Принципы работы вычислительной системы.

Для успешного решения задачи в вычислительной системе необходимо иметь:

1. программу, реализующую алгоритм решения задачи
2. аппаратные средства, которые необходимы вычислительной системе для выполнения, получения результатов
3. дополнительные программные средства.

Существует 3 вида СОД, отличающихся друг от друга требованиями к скорости получения результатов.

• Системы реального времени – требования к скорости обработки очень высокие.
• Системы оперативной обработки – системы, в которых планирование заданий на обработку осуществляется исходя из требования минимальности времени каждого задания.
• Системы пакетной обработки – в которых основных требованием является минимизация простоя оборудования при решении поставленных задач.

Запуск прикладной программы в работу, предоставление ей необходимых аппаратных мощностей и программных средств осуществляется ОС. Порядок предоставления прикладной программе перечисленных средств определяется режимом обработки, реализованных в ОС. Различают однопрограммные и мультипрограммные режимы. К однопрограммным режимам относятся режим непосредственного доступа, пакетный однопрограммный режим. Мультипрограммными режимами являются пакетный мультипрограммный режим и режим разделения времени. Режимы непосредственного доступа (РНД) применялся в ЭВМ первого поколения и широко применяется в современных ПК. Режим характерен тем, что права предоставляются только одному пользователю, который взаимодействует с ЭВМ посредством пульта управления. Время решения каждой задачи в РНД складывается из времени ввода программы и данных, времени работы процессора, времени обмена данными с внешними устройствами, времени обслуживания ЭВМ, которое осуществляется неким оператором. В РНД наличие ОС не обязательно. Недостатками являются: аппаратура и программы используются не эффективно; велики затраты времени программиста на управление машиной; предъявляются высокие требования к подготовке пользователя как оператора.

Пакетный однопрограммный режим – обычно применялся в ЭВМ второго поколения, несколько заданий для решения задач собирались в один пакет, оператор ЭВМ пакет заданий вводил в ЭВМ, затем ОС последовательно считывала конкретные задания, входящие в пакет и осуществляла выполнение необходимых в соответствии с заданием действий, после завершения очередного задания ОС активизировала выполнения следующего. После завершения последнего пакета оператор ЭВМ загружал в машину новый пакет. Этот режим обладал следующими положительными чертами: более высокая пропускная способность, отсутствие специальных требований к аппаратуре, возможность реализации этого режима на любую ЭВМ. К недостаткам этого режима относятся: необходимость наличия ОС, пользователь физически отделен от ЭВМ и решаемой ей задачи, увеличивается реакция пользователя на полученные результаты решения, последовательный порядок выполнения заданий пакета не позволяет увеличить загрузку оборудования.

Пакетный мультипрограммный режим применялся в третьем поколении. При этом режиме в системе находятся в обработке несколько заданий. После ввода первого задания ОС начинает его обрабатывать. Задания, принадлежащие одному пакету, выполняются последовательно, а разным – параллельно. Этот режим обеспечивает наивысшую пропускную способность, что достигается при наличии в ЭВМ следующих аппаратных средств: автономно управляемые внешние устройства, развитая система прерываний, средства защиты памяти от взаимного влияния программ. Основной недостаток является практически полное устранение пользователя из системы, отсутствие связи с задачей.

Режим разделения времени – в настоящее время является основным режим функционирования ОС. Главное в нем – это предоставление каждой задаче или пользователю, работающему в диалоге, ресурсов ЭВМ на некоторый ограниченный интервал времени, который называется квант. По истечении кванта данная программа свертывается ОС, развертывается следующая или подключается следующий терминал. Порядок обслуживания заданий в системах с мультипрограммированием определяется принятыми в них режимами обслуживания и дисциплинами обслуживания. Режимом обслуживания называется правило отбора заявок на обслуживание, дисциплиной называется правило отбора при заданном режиме. Режимы обслуживания делятся на три вида: режим одиночного отбора заявок, режим группового отбора, когда на обслуживание отбирается вся очередь заявок; смешанный режим отбора, когда для одних классов производится одиночных, а для других – групповой. Для каждого режима может быть применен один из следующих видов дисциплин: бесприоритетное обслуживание, обслуживание с приоритетами, обслуживание по расписанию. Разновидности дисциплины бесприоритетного обслуживания: обслуживание в порядке поступления (первым пришел – первым обслужен), обслуживание в обратном порядке, обслуживание в случайном порядке. При бесприоритном обслуживании считается, что все заявки имеют равное право на обслуживание. Если требуется, чтобы заявки некоторого типа имели преимущество перед другими на их обслуживание ОС, то применяется дисциплина с приоритетами: дисциплина с относительными приоритетами – приоритет заявки влияет только на её место в очереди заявок; дисциплина с абсолютными приоритетами – высокоприоритетная заявка получает преимущество не только в очереди, но и перед заявками, получающими обслуживание; дисциплина со смешанными приоритетами – к одним группам применяются относительные, к другим абсолютные приоритеты, дисциплины обслуживания с динамическими приоритетами – приоритет изменяется по мере их нахождения в очереди, обслуживаются заявки, долго находящиеся в системе. Дисциплина обслуживания по расписанию обеспечивает заданный пользователем порядок обработки заданий независимо от очередности поступления в систему, она применяется в тех случаях, когда результаты решения одной являются входными данными для другой.

Оперативная обработка. Запросно-ответная система забирает больше времени, чем диалоговая. Используется в системах управления, когда управление задано фиксированным числом задач, каждая из которых реализуется периодически или при возникновении ситуаций. Темп и время получения результатов жестко регламентируется.

