетчерская, ЭВМ (процессор). Ее задачей является распределение нагрузки между элементами, выделение ресурсов, контроль состояния ресурсов, координация взаимодействия. Функции управления могут быть жестко фиксированы или передаваться другой ЭВМ (процессору), что способствует повышению надежности системы. Централизованные системы имеют более простые ОС.
В децентрализованных системах функции управления распределены между ее элементами. Каждая ЭВМ (процессор) системы сохраняет автономию, а необходимое взаимодействие между элементами устанавливается по специальным наборам сигналов. С развитием ВС и сетей ЭВМ интерес к децентрализованным системам постоянно растет.
В системах со смешанным управлением совмещаются процедуры централизованного и децентрализованного управления. Перераспределение функций осуществляется в ходе вычислительного процесса, исходя из сложившейся ситуации.
По принципу закрепления вычислительных функций за отдельными ЭВМ (процессорами) различают системы с жестким и плавающим закреплением функций.
По режиму работы ВС различают системы, работающие в оперативном и неоперативном временных режимах. Первые используют режим реального времени. Этот режим характеризуется жесткими ограничениями на время решения задач в системе.
11.2. Архитектура вычислительных систем
Архитектура ВС – совокупность характеристик и параметров, определяющих структурную и функционально-логическую организацию системы. Понятие архитектуры охватывает общие принципы построения и функционирования ВС [6, 9, 23].
146
Существует четыре основных архитектуры ВС, представленных на рисунке 11.2:
одиночный поток команд – одиночный поток данных (ОКОД) или Single Instruction Single Data (SISD) – однопроцессорная архитектура;
множественный поток команд – одиночный поток данных (МКОД), или
Multiple Instruction Single Data (MISD) – конвейерная архитектура;
одиночный поток команд – множественный поток данных (ОКМД) или
Single Instruction Multiple Data (SIMD) – векторная архитектура;
множественный поток команд – множественный поток данных (МКМД),
или Multiple Instruction Multiple Data (MIMD) – матричная архитектура.
Рисунок 11.2 –Архитектуры ВС: а – SISD (однопроцессорная); б – MISD (конвейерная); в – SIMD (векторная); г – MIMD (матричная)
Архитектура ОКОД охватывает все однопроцессорные и одномашинные варианты систем, т.е. с одним вычислителем. Все ЭВМ классической структуры попадают в этот класс. Здесь параллелизм вычислений обеспечивается путем совмещения выполнения операций
147
отдельными блоками АЛУ, а также параллельной работы процессора и устройств ввода-вывода.
Архитектура МКОД представляет своеобразный процессорный конвейер, в котором результаты обработки передаются от одного процессора к другому по цепочке. Конвейерная схема нашла применение в скалярных процессорах суперЭВМ, в которых они применяются как специальные процессоры для поддержки векторной обработки.
Архитектура ОКМД предполагает создание структур векторной обработки. Системы этого типа обычно строятся как однородные, процессорные. Однако каждый процессор обрабатывает свой поток данных. Задачи с широким параллелизмом составляют достаточно узкий класс. Структуры ВС этого типа – это структуры специализированных суперЭВМ.
Архитектура МКМД предполагает, что все процессоры системы работают по своим программам с собственными потоками команд. В простейшем случае они могут быть автономны и независимы. Такая схема использования ВС часто применяется в крупных вычислительных центрах. Подобные системы могут быть многомашинными и многопроцессорными. На практике такие системы позволяют одновременно использовать сотни и тысячи процессоров.
11.3. Комплексирование в вычислительных системах
Для построения ВС необходимо, чтобы модули, комплексируемые в систему, были совместимы по трѐм аспектам: аппаратный, программный и информационный [6, 23].
Аппаратная совместимость (Hardware) предполагает:
подключаемая друг к другу аппаратура должна иметь единые стандартные средства соединения;
параметры электрических сигналов должны соответствовать друг другу;
алгоритмы взаимодействия должны быть согласованы.
Программная совместимость (Software) требует, чтобы программы,
передаваемые из одного технического средства в другое, были правильно поняты и выполнены другим устройством.
Если взаимодействующие устройства относятся к одному семейству компьютеров, то программная совместимость обеспечивается «снизу вверх». Если стыкуемая аппаратура имеет разную систему команд, то следует обмениваться исходными модулями программ высокого уровня с последующей их трансляцией.
Информационная совместимость комплексируемых средств предполагает, что передаваемые информационные массивы будут одинаково интерпретироваться стыкуемыми модулями ВС. Должны быть стандартизированы алфавиты, разрядность, форматы, структура и разметка файлов, томов и т.д.
148
Эффективность обмена информацией определяется скоростью и объемами данных, передаваемых по каналу. Эти характеристики зависят от средств, обеспечивающих взаимодействие модулей и уровня управления процессами, на котором это взаимодействие осуществляется. Сочетание различных уровней и методов обмена данными между модулями ВС в наиболее полной форме нашло свое выражение в универсальных суперЭВМ и больших ЭВМ, в которых сбалансировано использовались все методы достижения высокой производительности. В этих компьютерах предусматривались следующие уровни комплексирования (рисунок 11.3):
1)прямого управления (процессор – процессор);
2)общей оперативной памяти;
3)комплексируемых каналов ввода-вывода;
4)устройств управления внешними устройствами (УВУ);
5)общих внешних устройств.
Рисунок 11.3 – Уровни и средства комплексирования
Уровень прямого управления служит для передачи коротких однобайтовых приказов-сообщений. Последовательность взаимодействия процессоров сводится к следующему. Процессор-инициатор обмена по интерфейсу прямого управления (ИПУ) передает в блок прямого управления байт-сообщение и подает команду «Прямая запись». У другого процессора эта команда вызывает прерывание, относящееся к классу внешних. В ответ он вырабатывает команду «Прямое чтение» и записывает передаваемый байт в свою память. Затем принятая информация расшифровывается и по ней принимается решение. После завершения передачи прерывания снимаются, и оба процессора продолжают вычисления по собственным программам. Уровень прямого управления не может использоваться для передачи больших массивов данных, однако оперативное взаимодействие отдельными сигналами широко используется в управлении вычислениями. У ПК этому
149