Kandaurova_N_Vychislitelnye_sistemy_seti_i_telekommunikatsii
.pdf8)объяснить, за счѐт чего, при минимальном неравномерном кодировании, может достигаться сжатие более сильное, чем при равномерном минимальном кодировании;
9)декодировать из минимального неравномерного кода своѐ закодированное сообщение по составленной ранее кодовой таблице;
10)материалы всей работы (отчѐт о работе) оформить в электронной среде MS Word, Paint, Visio или Рисование и сохранить на логическом диске
D:/Студент/№ группы/ФИО студента/№ работы (а также создать копию отчѐта о работе на любом внешнем ЗУ) и представить преподавателю для защиты;
11) защитить результаты выполненной работы, ответить на контрольные вопросы.
Примечание. Только после представления отчѐта (результатов выполненной работы) в электронном виде преподавателю и еѐ защиты она считается выполненной.
Контрольные вопросы
1.Объясните смысл сжатия информации.
2.Для чего проводится сжатие информации?
3.Какие существуют виды сжатия?
4.Какова суть неразрушающего сжатия информации?
5.К каким файлам применяется неразрушающее сжатие информации?
6.Какова суть разрушающего сжатия информации?
7.К каким файлам применяется разрушающее сжатие информации?
8.Что является основным приѐмом кодирования информации для еѐ сжатия?
9.Дайте определение кодовой таблицы (таблицей соответствия).
10.Что собой представляет минимальное равномерное кодирование?
11.Сколько бит информации требуется для кодирования одного символа?
12.Какой код принято называть минимальным?
13.Охарактеризуйте таблицу соответствия кодов ASCII.
14.Сколько символов можно разместить в таблице соответствия кодов
ASCII?
15.Из чего в таблице ASCII образуется 8-битовый 16-ричный код символа?
16.Из каких 2-ух частей состоит таблица ASCII?
17.Для чего используется основной стандарт слева (00-7F) таблицы ASCII?
18.Для чего используется расширение справа (80-FF) таблицы ASCII?
19.Можно ли с целью сжатия перекодировать файлы, закодированные с помощью таблицы ASCII?
20.Что собой представляют кодовые таблицы, использующие коды с длиной, соответствующей минимальной кодовой длине?
21.Поясните алгоритм кодирования с поиощью таблиц, использующих коды с длиной, соответствующей минимальной кодовой длине.
300
22.Поясните алгоритм декодирования с поиощью таблиц, использующих коды с длиной, соответствующей минимальной кодовой длине.
23.Что собой представляют адаптивные и вариантные кодовые таблицы?
24.Дайте определение коэффициента сжатия.
25.Разъясните смысл неразрушающего группового кодирования.
26.Разъясните смысл минимального неравномерного кодирования.
27.В чѐм состоит дешифрация минимальных неравномерных кодов?
28.Раскройте метод последовательного разбора.
29.Перечислите положения алгоритма генерации кодовой таблицы.
Лабораторная работа № 16. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ
Цель:
1)закрепить теоретические знания и получить практические навыки анализа функционирования аппаратной и программной части вычислительных систем с точки зрения организации режимов еѐ работы;
2)разработать на основе анализа и нарисовать временные диаграммы работы вычислительных систем при однопрограммном режиме работы с
непосредственным и косвенным доступом, при многопрограммном режиме с пакетной обработкой и с разделением времени.
Краткие теоретические сведения
Под режимом работы понимают принципы структурной и функциональной организации аппаратных и программных средств. В общем случае режимы использования компьютеров подразделяют:
1. Однопрограммные режимы. При их реализации все основные ресурсы компьютера полностью отдаются в монопольное владение пользователя. Однопрограммный режим может иметь модификации:
1.1. Непосредственный доступ. В нѐм пользователь получает компьютер в полное распоряжение. По окончании работы пользователя «А» все ресурсы компьютера передаются в распоряжение другого пользователя «В» (рисунок 16.1, а). Характеризуется низкой производительностью компьютеров и не используется в универсальных компьютерах. В ПК этот режим используется как основной.
1.2. Косвенный доступ является последовательной пакетной обработкой заданий пользователей «А», «В», «С» (см. рисунок 16.1, б) и сейчас практически не используется. Позволяет повысить производительность компьютеров, но не позволяет полностью исключить простои процессора.