Высокая готовность – это конструкции с высоким коэффициентом готовности для минимизации планового и внепланового простоя при использовании обыкновенной компьютерной технологии, конфигурация системы обеспечивает её быстрое восстановление после обнаружения неисправностей, для чего в ряде мест используются избыточные аппаратные и программные средства. Длительность задержки, в течение которой программа, отдельный компонент или система простаивает, может находиться в диапазоне от нескольких секунд до нескольких часов. Обычно системы высокой готовности хорошо масштабируются, предлагая пользователям большую гибкость.

Устойчивость к отказам. Отказоустойчивые системы имеют избыточную аппаратуру для всех блоков, то есть всегда имеется т.н. горячий резерв.

Непрерывная готовность – вершина отказоустойчивых систем. Продукт с непрерывной готовностью устраняет любое время простоя, как плановое, так и неплановое. Разработка такой системы охватывает как аппаратные средства, так и ПО. Главное, чтобы проводимая модернизация и обслуживание проходили в режиме реального времени. В данном случае время восстановления не превышает 1 секунды.

Устойчивость к стихийным бедствиям рассматривается в контексте систем высокой готовности. Смысл этого термина означает возможность рестарта или продолжение операций на другой площадке, если основное положение оказывается в нерабочем состоянии. В более сложных случаях устойчивость может означать полное (зеркальное) дублирование систем вне основного местоположения, позволяющее принять работу немедленно после отказа на основной площадке. Минимизация требует своей стратегии. Плановое время простоя обычно включает время, принятое руководством для проведения работ по модернизации системы и для её обслуживания. Наибольшим виновником планового времени простоя является резервное копирование данных. Некоторые конфигурации дисковых подсистем высокой готовности позволяют производить резервное копирование данных в режиме реального времени. Следующий источник снижения планового времени является организация работ по обновлению ПО. Неплановое время снижается за счет использования надежных частей, резервных магистралей или избыточного оборудования. Общая стоимость складывается из 3 частей: начальная стоимость, издержки планирования и организации, системные расходы. Для реализации системы высокой готовности необходимо купить её, включающую один или несколько процессоров, ПО, дополнительное дисковое пространство. Чтобы реализовать конфигурацию системы высокой готовности требуется достаточно большое предварительное планирование, например, чтобы иметь возможность переброски критичного приложения в случае отказа одного процессора на другой, проанализировать отказы и составить план восстановления. Накладные расходы системы связаны с необходимостью поддержки сложных программных продуктов. Для того, чтобы снизить стоимость следует тщательно отслеживать необходимый уровень готовности, то есть осуществлять выбор между её достоинствами. Вкладывать деньги необходимо в обеспечение безопасности наиболее критичных приложений и данных.

Допустимый интервал времени на получение результатов.

Мощность алфавитов.

Потребность ввода/вывода.

Класс научно-технических задач характеризуется сложными алгоритмами, требующими большого числа вычислений и высокой точности. При этом объемы входной и выходной информации не очень велики. Основной способ представления результатов – текстовый или графический.

Класс задач информационного и статистического характера – простые алгоритмы, но большие объемы входной/выходной информации. Значение информации имеет различную длину. Время решения задачи и ответа ЭВМ мало по сравнению со временем формирования самого запроса.

Величина интервала времени запаздывания принимается такой, чтобы результат не смог существенно изменится. Его длина соизмерима с временем самого процесса. T_запазд=T_измер+T_вс+T_y,

T_вс=T_гот+T_вв+1/V(Σn_i+K_ay)+T_выв

Путь уменьшения времени задержки связан с алгоритмами обработки данных и производительностью всей системы. Таким образом, ЭВМ, предназначенная для научных расчетов должны иметь развитую систему команд, высокую производительность и невысокую скорость работы устройств ввода/вывода. Для обработки данных - запоминающие устройства большой емкости с малым временем обращения к памяти, высокоскоростные устройства ввода/вывода. Для управления – высокие показатели по производительности, высокую надежность, малые габариты, АЦП и ЦАП.

Архитектура СОД – это совокупность характеристик и параметров, определяющих функционально-логическую и структурную организации системы. Понятие архитектуры охватывает комплекс вопросов построения и существенно для пользователя, интересующегося возможностями и свойствами, а не деталями её технического исполнения. Архитектура с латыни означает строитель, строительство. Под архитектурой изучаемых объектов понимается совокупность их свойств и характеристик, рассматриваемых с различных точек зрения. Для пользователя системы важными являются такие характеристики как надежность, производительность на конкретном классе, системы программирования, объемы доступной памяти, способы доступа к системе. С точки зрения персонала обслуживающегося систему важны свойства: мониторинг – средства управления, наблюдения и тестирования; надежность. С точки зрения конструктора наиболее важными являются способы построения. Эти способы должны удовлетворять требованиям заказчика.

Архитектура системы включает в себя 3 вида взаимосвязанных структур: физическое, логическое и программное строение.

В аналоговых системах переменные представлены физическими непрерывными величинами (напр, электрическое напряжение). Они строятся при условии, что два процесса описывается одним и тем же типом уравнений на принципе аналогового подобия.

В цифровых комплексах оперируют величинами в цифровой форме. Гибридные объединяют оба типа.

Вычислительные комплексы.

T = t_n(время постановки задачи)+t_m(время разработки метода и алгоритма)+t_пр(время программирования)+t_отл(время отладки)+t_cч(время счета).