1.2. Состав и функционирование

Системы обработки данных строятся из технических и программных средств, существенно различающихся по своей природе. Поэтому СОД принято рассматривать как совокупность двух составляющих: технических средств и программного обеспечения. Функционирование СОД определяется взаимодействием программных и технических средств, в результате чего свойства системы проявляются как совокупные свойства технических и программных средств.

Технические средства. Основу СОД составляют технические средства – оборудование, предназначенное для ввода, хранения, преобразования и вывода данных. Состав технических средств определяется структурой (конфигурацией) СОД, т. е. тем, из каких частей (элементов) состоит система и каким образом эти части связаны между собой. Математическая форма представления структуры – граф, вершины которого соответствуют элементам системы, а ребра (дуги) – связи между элементами. Инженерная форма представления структуры – схема. Таким образом, схема и граф тождественны по содержанию и различны по форме. В схеме для изображения элементов используются различные геометрические фигуры, а для изображения связей – линии многих типов. За счет этого схема приобретает большую по сравнению с графом наглядность. Основные элементы структуры СОД – устройства: процессоры, устройства запоминающие ввода – вывода, сопряжения с объектами и др. Устройства, связываются с помощью интерфейсов, включающих в себя совокупность линий или каналов передачи данных (линий связи).

 Пример структуры, представленной на уровне устройств, приведен на рис. 1.8. В состав рассматриваемого комплекса входят две ЭВМ, каждая из которых снабжена тремя каналами ввода – вывода МКО, СК1 и СК2, двумя накопителями на магнитных дисках НМД1 и НМД2 и дисплеями Д1 и Д2, подключенными через контроллер КД к мультиплексному каналу МКО. Машины связаны с общим для них набором внешних запоминающих устройств – накопителями на магнитных дисках НМДЗ и НМД4 и магнитных лентах НМЛ1 – НМЛ4, которые подключены к селекторным каналам СК2 через соответствующие контроллеры КНМД и КНМЛ. К ЭВМ подключены мультиплексоры передачи данных МПД1 и МПД2, каждый из которых обслуживает четыре какала связи КС1 – КС4 и КС5 – КС8. На рисунке линиями представлены следующие интерфейсы: интерфейс прямого управления, сопрягающий процессоры ЭВМ1 и ЭВМ2; интерфейсы оперативной памяти, связывающее оперативную память с процессором и каналами ввода – вывода МК0, СК1 в СК2; интерфейсы ввода – вывода, связывающие каналы ввода – вывода с контроллерами запоминающих устройств и устройств ввода – вывода; малые интерфейсы, посредством которых накопители и устройства ввода – вывода подключаются к соответствующим контроллерам.

 Структура сложных систем при представлении ее на уровне устройств может оказаться настолько сложной, что теряет обозримость и выходит за рамки возможностей методов исследования, используемых при анализе и синтезе систем. В таких случаях структура описывается на более высоком уровне, когда в качестве элементов выступают ЭВМ, многопроцессорные комплексы и сложные подсистемы, которые изображаются одной вершиной графа. Таким образом, элемент структуры СОД – это прежде всего удобное понятие, но не физическое свойство объекта. Главное требование к изображению структуры – информативность.

Структура СОД дает общее представление о составе технических средств и связей между ними. Дополнительные сведения о технических средствах даются в форме спецификации, где для каждого элемента структуры и каждого типа связей между элементами указывается: наименование элемента, приведенное на структурной схеме; тип устройства, соответствующего элементу структурной схемы; технические характеристики устройства или средства связи (производительность, емкость памяти, пропускная способность).

Рис. 1.8. Двухмашинный вычислительный комплекс. и – процессор; ОП –оперативная память; МК – мультиплексный -канал; КНМД – контроллер НМД; КНМЛ – контроллер НМЛ; КД – контроллер дисплеев; МПД – мультиплексор передачи данных; КС – канал связи; Д – дисплей

В связи с процессами обработки данных технические средства рассматриваются как совокупность ресурсов двух типов: устройств и памяти. Устройство – ресурс, используемый для преобразования и ввода – вывода данных, разделяемый между процессами (задачами) во времени. Примеры устройств – процессоры, каналы ввода – вывода, периферийные устройства (ввода – вывода и внешние запоминающие) и каналы передачи данных. В каждый момент времени устройство используется одним процессом, реализуя соответствующие операции: преобразование или ввод – вывод данных. Основная характеристика устройства – производительность, определяемая числом операций, выполняемых в секунду, или пропускная способности определяемая количеством единиц информации (байтов), передаваемых в секунду. Память – ресурс, используемый для хранения данных и разделяемый между процессами по объему к времени. Примеры – оперативная память и накопители на магнитных дисках. Основная характеристика памяти – емкость, определяемая предельным количеством информации, размещаемой в памяти. В одной памяти одновременно могут размещаться данные, относящиеся к нескольким процессам. Накопитель на магнитных дисках содержит два ресурса, являясь одновременно памятью определенной емкости и устройством, обслуживающим операции ввода – вывода данных.