Ввод |
А |
|
В |
|
|
|
Ввод |
|
А |
|
В |
|
|
C |
|
|
|
В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
А |
|
|
В |
|
|
|
|
|
|
|
А |
|
|
В |
|
|
|
|
|
|
В |
|
C |
|
|
|
|
|||||
Решение |
|
|
|
|
|
Решение |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вывод |
|
|
А |
|
|
|
В |
|
Вывод |
|
|
|
|
|
|
|
|
А |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В |
|
C |
|
|
||
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
а |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
б |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Рисунок 16.1 – Однопрограммные режимы работы: а – режим непосредственного доступа; б – режим косвенного доступа
2. Многопрограммный (многопользовательский) режим работы компьютера позволяет одновременно обслуживать несколько программ пользователей. Реализация режима требует соблюдения следующих непременных условий:
302
независимость подготовки заданий пользователями, т.е. не должны учитываться ситуации одновременного обращение к одним и тем же ресурсам компьютера;
разделение ресурсов компьютера в пространстве и во времени между программами пользователей обеспечивается аппаратнопрограммными средствами ОС, при этом осуществляется защиты памяти программ и данных, а также выполнение потока заявок на основе их приоритетов в определѐнные кванты времени работы процессора и обслуживание очередей заявок с использованием системы прерываний и приоритетов;
автоматическое управление вычислительным процессом выполняется программой управления задачами. Сущность управления сводится к управлению ресурсами. При этом ОС
составляет таблицы управления, выделяет ресурсы, запускает их в работу и корректирует таблицы.
Различают следующие виды многопрограммной работы: классическое мультипрограммирование, режим разделения времени, режим реального времени и целый ряд производных от них.
Режим классического мультипрограммирования. Пакет заданий упорядочивается в соответствии с приоритетами заданий, и обслуживание программ ведется в порядке очередности. Если при обслуживании программы создается ситуация необходимости ввода дополнительных данных, то прерывание обслуживания сопровождается передачей управления следующей по приоритетности программе до устранения ситуации. Затем процессор вновь возвращается к продолжению решения ранее прерванной программы. Это иллюстрируется на рисунке 16.2 при выполнении задания
«В».
Ввод |
А В |
C |
В |
t |
|
|
|
|
|||
|
А |
В C В C |
|||
Решение |
t |
||||
|
|
|
|||
|
|
А |
В C |
||
Вывод |
|
t |
|||
|
|
|
|||
|
|
|
|
||
Рисунок 16.2 – Многопрограммный режим пакетной обработки
Наслаивание прерываний и передач управления позволяет до минимума сократить непроизводительные простои процессора.
В однопроцессорных компьютерах многопрограммность является кажущейся, т.к. процессор предоставляется программам в непересекающиеся кванты времени. Здесь обеспечивается параллельная работа процессора и устройств ввода-вывода.
2.2. Режим разделения времени. Отдельные программы пользователей выделяются в одну или несколько групп. Для каждой такой группы устанавливается круговое циклическое обслуживание, при котором
303
каждая программа группы периодически получает для обслуживания достаточно короткий интервал времени τкв – квант (рисунок 16.3). Это создает у пользователей впечатление кажущейся одновременности выполнения их программ.
Программы |
|
|
1 |
τкв |
τкв |
2 |
τкв |
τкв |
3 |
|
τкв |
τкв |
|
|
τкв |
t |
|
|
|
|
|
|
τкв |
|
|
t |
|
|
|
|
|
τкв |
|
τкв |
|
t |
|
|
|
|
Рисунок 16.3 – Режим разделения времени для трѐх программ
Условием прерывания текущей программы является либо истечение выделенного кванта времени, либо естественное завершение решения. Наличие таймера позволяет формировать постоянные или переменные кванты времени – τкв. Разделение времени находит широкое применение при обслуживании компьютеров сети абонентских пунктов.
2.3.Режим реального времени имеет специфические особенности:
поток заявок от абонентов носит случайный характер;
потери поступающих на вход компьютера заявок и данных не допускаются;
время реакции компьютера на внешние воздействия, а также время выдачи результатов i-й задачи должно удовлетворять жестким ограничениям вида:
tp ≤ tр дon,
– время решения задачи;
tр дon – допустимое время решения; i – порядковый номер задачи.
Специфические особенности режима реального времени требуют наиболее сложных ОС. На базе этого режима строятся диалоговые системы, обеспечивающие одновременную работу нескольких пользователей с компьютером и предполагающие использование дисплеев.
ОС семейства Windows последних версий поддерживают многопроцессорные (до 32 процессоров), многозадачные вытесняющие и многопоточные режимы работы.
