Вычислительные ссистемы,сети и телекомуникации
.pdf
Программное обеспечение
не выходит на завершение (например, «испортилась» после сбоя во время решения или некорректно сформирована пользователем). В этом режиме у ЭВМ отсутствуют средства разрешения подобных конфликтов, и требуется вмешательство оператора.
Многопрограммный и многопользовательский режим работы компьютера позволяет одновременно обслуживать несколько программ как одного, так и нескольких пользова- телей. Реализация режима требует соблюдения следующих непременных условий:
•независимость подготовки заданий пользователями;
•разделение ресурсов ЭВМ в пространстве и времени;
•автоматическое управление вычислениями.
Независимость подготовки заданий пользователями обеспечивается развитыми
средствами САП. Используя имеющиеся языки программирования, пользователи не должны учитывать ситуации, в которых может произойти одновременное их обращение к одним и тем же ресурсам ЭВМ. Они могут использовать даже одинаковые идентифика- торы, обращаться к одним и тем же библиотекам программ и массивам данных, задейст- вовать одни и те же устройства и т.д. Очереди к общим ресурсам должны обслуживаться средствами ОС, не создавая взаимных помех пользователям.
Разделение ресурсов ЭВМ между программами пользователей обеспечивается аппа- ратно-программными средствами системы. Программы управления заданиями ОС опре- деляют виды требуемых ресурсов в заданиях пользователей и регламентируют их ис- пользование. Перспективное планирование при этом отсутствует, так как заранее опре- делить динамику последующих вычислений практически невозможно. Отдельные виды ресурсов, например области оперативной и внешней памяти, допускают одновременное их использование программами пользователей. В этом случае пространство адресов па- мяти разбивается на непересекающиеся зоны или разделы. «Охрану границ» этих зон обеспечивают схемы защиты памяти – аппаратурные и программные средства ЭВМ.
Некоторые виды ресурсов допускают только последовательное их использование программами пользователей, например, в однопроцессорной ЭВМ время работы единст- венного процессора является неразделяемым ресурсом. Его использование предполагает упорядочение потока заявок и поочередное его использование программами. В совре- менных ЭВМ упорядочение потока заявок обеспечивается на основе их приоритетов, где приоритет – некоторая изначальная характеристика заявки, определяющая ее место в очереди на обслуживание. Формирование очередей обеспечивают программные компо- ненты ОС. Обслуживание очередей заявок выполняется с использованием системы пре- рываний и приоритетов. Последняя выделяет из группы одновременно поступающих заявок одну, наиболее приоритетную.
Автоматическое управление вычислительным процессом в многопрограммном режиме выполняется центральной программой управления задачами. Сущность управления сво- дится к управлению ресурсами. При этом ОС составляет таблицы управления, выделяет ресурсы, запускает их в работу и корректирует таблицы.
Различные формы многопрограммных (мультипрограммных) режимов работы различаются в основном значимостью различного рода ресурсов и правилами перехода от обслуживания одной программы пользователя к другой. Эти правила отличаются ус- ловиями прерывания текущей программы и условиями выбора новой программы из оче- реди, которой передается управление.
Различают следующие виды многопрограммной работы: классическое мультипро- граммирование, режим разделения времени, режим реального времени и целый ряд про- изводных от них.
Режим классического мультипрограммирования или пакетной обработки применитель-
но к однопроцессорным ЭВМ является основой для построения всех других видов мно- 121
Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы
гопрограммной работы. Режим имеет целью обеспечить минимальное время обработки пакета заданий и максимально загрузить процессор.
Пакет заданий упорядочивается в соответствии с приоритетами заданий, и обслу- живание программ ведется в порядке очередности. Обычно процессор обслуживает наи- более приоритетную программу. Как только ее решение завершается, процессор пере- ключается на следующую по приоритетности программу. В этом режим во многом похож на режим косвенного доступа. В режиме мультипрограммирования имеется существен- ное отличие. Если при обслуживании наиболее приоритетной программы создается си- туация, что вычисления не могут быть продолжены (например, требуется ввести допол- нительные данные), то прерывание обслуживания сопровождается передачей управле- ния следующей по приоритетности программе. Но как только условия, препятствующие продолжению наиболее приоритетной задачи, отпадут, процессор вновь возвращается к продолжению решения ранее прерванной программы. Этот случай иллюстрируется на рисунке 23 при выполнении задания B.
