|
Билет№1 Архитектурные решения организации
многопрограммного режима работы Многопрограммный режим работы ЭВМ позволяет одновременно обслуживать несколько
программ пользователей. Различные
формы многопрограммных (мультипрограммных) режимов работы различаются
в основном значимостью различного рода ресурсов и правилами
перехода от обслуживания одной программы пользователя к другой. Различают
следующие виды многопрограммной работы: классическое мультипрограммирование,
режим разделения времени, режим реального времени и целый ряд производных от
них. Режим классического мультипрограммирования, или
пакетной обработки, применительно к
однопроцессорным ЭВМ является основой для построения всех других видов
многопрограммной работы. Режим имеет целью обеспечить минимальное время
обработки пакета заданий и максимально загрузить процессор. Пакет заданий упорядочивается в соответствии с
приоритетами заданий, и обслуживание программ ведется в порядке очередности.
Обычно процессор обслуживает наиболее приоритетную программу. Как только ее
решение завершается, процессор переключается на следующую по приоритетности
программу. В этом режим во многом похож на режим косвенного доступа. В режиме
мультипрограммирования имеется существенное отличие. Если при обслуживании
наиболее приоритетной программы создается ситуация, что вычисления не могут
быть продолжены (например, требуется ввести дополнительные данные), то
прерывание обслуживания сопровождается передачей управления 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
рис. 9.6 при выполнении задания В.
Рис. 9.6.
Многопрограммный режим пакетной обработки Подобные прерывания и передачи управления могут
многократно наслаиваться друг на друга. Это позволяет до минимума сократить
непроизводительные простои процессора. В качестве недостатка надо отметить, что в режиме
мультипрограммирования улучшение качества обслуживания пользователей по
сравнению с косвенным доступом не предусматривается. Здесь также отдельные
программы могут надолго монополизировать процессор, блокируя тем самым
программы других пользователей. Режим разделения времени является более развитой формой многопрограммной
работы ЭВМ. В этом режиме, обычно совмещенном с фоновым режимом классического
мультипрограммирования, отдельные наиболее приоритетные программы
пользователей выделяются в одну или несколько групп. Для каждой такой группы
устанавливается круговое циклическое обслуживание, при котором каждая
программа группы периодически получает для обслуживания достаточно короткий
интервал времени - время кванта-т (рис.9.7).
Рис. 9.7.
Режим разделения времени После завершения очередного цикла процесс выделения
квантов повторяется. Это создает у пользователей впечатление кажущейся
одновременности выполнения их программ. Если пользователю к тому же
предоставляются средства прямого доступа для вывода 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 прерывание по вводу-выводу, как при классическом
мультипрограммировании. Для реализации режима разделения времени необходимо,
чтобы ЭВМ имела в своем составе развитую систему измерения времени:
интервальный таймер, таймер процессора, электронные часы и т.д. Это позволяет
формировать группы программ с постоянным
или переменным кванта времени. Разделение времени находит широкое применение
при обслуживании ЭВМ 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 характер; • потери поступающих на вход ЭВМ заявок и данных к
ним не допускаются, поскольку их не всегда можно восстановить; • время реакции ЭВМ на внешние воздействия, а также
время выдачи результатов i-й задачи должны
удовлетворять жестким ограничениям вида tP<=
tРДОП(9.1) где tP - время решения задачи; tРДОП - допустимое время решения. |
Вопрос
2 - Виртуальная память. Понятие виртуальной памяти
Развитие
методов организации вычислительного процесса привело к появлению метода,
известного под названием виртуальная память. Виртуальным называется
ресурс, который пользователю или пользовательской программе представляется
обладающим свойствами, которыми он в действительности не обладает. Виртуальная
память - это совокупность программно-аппаратных средств, позволяющих
пользователям писать программы, размер которых превосходит имеющуюся
оперативную память; для этого виртуальная память решает следующие задачи:
Все
эти действия выполняются автоматически, без участия программиста, то
есть механизм виртуальной памяти является прозрачным по отношению к
пользователю. Наиболее
распространенными реализациями виртуальной памяти является страничное,
сегментное и странично-сегментное распределение
памяти. Страничное распределение
Вся
оперативная память машины также делится на части такого же размера,
называемые физическими страницами. Размер страницы обычно выбирается равным степени двойки: 512, 1024 и т.д., это позволяет