Выполнение лабораторной работы
Для получения зачѐта по лабораторной работе необходимо:
1)знать вышеизложенный теоретический материал по анализу однопрограммного режима работы с непосредственным и косвенным доступом, и многопрограммного режима с пакетной обработкой, разделением времени и режимом реального времени;
304
2)выбрать из таблицы 16.1 режим работы компьютера по № задания, соответствующему № студента в журнале учебной группы (или другим способом по согласованию с преподавателем) и далее выполнить только своѐ задание;
3)разработать диаграмму и проанализировать с точки зрения простоев оборудования и производительности компьютера в целом однопрограммный режим работы непосредственного доступа пользователя, для примера этот режим представлен на рисунке 16.1 а и создан с помощью программы Рисование в среде MS Word;
Таблица 16.1 – Варианты заданий
№ |
|
|
|
№ |
|
|
|
№ |
|
|
|
|
Режим работы |
|
|
Режим работы |
|
|
Режим работы |
|
|||
зада- |
|
|
зада- |
|
|
зада- |
|
|
|||
|
компьютера |
|
|
компьютера |
|
|
компьютера |
|
|||
ния |
|
|
ния |
|
|
ния |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
Однопрограммный |
|
|
|
Однопрограммный |
|
|
|
Однопрограммный |
|
1 |
|
с непосредственным |
|
6 |
|
с непосредственным |
|
11 |
|
с непосредственным |
|
|
|
доступом |
|
|
|
доступом |
|
|
|
доступом |
|
|
|
Однопрограммный |
|
|
|
Однопрограммный |
|
|
|
Однопрограммный |
|
2 |
|
с косвенным |
|
7 |
|
с косвенным |
|
12 |
|
с косвенным |
|
|
|
доступом |
|
|
|
доступом |
|
|
|
доступом |
|
|
|
Многопрограммный |
|
|
|
Многопрограммный |
|
|
|
Многопрограммный |
|
3 |
|
с пакетной |
|
8 |
|
с пакетной |
|
13 |
|
с пакетной |
|
|
|
обработкой |
|
|
|
обработкой |
|
|
|
обработкой |
|
|
|
Многопрограммный |
|
|
|
Многопрограммный |
|
|
|
Многопрограммный |
|
4 |
|
с разделением |
|
9 |
|
с разделением |
|
14 |
|
с разделением |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
времени |
|
|
|
времени |
|
|
|
времени |
|
|
|
Многопрограммный |
|
|
|
Многопрограммный |
|
|
|
Многопрограммный |
|
5 |
|
режим реального |
|
10 |
|
режим реального |
|
15 |
|
режим реального |
|
|
|
времени |
|
|
|
времени |
|
|
|
времени |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4)разработать диаграмму и проанализировать с точки зрения простоев оборудования и производительности компьютера в целом однопрограммный режим работы косвенного доступа пользователя (пакетная обработка), для примера этот режим представлен на рисунке 16.1 б и создан с помощью программы Рисование в среде MS Word;
5)разработать диаграмму и проанализировать с точки зрения простоев оборудования и производительности компьютера в целом многопрограммный режим пакетной обработки и сравнить его с однопрограммным пакетным режимом работы косвенного доступа (см. рисунки 16.2 и 16.1 б), рисунки созданы с помощью программы Рисование в среде MS Word;
6)разработать диаграмму и проанализировать с точки зрения простоев оборудования и производительности компьютера в целом 3-программный режим разделения времени работы процессора с круговым безприоритетным обслуживанием заявок, для примера этот режим представлен на рисунке 16.3 и создан с помощью программы Рисование в
305
среде MS Word;
7)проанализировать с точки зрения простоев оборудования и производительности компьютера в целом режим реального времени при случайном потоке заявок от абонентов без потерь заявок и данных и времени выдачи результатов i-й задачи, удовлетворяющих жестким ограничениям вида:
|
t |
≤ t дon, |
|
p |
р |
где: tp |
– время решения задачи; |
|
t |
дon – допустимое время решения; |
|
р |
|
|
i– порядковый номер задачи;
8)материалы всей работы (отчѐт о работе) оформить в электронной среде MS Word, Paint, Visio или Рисование и сохранить на логическом диске D:/Студент/№ группы/ФИО студента/№ работы (а также создать копию отчѐта о работе на любом внешнем ЗУ) и представить преподавателю для защиты;
9)защитить результаты выполненной работы, ответить на контрольные вопросы.
Примечание. Только после представления отчѐта (результатов выполненной работы) в электронном виде преподавателю и еѐ защиты она считается выполненной.
Контрольные вопросы
1.Что понимается под режимом работы компьютера или вычислительной системы?
2.На какие виды подразделяют режимы использования компьютеров?
3.Объясните смысл однопрограммного режима работы компьютера.
4.Какие модификации может иметь однопрограммный режим работы компьютера?
5.Какие ресурсы получает пользователь при непосредственном доступе?
6.Что позволяет формировать наличие таймера в компьютере?
7.Чем характеризуется непосредственный доступ?
8.Где используется непосредственный доступ?
9.Чем характеризуется косвенный доступ?
10.Нарисуйте диаграммы однопрограммного режима работы с непосредственным доступом и косвенным доступом.
11.Сколько программ пользователей позволяет одновременно обслуживать многопрограммный (многопользовательский) режим работы компьютера?