Рис. 23. Многопрограммный режим пакетной обработки
Ввод |
А В |
С |
В |
Решение |
А |
В |
С В С |
Вывод |
|
А |
В С |
t
Подобные прерывания и передачи управления могут многократно наслаиваться друг на друга. Это позволяет до минимума сократить непроизводительные простои про- цессора.
Из вышеизложенного следует, что в однопроцессорных ЭВМ многопрограммность является кажущейся, так как процессор предоставляется программам в непересекающие- ся интервалы времени. Уменьшение времени обслуживания обеспечивается также за счет параллельной работы процессора и устройств ввода-вывода.
В качестве недостатка надо отметить, что в режиме мультипрограммирования улуч- шение качества обслуживания пользователей по сравнению с косвенным доступом не предусматривается. Отдельные программы могут надолго монополизировать процессор, блокируя тем самым программы других пользователей.
Режим разделения времени является более развитой формой многопрограммной рабо- ты ЭВМ. В этом режиме, обычно совмещенном с фоновым режимом классического муль- типрограммирования, отдельные наиболее приоритетные программы пользователей вы- деляются в одну или несколько групп. Для каждой такой группы устанавливается круго- вое циклическое обслуживание, при котором каждая программа группы периодически получает для обслуживания достаточно короткий интервал времени-время кванта, τкв
(рис. 24).
122
Программное обеспечение
Рис. 24. Режим разделения времени
1-я прогр. |
τкв |
|
|
|
τкв |
|
|
|
|
τкв |
2-я прогр. |
|
τкв |
|
|
|
τкв |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
3-я прогр. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
τкв |
|
|
|
|
τкв |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n-я прогр. |
τкв |
|
τкв |
t |
|
|
|
|
|
После завершения очередного цикла процесс выделения квантов повторяется. Это создает у пользователей впечатление кажущейся одновременности выполнения их про- грамм. Если пользователю к тому же предоставляются средства прямого доступа для вы- вода результатов решения, то это впечатление еще более усиливается, так как результаты выдаются в ходе вычислений по программе, не ожидая завершения обслуживания всех программ группы или пакета в целом.
Условием прерывания текущей программы является либо истечение выделенного кванта времени, либо естественное завершение (окончание) решения, либо прерывания по вводу-выводу как при классическом мультипрограммировании. Для реализации ре- жима разделения времени необходимо, чтобы ЭВМ имела в своем составе развитую сис- тему измерения времени: интервальный таймер, таймер процессора, электронные часы и т.д. Это позволяет формировать группы программ с постоянным или переменным значе- нием кванта времени τкв. Разделение времени находит широкое применение при обслу- живании компьютером сети абонентских пунктов.
Более сложной формой разделения времени является режим реального времени. Этот режим имеет специфические особенности:
•поток заявок от абонентов носит, как правило, случайный, непредсказуемый ха- рактер;
•потери поступающих на вход ЭВМ заявок и данных к ним не допускаются, по- скольку их не всегда можно восстановить;
•время реакции ЭВМ на внешние воздействия, а также время выдачи результатов i- й задачи должно удовлетворять жестким ограничениям вида
t p ≤ t pдоп, |
(1) |
где t p – время решения задачи;
t pдоп – допустимое время решения.
123
Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы
На рис. 25 показана зависимость стоимости решения задачи от времени t p . При на-
рушении неравенства (1) стоимость решения резко падает до нуля; в отдельных системах она может стать и отрицательной, что показано пунктирной линией. Режим реального времени объединяет практически все системы, в которых компьютер используется в кон- туре управления.
Рис. 25. Зависимость стоимостирешенияотвременивсистемахреальноговремени
С
t р ≤ t рдоп
t рдоп |
t |
Специфические особенности режима реального времени требуют наиболее слож- ных операционных систем. Именно на базе этого режима строятся так называемые диало- говые системы, обеспечивающие многопользовательский режим: одновременную работу нескольких пользователей с ЭВМ. Диалоговые системы могут иметь различное содержа- ние: системы, обслуживающие наборы данных; системы разработки документов, про- грамм, схем, чертежей; системы выполнения программ в комплексе «человек-машина» и др. Диалоговый режим обслуживания предполагает использование дисплеев – устройств оперативного взаимодействия с ЭВМ. Они получили широкое распространение в раз- личных информационных и автоматизированных системах управления.