упростить механизм преобразования адресов. При
загрузке процесса часть его виртуальных страниц помещается в оперативную
память, а остальные - на диск. Смежные виртуальные страницы не обязательно
располагаются в смежных физических страницах. При загрузке операционная
система создает для каждого процесса информационную структуру - таблицу
страниц, в которой устанавливается соответствие между номерами виртуальных и
физических страниц для страниц, загруженных в оперативную память, или
делается отметка о том, что виртуальная страница выгружена на диск. При
каждом обращении к памяти происходит чтение из таблицы страниц информации о
виртуальной странице, к которой произошло обращение. Если данная виртуальная
страница находится в оперативной памяти, то выполняется преобразование
виртуального адреса в физический. Если же нужная
виртуальная страница в данный момент выгружена на диск, то происходит так
называемое страничное прерывание. Выполняющийся процесс переводится в
состояние ожидания, и активизируется другой процесс из очереди готовых. Параллельно программа обработки страничного
прерывания находит на диске требуемую виртуальную страницу и пытается
загрузить ее в оперативную память. Если в памяти имеется свободная физическая
страница, то загрузка выполняется немедленно, если же свободных страниц нет,
то решается вопрос, какую страницу следует выгрузить из оперативной памяти. Страничное
распределение памяти может быть реализовано в упрощенном варианте, без
выгрузки страниц на диск. В этом случае все виртуальные страницы всех
процессов постоянно находятся в оперативной памяти. Программа может
загружаться в несмежные области, а также того, что при загрузке виртуальных
страниц никогда не образуется остатков. Сегментное распределение
Виртуальное
адресное пространство процесса делится на сегменты. Отдельный сегмент может
представлять собой подпрограмму, массив данных и т.п. Иногда сегментация
программы выполняется по умолчанию компилятором. При
загрузке процесса часть сегментов помещается в оперативную память, а часть
сегментов размещается в дисковой памяти. Во время загрузки система создает
таблицу сегментов процесса, в которой для каждого сегмента указывается
начальный физический адрес сегмента в оперативной памяти, размер сегмента,
правила доступа, признак модификации, признак обращения к данному сегменту за
последний интервал времени и некоторая другая информация. Если виртуальные
адресные пространства нескольких процессов включают один и тот же сегмент, то
в таблицах сегментов этих процессов делаются ссылки на один и тот же участок
оперативной памяти, в который данный сегмент загружается в единственном
экземпляре. Недостатком
данного метода распределения памяти является фрагментация на уровне сегментов
и более медленное по сравнению со страничной организацией преобразование
адреса. Странично-сегментное распределение
Как видно из названия, данный метод представляет собой комбинацию страничного и сегментного распределения памяти и, вследствие этого, сочетает в себе достоинства обоих подходов. Виртуальное пространство процесса делится на сегменты, а каждый сегмент в свою очередь делится на виртуальные страницы, которые нумеруются в пределах сегмента. Оперативная память делится на физические страницы. Загрузка процесса выполняется операционной системой постранично, при этом часть страниц размещается в оперативной памяти, а часть на диске. Для каждого сегмента создается своя таблица страниц, структура которой полностью совпадает со структурой таблицы страниц, используемой при страничном распределении. Для каждого процесса создается таблица сегментов, в которой указываются адреса таблиц страниц для всех сегментов данного процесса. Адрес таблицы сегментов загружается в специальный регистр процессора, когда активизируется соответствующий процесс |
|
Вопрос
3 –Реализация режима прерывания В
реальном режиме имеются программные и аппаратные прерывания. Программные
прерывания инициируются командой INT, аппаратные - внешними событиями,
асинхронными по отношению к выполняемой программе. Обычно аппаратные
прерывания инициируются аппаратурой ввода/вывода после завершения выполнения
текущей операции. Кроме
того, некоторые прерывания зарезервированы для использования самим
процессором - прерывания по ошибке деления, прерывания для пошаговой работы,
немаскируемое прерывание и т.д. Для
обработки прерываний в реальном режиме процессор использует таблицу векторов
прерываний. Эта таблица располагается в самом начале оперативной памяти, т.е.
её физический адрес - 00000. Таблица
векторов прерываний реального режима состоит из 256 элементов по 4 байта,
таким образом её размер составляет 1 килобайт.
Элементы таблицы - дальние указатели на процедуры обработки прерываний.
