Информационные процессы обработки данных

Недостойно одаренному человеку тратить, подобно рабу, часы на вычисления, которые, безусловно, можно было бы доверить любому лицу, если бы при этом применить машину.

Г.В. Лейбниц

 

3.2.1. Автоматизированная обработка данных.
Централизованная и распределенная обработка данных

Автоматизированная обработка данных стала возможной лишь с появлением электронных вычислительных машин. Впервые к реализации идеи построения счетной машины для автоматической обработки данных человечество пришло в XIX веке. Так, в начале этого века английский инженер Чарльз Бэббидж выдвинул идею построения счетной машины с программным управлением. Машина Бэббиджа содержала основные функциональные блоки, присущие современному компьютеру: устройство хранения информации, в терминологии Бэббиджа – склад; устройство обработки данных – мельницу; устройство управления вычислительным процессом по заданной программе - контору. Однако практическая реализация этой идеи стала возможной лишь почти сто лет спустя, когда в 40-х годах ХХ века были разработаны и построены первые вычислительные машины. Человечество впервые в истории своего существования получило техническое устройство, способное обрабатывать данные без участия человека по алгоритмам, воплощенным в машинных программах.

Основу элементной базы первого поколения (1945-1955 гг.) электронных вычислительных машин (ЭВМ) составляли ламповые электронные устройства. ЭВМ этого поколения были немногочисленны, имели большие габариты, обладали по нынешним меркам "ну очень скромными" вычислительными возможностями в 10-20 тысяч операций в секунду. Проектирование, изготовление и эксплуатация таких систем осуществлялась одними и теми же коллективами специалистов, которые решали задачи в определенной, чаще всего инженерной или научной, области деятельности. Стоимость каждой такой вычислительной системы была очень высокой.

Программирование для машин первого поколения осуществлялось исключительно на машинном языке. Никакого программного обеспечения, кроме библиотек математических и служебных подпрограмм, не существовало. Все задачи организации и управления вычислительным процессом решались вручную с пульта управления. Технологии обработки данных в этот период, по существу, были индивидуальными и не носили массового характера.

С середины 50-х годов начался новый этап в развитии вычислительной техники, связанный с появлением новой технической базы - полупроводниковых элементов. Компьютеры второго поколения стали более производительными, надежными, они могли непрерывно работать настолько долго, чтобы на них можно было возложить выполнение действительно важных практических задач.

Количество выпускаемых компьютеров год от года росло, снижалась их стоимость, расширялась сфера применения. В эти годы появились первые алгоритмические языки, существенно повысившие эффективность процесса программирования – кодирования алгорит­мов обработки данных (программирования). Стоимость процессорного времени[52] по-прежнему оставалась достаточно высокой. В связи с этим велись работы по поиску методов, снижающих непроизводительные затраты времени между запусками различных программ. Появились первые системы пакетной обработки, автоматизирующие запуск одной программы за другой и, тем самым, увеличивающие коэффициент загрузки процессора.

Системы пакетной обработки явились прообразом современных операционных систем. Они стали первыми системными программами, предназначенными для управления вычислительным процессом. В ходе реализации систем пакетной обработки был разработан формализованный язык управления заданиями, с помощью которого программист сообщал системе и оператору, какую работу он хочет выполнить на вычислительной машине. Совокупность нескольких заданий, как правило, в виде колоды перфокарт, получила название пакета заданий. Для этих систем характерно то, что в оперативной памяти постоянно находится часть операционной системы, выполняющая функции пакетной обработки.

В этот же период были разработаны системы управления программами, выполняющимися в режиме реального времени. Режим реального времени – это такой режим работы вычислительной системы, при котором обработка данных об управляемых процессах проходит в том же темпе, что и сами процессы. Такие системы, в частности, используются при управлении техническими системами, например химическими и ядерными реакторами, технологическими процессами и др., управление которыми не может осуществляться медленнее, чем скорость протекающих в них процессов.

Третье поколение вычислительных машин (1965-1980 гг.) основывалось на интегральных электронных схемах с быстродействием порядка миллиона операций в секунду. Вычислительные системы этого поколения представляли собой семейства машин общего назначения, предназначенные для решения любых классов задач. ЭВМ третьего поколения значительно превосходили машины второго поколения по критерию "цена/производительность". Их парк был уже представлен широким спектром больших, средних и малых вычислительных систем с разнообразными техническими средствами, которые использовались как в области научных исследований, так и в коммерческой деятельности.