Многозадачный и многопоточный режимы Windows. Начиная с Windows NT, все по-
следующие версии поддерживают так называемые многозадачные и многопоточные ре- жимы работы.
Многозадачный режим предполагает, что каждый из процессов (отдельных запу- щенных программ), активизированных в среде Windows, требует определенных ресур- сов. В ранних версиях Windows многозадачность называлась кооперативной (Cooperative), или невытесняющей. Этот режим практически полностью соответствовал режи- му косвенного доступа, то есть работа очередной программы монополизировала ресурсы системы и не прерывалась до ее окончания. При этом возникали случаи, когда отказ (за- висание) одного из процессов парализовывал всю систему.
Версии Windows 2000 и старше поддерживают подлинную вытесняющую (Preemptive) многозадачность, что предполагает при необходимости перераспределение ресурсов (вытеснение), квантование времени при круговом циклическом обслуживании и управ- ление выполнением задач с учетом их приоритетов. Взаимодействие активных задач воз- можно только через операционную среду с целью исключения взаимных помех.
124
Программное обеспечение
Каждой активной задаче (DOS- или Windows-приложению) предоставляется так на- зываемая виртуальная машина – собственная операционная система с возможностью ее конфигурирования и настройки. Отметим, что DOS-приложения способны обращаться к ресурсам ПК напрямую, и это может быть источником конфликтов в обеспечении защиты.
Базовые варианты Windows Server и Data Center поддерживают, кроме того, много- процессорность и многопоточность, то есть позволяют распределять задачи между процес- сорами сервера (до 32 процессоров). Здесь предполагается симметричная многопроцес- сорная структура сервера, в которой все процессоры идентичны, равноправны и способны решать любые задачи. Например, в Windows 2000 можно реализовывать многопоточный режим обработки программ. Каждая независимая программа или ее отдельная параллель- ная ветвь – это отдельный поток или «нить». Аппаратная поддержка параллелизма позво- ляет сосредотачивать ресурсы компьютеров на выполнении наиболее приоритетных зада- ний и одновременно обслуживать сервером многочисленных пользователей.
Тест
1.Программное обеспечение компьютера предназначается для:
а) управления аппаратными средствами; б) реализации посреднических функций между пользователем и аппаратурой; в) выполнения вспомогательных функций.
2.Цель создания и внедрения пакета Microsoft Office – это:
а) управление программами приложений; б) унификация среды разработки приложений;
в) интеграция разнотипных приложений для комплексной обработки данных.
3. Принцип модульности программного обеспечения:
а) уменьшает трудоемкость разработки новых программ; б) упрощает разработку программных средств и обеспечивает способность систем к совершенствованию;
в) облегчает процесс освоения и применения новых программ.
4.Режим непосредственного доступа к ресурсам компьютера обеспечивает:
а) большую скорость вычислений; б) монополизацию пользователем всех ресурсов компьютера; в) удобства работы пользователя.
5.Основным критерием многопрограммной пакетной обработки является:
а) максимальная загрузка процессора; б) удобства работы пользователя;
в) скорость решения заданий всего пакета.
6.Режим разделения времени обеспечивает:
а) сокращение времени решения задач пользователей; б) разделение выполнения отдельных программ во времени;
в) обеспечение более высокого приоритета задачам пользователя.
125
Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы
7. Пакеты прикладных программ предназначаются для:
а) автоматизации специфических процессов обработки данных; б) управления вычислительным процессом; в) управления вспомогательными программами.
8. Файлы autoexec.bat и config.sys предназначаются для:
а) внесения в память компьютера необходимых установок; б) настройки компьютера на конкретный режим работы; в) управления периферийными устройствами компьютера.
9.Операционные системы предназначаются для управления:
а) операциями компьютера; б) техническими и программными средствами компьютера;
в) вычислительным процессом путем учета и распределения ресурсов.
10.«Кажущаяся многопрограммность» возникает, когда:
а) в памятикомпьютера находитсянесколько готовых программ, подлежащих обработке; б) указаниями пользователя задается последовательность обработки нескольких про- грамм; в) процессор сканирует (переключается с одной программы на другую), создавая ил-
люзию параллельной обработки.