Указатели состоят из 16-битового сегментного адреса процедуры обработки
прерывания и 16-битового смещения. Причём смещение хранится по младшему
адресу, а сегментный адрес - по старшему. Когда
происходит программное или аппаратное прерывание, текущее содержимое
регистров CS, IP а также регистра флагов FLAGS
записывается в стек программы (который, в свою очередь, адресуется
регистровой парой SS:SP). Далее из таблицы векторов
прерываний выбираются новые значения для CS и IP, при этом управление
передаётся на процедуру обработки прерывания. Перед
входом в процедуру обработки прерывания принудительно сбрасываются флажки
трассировки TF и разрешения прерываний IF. Поэтому если ваша процедура
прерывания сама должна быть прерываемой, вам необходимо разрешить прерывания
командой STI. В противном случае, до завершения процедуры обработки
прерывания все прерывания будут запрещены. Завершив
обработку прерывания, процедура должна выдать команду IRET, по которой из
стека будут извлечены значения для CS, IP, FLAGS и загружены в
соответствующие регистры. Далее выполнение прерванной программы будет
продолжено. Что
же касается аппаратных маскируемых прерываний, то в компьютере IBM AT и
совместимых с ним существует всего шестнадцать таких прерываний, обозначаемых
IRQ0-IRQ15. В реальном режиме для обработки прерываний IRQ0-IRQ7 используются
вектора прерываний от 08h до 0Fh, а для IRQ8-IRQ15 - от 70h до 77h. В
защищённом режиме все прерывания разделяются на два типа - обычные прерывания
и исключения (exception - исключение, особый
случай). Обычное
прерывание инициируется командой INT (программное прерывание) или внешним
событием (аппаратное прерывание). Перед передачей управления процедуре
обработки обычного прерывания флаг разрешения прерываний IF сбрасывается и
прерывания запрещаются. Исключение происходит в результате ошибки, возникающей при выполнении какой-либо команды, например, если команда пытается выполнить запись данных за пределами сегмента данных или использует для адресации селектор, который не определён в таблице дескрипторов. По своим функциям исключения соответствуют зарезервированным для процессора внутренним прерываниям реального режима. Когда процедура обработки исключения получает управление, флаг IF не изменяется. Поэтому в мультизадачной среде особые случаи, возникающие в отдельных задачах, не оказывают влияния на выполнение остальных задач. |
Вопрос
4 - Стековая память Стековой
называют память, доступ к которой организован по принципу: "последним
записан - первым считан" (Last Input First Output
- LIFO). Использование принципа доступа к памяти на основе механизма LIFO
началось с больших ЭВМ. Применение стековой памяти оказалось очень
эффективным при построении компилирующих и интерпретирующих программ, при
вычислении арифметических выражений с использованием польской инверсной
записи. В малых ЭВМ она стала широко использоваться в связи с удобствами
реализации процедур вызова подпрограмм и при обработке прерываний. Принцип
работы стековой памяти состоит в следующем (см. рис. 4.15). Когда слово А помещается в стек, оно располагается в первой свободной
ячейке памяти. Следующее записываемое слово перемещает предыдущее на одну
ячейку вверх и занимает его место и т.д. Запись 8-го кода, после H, приводит
к переполнению стека и потере кода A. Считывание слов из стека осуществляется
в обратном порядке, начиная с кода H, который был записан последним. Заметим,
что выборка, например, кода E невозможна до выборки кода F, что определяется
механизмом обращения при записи и чтении типа LIFO. Для фиксации переполнения
стека желательно формировать признак переполнения.
Рис.
4.15. Принцип работы стековой памяти. Перемещение
данных при записи и считывании информации в стековой памяти подобно тому, как
это имеет место в сдвигающих регистрах. С точки зрения реализации механизма
доступа к стековой памяти выделяют аппаратный и аппаратно-программный
(внешний) стеки. Аппаратный
стек представляет собой совокупность регистров, связи между которыми организованы
таким образом, что при записи и считывании данных содержимое стека
автоматически сдвигается. Обычно емкость аппаратного стека ограничена
диапазоном от нескольких регистров до нескольких десятков регистров, поэтому
в большинстве МП такой стек используется для хранения содержимого
программного счетчика и его называют стеком команд. Основное достоинство
аппаратного стека - высокое быстродействие, а недостаток - ограниченная
емкость. Наиболее распространенным в настоящее время и, возможно, лучшим вариантом организации стека в ЭВМ является использование области памяти. Для адресации стека используется указатель стека, который предварительно загружается в регистр и определяет адрес последней занятой ячейки. Помимо команд CALL и RET, по которым записывается в стек и восстанавливается содержимое программного счетчика, имеются команды PUSH и POP, которые используются для временного запоминания в стеке содержимого регистров и их восстановления, соответственно. В некоторых МП содержимое основных регистров запоминается в стеке автоматически при прерывании программ. Содержимое регистра указателя стека при записи уменьшается, а при считывании увеличивается на 1 при выполнении команд PUSH и POP, соответственно |