Характерной особенностью процессов обработки данных на ЭВМ третьего поколения явилась реализация поддержки мультипрограммирования – способа организации вычислительного процесса, при котором на одном процессоре попеременно выполнялись несколько программ. Пока одна программа выполняла операцию ввода-вывода, процессор не простаивал, как это происходило при последовательном выполнении программ (однопрограммный режим), а выполнял другую программу (многопрограммный режим). Другое нововведение – режим разделения времени, обеспечивающий многопользовательский режим работы вычислительной системы. В режиме разделения времени процессор выполняет несколько заданий, выделяя для каждого из них небольшой интервал (квант) процессорного времени (по аналогии шахматного гроссмейстера в сеансе одновременной игры). Обработав частично одно задание, процессор запоминает его текущее состояние и переходит к выполнению следующего и т.д. Учитывая, что "кванты", выделяемые процессам, очень малы, для пользователей создается впечатление одновременной обработки нескольких заданий.

Все поколения ЭВМ, включая третье, в силу своей высокой стоимости обеспечивали централизованную обработку данных, для которой характерно наличие одной, как правило, достаточно мощной ЭВМ, способной одновременно решать значительное количество задач различных пользователей. Пользователи получают доступ к такой ЭВМ с помощью подключенных к ней терминалов, состоящих из монитора и клавиатуры. Недостатками данной технологии обработки данных являются:

· централизация вычислительных мощностей в одном месте, затрудняющая их массовое использование;

· высокая стоимость приобретения и поддержания в рабочем состоянии;

· территориальная удаленность ЭВМ от мест возникновения первичных данных;

· более низкая эффективность обработки данных при более высоких материальных затратах.

С конца 1970-х – начала 1980-х гг. ведет свое начало эра персональных компьютеров. В эти годы произошло резкое возрастание степени интеграции и удешевление микросхем, появились большие интегральные схемы - микропроцессоры. С точки зрения архитектуры, персональные компьютеры ничем не отличались от класса миникомпьютеров, однако по стоимости стали доступными для отдельного человека. Эти принципиальные изменения сделали персональные компьютеры массовыми, мобильными, предопределили их широкое использование на всех уровнях управления, существенно изменили приоритеты в разработке технологий обработки данных – на первое место вышли простота использования, "дружественный" способ общения пользователя с системой, невысокая стоимость компьютера.

На смену централизованной обработке пришла новая технология – технология распределенной обработки данных, основанная на использовании компьютерных сетей. Эта технология является более естественной для человека, осуществляющего, как правило, обработку информации коллективно.

Распределенная обработка данных – обработка, выполняемая на независимых, но связанных между собой компьютерах, представляющих собой распределенную в пространстве систему. Распределенная обработка данных реализуется одним из следующих способов:

· с помощью многомашинных вычислительных комплексов;

· с использованием компьютерных вычислительных сетей.

Многомашинный вычислительный комплекс – это небольшая группа территориально близко расположенных вычислительных машин, объединенных с помощью специальных средств сопряжения и выполняющих совместно единый информационно-вычислительный процесс[53]. Многомашинные комплексы могут быть локальными или дистанционными. Локальные многомашинные комплексы представляют собой группу компьютеров, расположенных в одном помещении и не требующих специальных средств связи. Дистанционные комплексы содержат в своем составе компьютеры, территориально удаленные друг от друга и для передачи данных между ними используются специальные линии связи.

Компьютерная сеть представляет собой совокупность компьютеров, объединенных линиями (каналами) связи в единую систему с целью совместного использования ресурсов и реализации распределенной обработки данных. Под ресурсами в данном определении понимаются аппаратные, программные средства и данные.

Основные отличия компьютерной сети от многомашинного комплекса (ММК) в размерности комплекса и разделении функций между ЭВМ. В состав ММК входит обычно две-три ЭВМ, в то время как вычислительные сети включают в себя десятки, сотни, тысячи компьютеров, территориально удаленных на тысячи километров друг от друга. В ММК функции управления и обработки данных могут реализовываться в одной ЭВМ. В вычислительной сети эти функции распределяются между составляющими сеть компьютерами.

К достоинствам распределенной обработки данных относятся гибкая структура построения коллективной обработки данных; возможность размещения средств первичной обработки и накопления данных к месту их возникновения; высокая живучесть систем распределенной обработки данных; более низкая стоимость за счет совместного использования ресурсов (программных и технических средств).