126
Программное обеспечение
Тренировочные задания к разделу 3
1. Создать новый каталог, в нем создать текстовый файл, последнему соз- дать копию и убедиться в тождественности оригинала и копии, используя:
a)команды DOS;
b)средства пакета Norton Commander, Far Manager или Windows Commander;
c)средства операционной среды Windows.
2.Подготовить дискету к работе, отформатировав ее на стандартный фор- мат средствами:
a) DOS;
b) пакета Norton Commander, Far Manager или Windows Commander, с) OC Windows
3.Ознакомиться с особенностями конфигурации компьютера, используя:
а) команды DOS и утилиту sysinfo.com;
b)средства пакета Norton Commander, Far Manager или Windows Commander (системная информация);
c)средства операционной среды Windows.
4. Дан пакет из трех задач, требующих для своего решения соответственно 1,4 и 8 единиц машинного времени. Построить временные диаграммы и оце- нить варианты решения задач пакета:
a)в порядке возрастания времен решения задач;
b)в порядке убывания времен решения задач.
Для каждого варианта найти средние времена ожидания в очереди и полу- чения решения. Объяснить различие результатов и предпочтительность вы- бора первого варианта.
127
Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы
ТЕМА 4.
Характеристика компьютерных сетей
4.1. Основные сведения о компьютерных сетях (КС)
Компьютерная сеть (или: телекоммуникационная вычислительная сеть – ТВС) представляет собой сеть обмена и распределенной обработки инфор- мации, образуемая множеством взаимосвязанных абонентских систем и сред- ствами связи; средства передачи и обработки информации ориентированы в
Определение ней на коллективное использование общесетевых ресурсов – информацион- ных, программных, аппаратных.
Абонентская система (АС)– совокупность абонента (объекта, генерирующего и потребляющего информацию) и рабочий станции (РС).
Рабочая станция (РС) – система оборудования конечного пользователя сети, включающая сетевой компьютер вместе с периферийными средствами ввода- вывода и программным обеспечением, средства связи с коммуникационной подсетью компьютерной сети, выполняющие прикладные процессы.
Коммуникационная подсеть (или: телекоммуникационная система – ТКС) – это совокупность физической среды передачи информации, аппаратных и программных средств, обеспечивающих взаимодействие АС.
Прикладной процесс – это различные процедуры ввода, хранения, обработ- ки и выдачи информации, выполняемые в интересах пользователей и описы- ваемые прикладными программами.
Компьютерные сети могут работать в различных режимах: обмена данными ме- жду АС, запроса и выдачи информации, сбора информации, пакетной обработки дан- ных по запросам пользователей с удаленных терминалов, в диалоговых режимах. Таким образом, с появлением КС разрешены две очень важные проблемы: обеспечение в принципе неограниченного доступа к ЭВМ пользователей независимо от территори- ального расположения и возможность оперативного перемещения больших массивов информации на любые расстояния, позволяющая своевременно получать данные для принятия тех или иных решений.
Возможности той или иной КС определяются ее информационным, аппаратным и программным обеспечением.
128
Характеристика компьютерных сетей
Информационное обеспечение сети представляет собой единый информа- ционный фонд, ориентированный на решаемые в сети задачи и содержащий базы данных общего применения, доступные для всех пользователей сети, базы данных индивидуального пользования, предназначенные для отдель-
Определение ных абонентов, базы знаний общего и индивидуального применения, авто- матизированные базы данных – локальные и распределенные, общего и ин- дивидуального назначения.
Аппаратное обеспечение составляют компьютеры различных типов, оборудо- вание абонентских систем, средства территориальных систем связи (в том числе узлов связи), аппаратура связи и согласования работы сетей одного и того же уровня или различных уровней. Используемые в сетях компьютеры обычно универсального типа, обладающие возможностью выполнения практически не- ограниченного круга задач пользователей. Для повышения вычислительной мощности сети к ней могут подключаться вычислительные центры или центры обработки информации, к которым пользователи могут обращаться с запроса- ми со своих абонентских систем или других рабочих мест. Такие центры снаб- жаются компьютерами в широком диапазоне по своим характеристикам: от персональных компьютеров досуперЭВМ.