|
Билет №5 Программное обеспечение ЭВМ и
ВС В
настоящее время отсутствует единая классификация состава программного
обеспечения. Литературные источники по-разному трактуют структуры программных
средств ЭВМ различных классов. Наиболее сложное ПО по структуре и составу имеют большие универсальные ЭВМ
широкого назначения, так как они призваны обеспечивать пользователей самыми
разнообразными сервисными услугами независимо от характера их задач. Программное обеспечение ЭВМ разделяют на общее, или системное (general Software),и специальное, или прикладное (application or special Software) (рис.9.1). Общее
ПО объединяет программные компоненты, обеспечивающие многоцелевое
применение ЭВМ и мало зависящие от специфики вычислительных работ
пользователей. Сюда входят программы, организующие вычислительный процесс в
различных режимах работы машин, программы контроля работоспособности ЭВМ,
диагностики и локализации неисправностей, программы контроля заданий
пользователей, их проверки, отладки и т.д. Общее
ПО обычно поставляется потребителям комплектно с ЭВМ. Часть
этого ПО может быть реализована в составе самого компьютера. Например в ПЭВМ часть программ ОС и часть контролирующих
тестов записана в ПЗУ этих машин. Специальное
ПО (СПО) содержит пакеты прикладных
программ пользователей, обеспечивающие специфическое применение ЭВМ и
вычислительной системы (ВС). Прикладной
программой называется программный
продукт, предназначенный для решения конкретной задачи пользователя. Обычно
прикладные программы объединяются в пакеты, что является необходимым
атрибутом автоматизации труда каждого специалиста-прикладника. Специализация
пакета определяется характером решаемых задач (пакеты для разработки
экономических документов, рекламных роликов, планирования и др.) или
необходимостью управления специальной техникой (управление сложными технологическими
процессами, управление бортовыми системами кораблей, самолетов и т.п.). Такие
специальные пакеты программ могут использовать отдельные подразделения,
службы, отделы учреждений, предприятий, фирм для разработки различных планов,
проектов, документов, исследований. В некоторых случаях СПО может иметь очень
сложную структуру, включающую библиотеки, каталоги, программы-диспетчеры и
другие обслуживающие компоненты. Программы СПО разрабатываются с учетом
интересов определенной группы пользователей, иногда даже по их заказам и при
их непосредственном участии. СПО
ПЭВМ комплектуется в зависимости от места и роли автоматизированного рабочего
места (АРМ) работника, использующего в своей деятельности компьютер. В ПО ПЭВМ обычно включают
небольшое число пакетов программ (табличный процессор, текстовый редактор,
систему управления базами данных и др.). В последнее время наметилась
тенденция к комплексированию и слиянию их в интегрированные программные
продукты. Например, пакет MS Office фирмы Microsoft объединяет все перечисленные продукты. Общее ПО включает в
свой состав операционную систему
(ОС), средства автоматизации программирования (САП), комплекс программ
технического обслуживания (КПТО), пакеты программ, дополняющие возможности ОС
(ППос), и систему документации (СД). Операционная
система служит для управления
вычислительным процессом путем обеспечения его необходимыми ресурсами. Средства
автоматизации программирования
объединяют программные модули, обеспечивающие этапы подготовки задач к
решению, перечень этих I этапов был приведен в п.
1.5. Модули
КПТО предназначены для проверки
работоспособности вычислительного комплекса. Важной
частью ПО является система
документации, хотя она и не является программным продуктом. СД
предназначается для изучения программных средств, она определяет порядок их
использования, устанавливает требования и правила разработки новых
программных компонентов и особенности их включения в состав ОПО или СПО. Программное
обеспечение современных ЭВМ и ВС строится по иерархическому модульному
принципу. Это обеспечивает возможность адаптации ЭВМ и ВС к конкретным
условиям применения, открытость системы для расширения состава
предоставляемых услуг, способность систем к совершенствованию, наращиванию
мощности и т.д. Нижний
уровень образуют программы ОС, которые играют роль посредника между
техническими средствами системы и пользователем. Однако прямое использование
команд ОС требует от пользователя определенных знаний и специальной
компьютерной подготовки, сосредоточенности, точности и внимания. Этот вид
работ отличается трудоемкостью и чреват появлением ошибок в работе оператора.