12.Соблюдения каких условий требует реализация многопрограммного режима?
13.Какие различают виды многопрограммной работы компьютера?
14.Что собой представляет классическое мультипрограммирование?
15.Разъясните суть режима разделения времени при работы компьютера.
16.Когда применяется режим реального времени работы компьютера?
306
17.Почему в однопроцессорных компьютерах многопрограммность является кажущейся?
18.Нарисуйте диаграммы режима разделения времени для 2-ухпрограмм.
19.Каковы условия прерывания текущей программы?
20.Где находит широкое применение режим разделение времени?
21.Каковы специфические особенности имеет режим реального времени?
22.Требуют ли специфические особенности режима реального времени усложнения ОС?
23.Возиожно ли на базе режима реального времени построить диалоговые системы?
24.Какие режимы работы поддерживают ОС семейства Windows последних версий?
Лабораторная работа № 17. РАСЧЁТ ВРЕМЕНИ ПЕРЕДАЧИ ФИКСИРОВАННОГО ОБЪЕМА ИНФОРМАЦИИ В ТКС
СРАЗЛИЧНЫМИ САМОСИНХРОНИЗИРУЮЩИМИ КОДАМИ Цель:
1)закрепить теоретические знания и получить практические навыки оценки времени на передачу фиксированного объема информации в
телекоммуникационных системах (ТКС) с применением различных самосинхронизирующих кодов: NRZ-код, RZ-код, манчестерский код, биполярный код с поочередной инверсией уровня;
2) рассчитать фактическую пропускную способность и время передачи заданного объема информации в ТКС с применением 4-ѐх различных СК, провести анализ полученных показателей.
Краткие теоретические сведения
Синхронизация элементов ТКС – это часть протокола связи. В
процессе синхронизации связи обеспечивается синхронная работа аппаратуры приемника и передатчика, при которой приемник осуществляет выборку поступающих информационных битов строго в моменты их прихода. В зависимости от способов решения проблемы синхронизации различают синхронную передачу, асинхронную передачу и передачу с автоподстройкой.
Синхронная передача требует дополнительной линии связи для передачи синхронизирующих импульсов (СИ) стабильной частоты. Каждый СИ подстраивает приемник. Выдача битов данных в линию связи передатчиком и выборка информационных сигналов приемником производятся в моменты появления СИ.
Асинхронная передача не требует дополнительной линии связи. Передача данных осуществляется небольшими блоками (байтами). Синхронизация приемника достигается тем, что перед каждым передаваемым байтом посылается старт-бит, а после него – стоп-бит.
Передача с автоподстройкой, также не требует дополнительной линии связи. Синхронизация достигается за счет использования самосинхронизирующих кодов (СК). Кодирование передаваемых данных с помощью СК заключается в том, чтобы обеспечить регулярные и частые изменения уровней сигнала в канале. Каждый переход уровня сигнала от высокого к низкому или наоборот используется для подстройки приемника.
Наиболее распространены СК: NRZ-код, RZ-код, манчестерский код и биполярный код с поочередной инверсией уровня. На рисунке 17.1 представлены графики кодирования сообщения 0101100 с помощью СК.
Для характеристики и сравнительной оценки СК используются следующие показатели:
качество синхронизации;
надежность распознавания и выделения принимаемых битов;
308
скорость изменения уровня сигнала в линии связи при использовании СК;
сложность и стоимость оборудования, реализующего СК.
Рисунок 17.1 – Графики кодирования сообщения с помощью СК
NRZ-код (код без возвращения к нулю) отличается простотой кодирования и низкой стоимостью при его реализации. Однако при передаче серий одноименных битов («111…» или «000…») уровень сигнала остается неизменным для каждой серии, что существенно снижает качество синхронизации и надежность распознавания принимаемых битов. Для этого кода имеет место соотношения:
V1 ≤ 2V2; V1,max = 2V2,
где: V1 – скорость изменения уровня сигналов в линии связи; V2 – пропускная способность линии связи.
RZ-код (код с возвращением к нулю) отличается тем, что за время передачи одного информационного бита уровень сигнала меняется дважды независимо от того, передаются ли серии одноименных битов или поочередно изменяющихся битов. Этот код обладает хорошими свойствами синхронизации, но стоимость его реализации довольно высокая, так как необходимо обеспечить соотношение V1 = 2V2.
Манчестерский код обеспечивает изменение уровня сигнала при представлении каждого бита, а при передаче серий одноименных битов – двойное изменение. Обладает хорошими синхронизирующими свойствами. Соотношение скоростей для этого кода такое:
V1 ≤ V2; V1,max = V2.
Биполярный код с поочередной инверсией уровня обладает хорошими синхронизирующими свойствами при передаче серий единиц «111…». При
309