Программное обеспечение (ПО) сетей отличается большим многообразием как по своему составу, так и по перечню решаемых задач. В общем виде функции ПО сети заключаются в следующем: планирование, организация и осуществление коллективного доступа пользователей к общесетевым ресур- сам – телекоммуникационным, вычислительным, информационным, про- граммным; автоматизация процессов программирования задач обработки информации; динамическое распределение и перераспределение общесете- вых ресурсов с целью повышения оперативности и надежности удовлетворе- ния запросов пользователей и т. д.
В составе ПО сетей выделяются такие группы:
•общесетевое ПО в качестве основных элементов включает распределенную опера- ционную систему (РОС) сети и комплект программ технического обслуживания (КПТО) всей сети и ее отдельных звеньев и подсистем, включая ТКС;
•специальное ПО, куда входят прикладные программные средства: интегрированные и функциональные пакеты прикладных программ (ППП) общего назначения, прикладные программы сети (ППС), библиотеки стандартных программ, а также прикладные программы специального назначения, отражающие специфику предметной области пользователей при реализации своих задач;
•базовое программное обеспечение компьютеров абонентских систем, включающее операционные системы ПК, системы автоматизации программирования, контро- лирующие и диагностические тест-программы.
Важнейшие функции в сети выполняет распределенная операционная сис- 
тема: она управляет работой сети во всех ее режимах, обеспечивает опера- тивное и надежное удовлетворение запросов пользователей, динамическое распределение общесетевых ресурсов, координацию функционирования Определение звеньев сети. РОС имеет иерархическую структуру, соответствующую стан-
129
Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы
дартной семиуровневой модели взаимодействия открытых систем (ВОС). Она представляет собой систему программных средств, реализующих процессы взаимодействия АС и объединенных общей архитектурой и коммуникаци- онными протоколами. РОС обеспечивает взаимодействие асинхронных па-
Определение раллельных процессов в сети, сопровождаемое применением средств переда- чи сообщений между одновременно реализуемыми процессами и средств синхронизации этих процессов.
Всоставе РОС сети имеется набор расположенных по функциональным уровням модели ВОС управляющих и обслуживающих программ, главные функции которых со- стоят в следующем:
•распределение общесетевых ресурсов с целью удовлетворения запросов пользовате- лей, т. е. обеспечение доступа отдельных прикладных программ к этим ресурсам;
•обеспечение межпрограммных методов доступа, т. е. организация связи между от- дельными прикладными программами комплекса пользовательских программ, реализуемыми в различных АС сети;
•синхронизация работы пользовательских программ при их одновременном обра- щении к одному и тому же общесетевому ресурсу;
•удаленный ввод заданий с любой АС сети и их выполнение в любой другой АС се- ти в оперативном или пакетном режиме;
•передача текстовых сообщений пользователям в порядке реализации функций службы электронной почты, телеконференций, электронных досок объявлений, дистанционного обучения;
•обмен файлами между АС сети, доступ к файлам, хранимым в удаленных компь- ютерах, и их обработка;
•защита информации и ресурсов сети от несанкционированного доступа, т. е. реа- лизация функций служб безопасности сети;
•выдача справок, характеризующих состояние сети и использование ее ресурсов;
•планирование использования общесетевых ресурсов.
Врамках планирования использования общесетевых ресурсов осуществляется: планирование сроков и очередности получения и выдачи информации пользователям, распределение решаемых задач по компьютерам сети, распределение информационных ресурсов для этих задач, присвоение приоритетов задачам и выходным сообщениям, формирование и рассасывание очередей запросов пользователей с учетом или без учета приоритетов этих запросов, изменение конфигурации сети и т. д. При этом используются современные методы планирования. Кроме того, различают статическое планирование, которое осуществляется заранее, до начала решения поступившей в сеть к данному вре- мени группы задач, и динамическое планирование, выполняемое в процессе функцио- нирования сети непосредственно перед началом решения группы задач, причем с посту- плением каждой новой задачи составленный план корректируется с учетом складываю- щейся ситуации по свободным и занятым ресурсам сети, наличию очередей задач и т. д. Основным показателем эффективности организации вычислительного процесса в сети, планирования общесетевых ресурсов является время решения комплекса задач.
Оперативное управление процессами удовлетворения запросов пользователей и обработки информации с помощью РОС сети позволяет организовать учет выполнения запросов и заданий, выдачу справок об их прохождении в сети, сбор данных о выполняе- мых в сети работах.
130