Таким образом, состав технических средств определяет номенклатуру ресурсов, используемых для хранения, ввода – вывода и преобразования данных. Конфигурация связей между устройствами определяет пути передачи данных в системе и порядок доступа процессов к устройствам и данным, хранимым в памяти.

Программное обеспечение. Технические средства СОД реализуют элементарные операции вводе – выводе и обработки данных. Требуемый набор функций, определяемых назначением СОД, обеспечивается совокупностью программ – программным обеспечении СОД.

Программное обеспечение СОД строится по многоуровневому, иерархическому, принципу. Основные процессы обработки данных описываются в терминах операций над математическими и логическими элементами данных, вводимых проблемно и процедурно-ориентированными языками программирования. Эти операции с помощью программных средств более низких уровней интерпретируются как более простые операции, в конце концов, сводятся к операциям, реализуемым техническими средствами СОД.

Рис. 1.9. Многоуровневая организация СОД

Пример многоуровневой реализации функций в СОД приведен на рис. 1.9. Технические средства СОД обеспечивают реализацию элементарных функций – операций ввода, хранения, преобразования и вывода данных, которые выполняются с помощью схем и средств микропрограммного управления. Функции, реализуемые техническими средствами, относятся к первому, низшему, уровню иерархии. Функции более высоких уровней сложности обеспечиваются программным обеспечением СОД, включающим в себя операционную систему и прикладное программное обеспечение.

Операционная система (ОС) – совокупность программ, предназначенных для управления работой СОД и реализации наиболее массовых процедур взаимодействия с пользователями, ввода – вывода, хранения и преобразования данных. Управление работой СОД сводится к управлению процессами и ресурсами, обеспечивающему эффективное использование оборудования СОД я требуемое качество обслуживания пользователей. Функции управления работой СОД реализуются управляющими программами ОС, включающими в свой состав супервизор, программы управления заданиями и данными. Супервизор контролирует состояние всех технических средств и процессов (задач) и управляет ими, обеспечивая необходимый режим обработки данных, путем распределения процессов в пространстве и времени. Супервизор выделяет задачам области (разделы) памяти и устройства ввода – вывода, инициирует выполнение процессором программы, начинает операции ввода – вывода и обрабатывает сигналы прерывания, отмечающие окончание операций ввода – вывода и особые ситуации, возникающие при выполнении программ и работе устройств.

Программы управления заданиями обеспечивают ввод и интерпретацию команд операторов, управляющих работой СОД, и заданий, формируешь пользователями СОД. Операторы с помощью специальных команд воздействуют на порядок функционирования и получают информацию о текущем состоянии СОД. Эти программы интерпретируют задания в виде соответствующих действий и обеспечивают их необходимыми ресурсами – разделами оперативной и внешней памяти, устройствами ввода – вывода, наборами данных и др. Задания, обеспеченные ресурсами, необходимыми для их выполнения, образуют задачи. Управление задачами реализуется супервизором. Для обращения к программам управления заданиями применяется язык управления заданиями, в терминах которого пользователи и операторы, управляющие работой системы, записывают задания на выполнение работ в системе.

Программы управления данными обеспечивают доступ к наборам данных и организацию работы устройств ввода – вывода. Средства управления данными настраивают программы на работу с конкретными наборами данных и устройствами, в которых хранятся наборы, и за счет этого создают возможность при программировании задач манипулировать с данными как с логическими объектами, не связанными с конкретными устройствами. Таким образом, управление данными сводится к сопряжению программ с наборами данных и устройствами, а использование этих устройств контролируется и координируется супервизором. Функции, реализуемые управляющими программами ОС, относятся ко второму и третьему уровню функций системы (см. рис. 1.9).

Функции ОС расширяются за счёт средств системного программного обеспечения – программных средств телеобработки, управления базами данных, сетевой обработки и др. Системное программное обеспечение является основой для построения прикладного программного обеспечения и предоставляет пользователю средства, необходимые для работы со специальными устройствами (например, с аппаратурой передачи данных и удаленными терминалами) или для специальной обработки данных. Функции, реализуемые средствами системного программного обеспечения, относятся к четвертому уровню иерархия.

К пятому уровню относятся функции, выполняемые системными обрабатывающими программами ОС. Эти программы включают в себя: трансляторы с языков программирования: редакторы связей, обеспечивающие сборку программных модулей в программы с заданной структурой; средства отладки программ и перемещения наборов данных с одних носителей на другие и т. д. Функции, обеспечиваемые трансляторами; представляются в виде языков программирования: машинно-, процедурно- и проблемно-ориентированных языков, языков генерация программ ввода – вывода и др.

Прикладное программное обеспечение – совокупность прикладных программ, реализующих функции обработки данных связанные с конкретной областью применения системы. В системах автоматизации проектирования радиоэлектронной аппаратуры прикладные программы обеспечивают анализ электронных схем, размещение электронных элементов по конструктивным единицам, разводку соединений на печатных платах и т. д.: в автоматизированных системах управления производством – календарное и оперативное планирование производства на предприятии и а низовых производственных подразделениях, учет и анализ производственной деятельности и т. д. Состав прикладных программ определяется назначением системы.