Поэтому на практике пользователи, как правило, работают не напрямую с ОС, а
через командные системы - пакеты программ, дополняющие возможности ОС
(ППос). Ярким
примером подобных систем могут служить пакеты Norton
Commander, Volkov Commander, DOS Navigator и
другие. С помощью этих систем трудоемкость работы с компьютером значительно
сокращается. Работа пользователя при этом заключается в выборе определенных рубрик
меню С
помощью ОС или операционных сред пользователь может активизировать любую
нужную ему программу. В настоящее время на любой вид деятельности существуют,
разрабатываются и совершенствуются программы, позволяющие пользователям, даже
не имеющим хорошей компьютерной подготовки, эффективно решать специфические
задачи обработки информации (подготовка справок, писем, разработка
документов, графическое представление данных и т.д.). Квалифицированные
пользователи, разрабатывающие собственные программные продукты, используют компоненты
САП. Программы КПТО непосредственного участия в вычислениях не принимают, они только обеспечивают их. Перед началом вычислений их задачей является проверка работоспособности аппаратуры и параметров сопряжения перечисленных уровней ПО |
Билет №6
Отличительные особенности однопрограммных режимов работы. Исторически однопрограммные режимы появились
первыми. При их реализации все основные ресурсы ЭВМ (время работы процессора , оперативная память и др.) полностью отдаются в монопольное
владение пользователя. Однопрограммный режим может иметь модификации:
однопрограммный режим непосредственного доступа и однопрограммный режим
косвенного доступа. В режиме непосредственного доступа,
пользователь получает ЭВМ в полное распоряжение: он сам готовит ЭВМ к работе,
загружает задания, инициирует их, наблюдает за ходом решения и выводом
результатов. По окончании работ одного пользователя все ресурсы ЭВМ
передаются в распоряжение другого (рис.9.5, а). Этот тип режима
характеризуется весьма низкой полезной загрузкой технических средств. К
снижению производительности ЭВМ из-за простоев процессора приводят затраты
времени на подготовку ЭВМ к работе (включение, проверка, загрузка ОС, ввод
заданий и т.д.) и большое время реакции пользователя. По этим причинам режим
практически не используется в универсальных ЭВМ. Напротив, в ПЭВМ этот режим
используется как основной, поскольку в этих типах ЭВМ главным критерием
эффективной работы считается обеспечение максимальных удобств пользователю. В режиме косвенного доступа пользователь не имеет прямого контакта с ЭВМ. Этот
режим был предшественником многопрограммных режимов в ЭВМ высокой и средней
производительности, он имел целью обеспечить более полную загрузку процессора
за счет сокращения непроизводительных его простоев. В настоящее время он
практически не используется, так как время работы процессоров в современных
ЭВМ не является главным ресурсом системы, но принципы построения этого режима
позволяют лучше уяснить сущность многопрограммной обработки. Суть режима состоит в следующем. Из подготовленных заданий пользователей составляется пакет
заданий. Процессор обслуживает программы пользователей строго в порядке
их следования в пакете. Процесс выполнения очередной программы не прерывается
до полного ее завершения. Только после этого процессор как ресурс отдается в
монопольное владение следующей очередной программе. Как видно, доступ
пользователя к ресурсам ЭВМ осуществляется косвенно средствами ОС,
организующими автоматический переход от обслуживания одного задания
пользователя к другому. Благодаря этому режим часто называют последовательной
пакетной обработкой. При нем обеспечивается параллельная работа устройств ввода-вывода и процессора (рис.9.5,6). Это позволяет
значительно повысить производительность ЭВМ за счет сокращения простоев.
Рис. 9.5.
Однопрограммные режимы работы: а - режим непосредственного доступа; б- режим косвенного доступа Режим косвенного доступа имеет существенный недостаток. Он не позволяет полностью исключить случаи простоя процессора или непроизводительного его использования. Всякий раз, когда очередная программа, вызванная в процессор, предварительно не обеспечена данными, процессор вынужден простаивать. При этом резко снижается эффективность использования ЭВМ. Этот случай отражен на рис.9.5, б на примере выполнения задания В. Неэффективно работает ЭВМ и тогда, когда обрабатываемые программы захватывают процессор на длительное время. В этих случаях остальные программы пакета остаются без обслуживания. Особо опасны ситуации, в которых текущая программа 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. |
|
Вопрос
7 –Критерии многопрограммной пакетной обработки Многопрограммный режим работы ЭВМ позволяет одновременно обслуживать несколько
программ пользователей. 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 условиями прерывания текущей программы и условиями выбора
новой программы из очереди, которой передается управление. Различают следующие виды многопрограммной работы:
классическое мультипрограммирование, режим разделения времени, режим
реального времени и целый ряд производных от них. Режим классического мультипрограммирования, или
пакетной обработки, применительно к
однопроцессорным ЭВМ является основой для построения всех других видов
многопрограммной работы. Режим имеет целью обеспечить минимальное время
обработки пакета заданий и максимально загрузить процессор. Пакет заданий упорядочивается в соответствии с
приоритетами заданий, и обслуживание программ ведется в порядке очередности.
Обычно процессор обслуживает наиболее приоритетную программу. Как только ее
решение завершается, процессор переключается на следующую по приоритетности
программу. В этом режим во многом похож на режим косвенного доступа. В режиме
мультипрограммирования имеется существенное отличие. Если при обслуживании
наиболее приоритетной программы создается ситуация, что вычисления не могут
быть продолжены (например, требуется ввести дополнительные данные), то
прерывание обслуживания сопровождается передачей управления 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
рис. 9.6 при выполнении задания В.
Рис. 9.6.
Многопрограммный режим пакетной обработки Подобные прерывания и передачи управления могут
многократно наслаиваться друг на друга. Это позволяет до минимума сократить
непроизводительные простои процессора. Из вышеизложенного следует, что в однопроцессорных
ЭВМ многопрограммность является кажущейся, так как
процессор предоставляется программам в непересекающиеся 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 улучшение качества обслуживания пользователей по сравнению с косвенным доступом не предусматривается. Здесь также отдельные программы могут надолго монополизировать процессор, блокируя тем самым программы других пользователей. |
Вопрос
8 - Режим разделение времени Многопрограммный режим работы ЭВМ
позволяет одновременно обслуживать несколько программ пользователей.
Различают следующие виды многопрограммной работы: классическое
мультипрограммирование, режим разделения времени, режим реального времени и
целый ряд производных от них. Режим разделения времени является более развитой формой многопрограммной
работы ЭВМ. В этом режиме, обычно совмещенном с фоновым режимом классического
мультипрограммирования, отдельные наиболее приоритетные программы
пользователей выделяются в одну или несколько групп. Для каждой такой группы
устанавливается круговое циклическое обслуживание, при котором каждая
программа группы периодически получает для обслуживания достаточно короткий
интервал времени - время кванта-т
Рис. 9.7.
Режим разделения времени После завершения очередного цикла
процесс выделения квантов повторяется. Это создает у пользователей
впечатление кажущейся одновременности выполнения их программ. Если
пользователю к тому же предоставляются средства прямого доступа для вывода
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 прерывание по вводу-выводу, как при
классическом мультипрограммировании. Для реализации режима разделения времени
необходимо, чтобы ЭВМ имела в своем составе развитую систему измерения
времени: интервальный таймер, таймер процессора, электронные часы и т.д. Это
позволяет формировать группы программ с постоянным или переменным кванта
времени - т . Разделение времени находит широкое
применение при обслуживании ЭВМ 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 характер; • потери поступающих на вход ЭВМ заявок и данных к
ним не допускаются, поскольку их не всегда можно восстановить; • время реакции ЭВМ на внешние воздействия, а также
время выдачи результатов i-й задачи должны
удовлетворять жестким ограничениям вида tP<=
tРДОП(9.1) где tP
- время решения задачи; tРДОП
- допустимое время решения. На рис.9.8 показана зависимость стоимости решения
задачи от времени tP. При
нарушении неравенства (9.1) стоимость решения резко падает до нуля; в
отдельных системах она может стать и отрицательной, что показано штриховой
линией. Режим реального времени объединяет практически все системы, в которых
ЭВМ используется в контуре управления. Специфические особенности режима реального времени требуют наиболее сложных операционных систем. Именно на базе этого режима строятся так называемые диалоговые системы, обеспечивающие многопользовательский режим: одновременную работу нескольких пользователей с ЭВМ. Диалоговые системы могут иметь различное содержание: системы, обслуживающие наборы данных; системы разработки документов, программ, 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 различных информационных и автоматизированных системах управления. |
Билет № 9Архитектура вычислительных систем
Большое разнообразие структур ВС затрудняет их
изучение. Поэтому их классифицируют с учетом их обобщенных характеристик. С
этой целью вводится понятие архитектура системы. Архитектура ВС - совокупность характеристик и параметров, определяющих
функционально-логическую и структурную организацию системы. Понятие
архитектуры охватывает общие принципы построения и функционирования, наиболее
существенные для пользователей, которых больше интересуют возможности систем,
а не детали их технического исполнения. Поскольку ВС появились как
параллельные системы, то и рассмотрим классификацию архитектур под этой
точкой зрения. Эта классификация архитектур была
предложена Флинном (M. Flynn) в начале 60-х гг. В ее основу заложено два возможных вида
параллелизма: независимость потоков заданий (команд), существующих в
системе, и независимость (несвязанность) данных,
обрабатываемых в каждом потоке. Классификация до настоящего времени
еще не потеряла своего значения. Однако подчеркнем, что, как и любая
классификация, она носит временный и условный характер. Согласно данной классификации существуют четыре
основные архитектуры ВС, представленные на рис. 1) одиночный поток команд - одиночный поток данных
(ОКОД), в английской аббревиатуре Single Instruction Single Data (SISD), - одиночный поток инструкций - одиночный
поток данных; 2) одиночный поток команд - множественный поток
данных (ОКМД), или Single Instruction
Multiple Data (SIMD), -
одиночный поток инструкций -множественный поток
данных; 3)множественный поток команд - одиночный поток данных
(МКОД), или Multiple Instruction
Single Data (MISD), -
множественный поток инструкций - одиночный поток данных; 4)множественный поток команд - множественный поток
данных (МКМД), или Multiple histruction
Multiple Data (MIMD), -
множественный поток инструкций - множественный поток данных. Коротко рассмотрим отличительные особенности каждой
из архитектуры Архитектура ОКОД охватывает все однопроцессорные и одномашинные
варианты систем, т.е. с одним вычислителем. Все ЭВМ классической структуры
попадают в этот класс. Здесь параллелизм вычислений обеспечивается путем
совмещения выполнения операций отдельными блоками АЛУ, а также параллельной
работой устройств ввода-вывода информации и
процессора. Закономерности организации вычислительного процесса в этих
структурах достаточно хорошо изучены. Архитектура ОКМД предполагает создание структур векторной или матричной обработки.