К программным средствам СОД примыкают наборы данных, рассматриваемых как особая составляющая – информационное обеспечение СОД. Наборы данных – совокупность логически связанных элементов данных, организованных по определенным правилам и снабженных описанием, доступным системе программирования (средствам управления данными). Наборы данных снабжаются именами, с помощью которых программы обращаются к соответствующим наборам и их элементам. Одни и те же наборы данных могут использоваться многими прикладными программами. Чтобы исключить необходимость представления одних и тех же данных в различной форме, вариантах и сочетаниях, ориентированных на разные программы, необходимо обеспечить независимость данных и программ. Это достигается за счет организации данных в виде специальных структур – баз и банков данных, а также использования совокупности программных средств, предназначенных для выборки, модификации в добавления данных, – системы управления базами данных. Организация данных в форме баз обеспечивает независимость прикладных программ от логической и физической организации базы данных, в результате чего изменения в программах не влекут за собой изменения базы и реорганизацию базы данных, не требует внесения изменений в программы, оперирующие с данными.

Функционирование СОД. Функционирование СОД представляется в виде процессов. Процесс^[1] – это динамический объект, реализующий целенаправленный акт обработки данных. Процессы разделяются на прикладные и системные. Прикладные процессы реализуют основные функции СОД, заданные прикладными программами или обрабатывающими программами ОС, а инициируются заданиями пользователей или сигналами, поступающими в СОД из внешней среды. Примеры прикладных процессов: решение прикладной задачи; редактирование, трансляция и сборка программы; сортировка набора данных в др. Системные процессы реализуют вспомогательные функции, обеспечивающие работу СОД. Примеры системных процессов: системный ввод; системный вывод; перемещение страниц, а виртуальной памяти; работа супервизора и др. Как правило, системные процессы существуют в течение всего периода работы СОД – от момента включения до момента выключения СОД.

Рис. 1.10. Временная диаграмма вычислительного процесса

Процесс Р_i описывается тройкой , где t_i – момент инициирования процесса, А_i – атрибуты процесса, определяющие имена источника, инициировавшего процесс, пользователя, задания, режим обработки данных, приоритет процесса и др., и T_i-– трасса процесса. Трасса процесса – последовательность событий, связанных с изменением состояния процесса. Трасса процесса представляется в виде упорядоченного множества событий , имевших место в моменты времени , причем . К событиям относятся моменты ввода задания, начала и завершения обработки шагов (пунктов) задания, начала и окончания выполнения процессов в устройствах СОД, начала использования и освобождения разделов памяти, предоставляемых процессу в запоминающих устройствах, и др. Каждое событие связывается с моментом его возникновения, программой, реализующей процесс, и ресурсом, обслуживающим процесс. Таким образом, трасса характеризует динамику процесса – развитие процесса во времени и пространстве. Трасса может быть представлена ввиде временной диаграммы, на рис. 1.10 изображающей выполнение программы процессором и внешним устройством. Отрезки, выделенные на осях жирными линиями, соответствуют периодам, когда процессор и внешнее устройство заняты выполнением программы. Дугами обозначены интервалы времени, в течение которых процесс находится в состоянии ожидания, т. е. не обслуживается ни одним устройством, ожидая момента освобождения устройства.

Таким образом, функционирование СОД выражается в форме процессов выполнения программ. Процесс выполнения программы связан с использованием ресурсов СОД, а также наборов данных и самих программ. Следовательно, характерной чертой процесса является его одновременная связь и с выполнением программ и с работой технических средств СОД.

Рабочая нагрузка. Процесс функционирования СОД существенно зависит от состава заданий, исходных данных и сигналов, поступающих на вход СОД. Весь объем поступающей информации принято называть рабочей нагрузкой СОД. При проектировании к эксплуатации СОД наибольший интерес представляет потребность заданий в ресурсах: оперативной и внешней памяти, процессорном времени, устройствах ввода – вывода и др. Поэтому рабочую нагрузку, относящуюся к промежутку времени Т, определяют в виде множества характеристик заданий.

,  (1.1)

где l_i – описание 1-го задания, устанавливающее его атрибуты А_i и потребность задания Θ_i1,..., Θ_iN в ресурсах 1,…,N. Например, значение Θ_i1 может определять емкость области оперативной памяти, необходимой заданию, Θ_i2 – число выполняемых процессором операций, Θ_i3 – количество вводимых данных и т. д.

Число заданий, обрабатываемых СОД за промежуток времени, дающий полное представление о рабочей нагрузке, обычно весьма велико. Поэтому описание рабочей нагрузки в виде (1.1) оказывается, как правило, громоздким. Для представления рабочей нагрузки в компактной форме потребность заданий в ресурсах характеризуется среднестатистическими значениями объема ресурсов, приходящимися на одно задание.

Рабочая нагрузка зависит от назначения (сферы применения) СОД и оказывается различной для систем, оперирующих с разными классами задач: инженерно-техническими, планово-экономическими, учетно-статистическими и др.