Системы этого типа обычно строятся как однородные, т.е. процессорные
элементы, входящие в систему, идентичны, и все они управляются одной и той же
последовательностью команд. Однако каждый процессор обрабатывает свой поток
данных. Под эту схему хорошо подходят задачи обработки матриц или векторов
(массивов), задачи решения систем линейных и нелинейных, алгебраических и
дифференциальных уравнений, задачи теории поля и др. В структурах данной
архитектуры желательно обеспечивать соединения между процессорами,
соответствующие реализуемым математическим зависимостям. Как правило, эти
связи напоминают матрицу, в которой каждый процессорный элемент связан с соседними. Узким местом подобных систем является необходимость
изменения коммутации между процессорами, когда связь между ними отличается от матричной. Кроме того, задачи, допускающие широкий
матричный параллелизм, составляют достаточно узкий класс задач. Структуры ВС
этого типа, по существу, являются структурами специализированных суперЭВМ. Третий тип архитектуры МКОД предполагает построение своеобразного процессорного
конвейера, в котором результаты обработки передаются от одного процессора к
другому по цепочке. Выгоды такого вида обработки понятны. Прототипом таких
вычислений может служить схема любого производственного конвейера. В
современных ЭВМ по этому принципу реализована схема совмещения операций, в
которой параллельно работают различные функциональные блоки, и каждый из них
делает свою часть в общем цикле обработки команды. В ВС этого типа конвейер должны образовывать группы
процессоров. Однако при переходе на системный уровень очень трудно выявить
подобный регулярный характер в универсальных вычислениях. Кроме того, на
практике нельзя обеспечить и “большую длину” такого конвейера, при которой
достигается наивысший эффект. Вместе с тем конвейерная схема нашла применение
в так называемых скалярных процессорах суперЭВМ, в которых они применяются
как специальные процессоры для поддержки векторной обработки. Архитектура МКМД предполагает, что все процессоры системы работают по своим программам с собственным потоком команд. В простейшем случае они могут быть автономны и независимы. Такая схема использования ВС часто применяется на многих крупных вычислительных центрах для увеличения пропускной способности центра. Большой интерес представляет возможность согласованной работы ЭВМ (процессоров), когда каждый элемент делает часть общей задачи. Общая теоретическая база такого вида работ практически отсутствует. Но можно привести примеры большой эффективности этой модели вычислений. Подобные системы могут быть многомашинными и многопроцессорными. |
Вопрос 10 -
Топология ЛВС Под
топологией вычислительной сети понимается конфигурация графа, вершинам
которого соответствуют компьютеры сети (иногда и другое оборудование,
например концентраторы), а ребрами – физические связи между ними. Компьютеры,
подключенные к сети, часто называют станциями
или узлами сети. Заметим, что конфигурация физических
связей определяется электрическими соединениями компьютеров между собой и
может отличаться от конфигурации логических
связей между узлами сети. Логические связи представляют собой маршруты
передачи данных между узлами сети и образуются путем соответствующей
настройки коммуникационного оборудования. Выбор топологии электрических связей
существенно влияет на многие характеристики сети. Например, наличие резервных
связей повышает надежность сети и делает возможным балансирование загрузки
отдельных каналов. Простота присоединения новых узлов, свойственная некоторым
топологиям, делает сеть легко расширяемой. Экономические соображения часто
приводят к выбору топологий, для которых характерна минимальная суммарная
длина связи. Рассмотрим некоторые наиболее часто
встречающиеся топологии. Полносвязная
топология (рис.1, а) соответствует сети, в которой каждый
компьютер сети связан со всеми остальными. Несмотря на логическую простоту,
этот вариант оказывается громоздким и неэффективным. Действительно, каждый
компьютер в сети должен иметь большое количество коммуникационных портов,
достаточное для связи с каждым из остальных компьютеров сети. Для каждой пары
компьютеров должна быть выделена отдельная электрическая линия связи. Полносвязные топологии применяются редко, так как не
удовлетворяют ни одному из приведенных выше требований. Чаще этот вид
топологии используется в многомашинных комплексах иди
глобальных сетях при небольшом количестве компьютеров. Все другие варианты основаны на неполносвязных
топологиях, когда для обмена данными между двумя компьютерами может
потребоваться промежуточная передача данных через другие узлы сети. Ячеистая топология (mesh)
получается путем удаления некоторых возможных связей (рис.1, б). В сети с
ячеистой топологией непосредственно связываются только те компьютеры, между
которыми происходит интенсивный обмен данными, а для обмена данными между
компьютерами, не соединенными прямыми связями, используются транзитные
передачи через промежуточные узлы. Ячеистая топология допускает соединение
большого количества компьютеров и характерна, как правило, для глобальной
сети. Общая шина (рис. 1, в) является очень распространенной (а до недавнего времени самой распространенной) топологией для локальных сетей. В этом случае компьютеры подключаются к одному коаксиальному кабелю по схеме “монтажного ИЛИ”. Передаваемая информация может распространятся в обе стороны.
Топология
звезда (рис. г) в этом случае
каждый компьютер подключается отдельным кабелем к общему устройству,
называемому концентратором, который
находится в центе сети. В функции концентратора входит направление
передаваемой информации одному или всем остальным компьютерам сети. Главное
преимущество этой топологии перед общей шиной – существенно
большая надежность. Любые неприятности с кабелем касаются лишь того
компьютера, к которому этот кабель присоединен, и только неисправность
концентратора может вывести из строя всю сеть. К недостаткам топологии звезда относится
более высокая стоимость сетевого оборудования из – за необходимости приобретения концентратора. Кроме того,
возможности по наращиванию количества узлов сети ограничивается количеством
портов концентратора. Иногда имеет смысл строить
сеть с использованием нескольких концентраторов, иерархически соединенных
между собой связями типа звезда (рис. д). В
настоящее время иерархическая звезда является самым распространенным типом
топологии связей как в локальных, так и глобальных
сетях. В
сетях с кольцевой конфигурацией (рис. е) данные передаются по кольцу
от одного компьютера к другому, как правило, в одном направлении. Если
компьютер распознает данные как “свои”, то он копирует их себе во внутренний
буфер. В сети с кольцевой топологией необходимо принимать специальные меры,
чтобы в случае выхода из строя или отключения какой – либо станции не
прервался канал связи между остальными станциями. Кольцо представляет собой
очень удобную конфигурацию для организации обратной связи – данные, сделав
полный оборот, возвращаются к узлу – источнику. Поэтому этот узел может
контролировать процесс доставки данных адресату. В то время как небольшие сети, как правило, имеют типовую топологию – звезда, кольцо или общая шина, для крупных сетей характерно наличие произвольных связей между компьютерами. В таких сетях можно выделить отдельные произвольно связанные фрагменты (подсети), имеющие типовую топологию, поэтому их называют сетями со смешанной топологией. |
|
Вопрс
11 – Система адресации электронной почты Для
того, чтобы ваше электронное письмо дошло до своего
адресата, необходимо, чтобы оно было оформлено в соответствии с
международными стандартами и имело стандартизованный почтовый электронный
адрес. Общепринятый формат послания определяется документом под названием
"Standard for the Format of
ARPA - Internet Text messages", сокращенно - Request
for Comment или RFC822, и
имеет заголовок и непосредственно сообщение. Заголовок выглядит
приблизительно так: From:
почтовый электронный адрес - от кого пришло послание To:
почтовый электронный адрес - кому адресовано Cc:
почтовые электронные адреса - кому еще направлено Subject:
тема сообщения (произвольной формы) Date:
дата и время отправки сообщения Строки
заголовка From: и Date:
формируются, как правило, автоматически, программными средствами. Помимо этих
строк заголовка, послание может содержать и другие, например: Message-Id:
уникальный идентификатор послания, присвоенный ему почтовой машиной; Reply-To:
обычно адрес абонента, которому вы отвечаете на присланное вам письмо. Само
послание - как правило, текстовый файл достаточно
произвольной формы. При
передаче нетекстовых данных (исполняемой программы, графической информации)
применяется перекодировка сообщений, которая выполняется cоответcтвующими программными средствами. Почтовый
электронный адрес может иметь разные форматы. Наиболее широко распространена
система формирования адреса DNS (Domain Name System), применяемая в
сети Internet. Дешифрацию адреса и перевод его в
необходимый формат осуществляют встроенные программные средства, применяемые
в данной сети электронной почты. Почтовый
электронный адрес имеет все эти составляющие. Для того,
чтобы отделить идентификатор абонента от его почтовых координат, используется
значок @. Почтовый электронный адрес в формате Internet
может иметь вид: Vasa@msk.ru В
рассматриваемом примере Vasa - идентификатор
абонента. То, что стоит справа от знака @, называется доменом и однозначно
описывает местонахождение абонента. Составные части домена разделяются
точками. Следующий поддомен - msk - является однозначно определяемым внутри домена верхнего уровня. Нетрудно догадаться, что обозначает он код города - Москва. Совокупность составных частей домена msk.ru называется доменом второго уровня. Аббревиатуры домена второго уровня определяются в соответствии с правилами, принятыми доменом верхнего уровня. |
|
