Крюков В.В. Информационно-измерительные системы

Подождите немного. Документ загружается.

ВМ

ПринтерCD-ROMМОНЖМНМЛНЖМ

ВМ

а)

НМЛНЖМД

ВМ

КВВАдаптерКВВ

ВМ

НЖМДCD-ROMМО

б)

Рис. 1.2. Многомашинный вычислительный комплекс с косвенной (а) и

прямой (б) связями между ВМ

В ранних многомашинных комплексах связь между ВМ обеспечивалась

через общие внешние запоминающие устройства – накопители на жестких

магнитных дисках (НЖМД) или магнитных лентах (НМЛ) (рис. 1.2, а), то

есть за счет доступа к общим наборам данных. Такая связь называется

косвенной и оказывается эффективной только в том случае, когда ВМ

взаимодействуют достаточно редко, например при отказе одной из ВМ или в

моменты начала и окончания обработки данных. Более оперативное

взаимодействие ВМ достигается за счет прямой связи через адаптер,

обеспечивающий обмен данными между каналами ввода – вывода (КВВ)

двух ВМ (рис. 1.2, б) и передачу сигналов прерывания. За счет этого

создаются хорошие условия для координации процессов обработки данных и

повышается оперативность обмена данными, что позволяет вести

параллельно процессы обработки и существенно увеличивать

производительность ИС. В настоящее время многомашинные

вычислительные комплексы широко используются для повышения

надежности ИС и совместного использования периферийного оборудования.

В многомашинных вычислительных комплексах взаимодействие

процессов обработки данных обеспечивается только за счет обмена

сигналами прерывания и передачи данных через адаптеры канал – канал или

общие внешние запоминающие устройства. Лучшие условия для

взаимодействия процессов – когда все процессоры имеют доступ ко всему

объему данных, хранимых в оперативных запоминающих устройствах (ОЗУ),

и могут взаимодействовать со всеми периферийными устройствами

комплекса. Вычислительный комплекс, содержащий несколько процессоров,

оперативную память (общую или разделенную между процессорами) и общие

периферийные устройства, называется многопроцессорным

вычислительным комплексом. Принцип построения таких комплексов

иллюстрируется рис. 1.3. Процессоры, оперативная память (ОЗУ) и каналы

ввода-вывода, к которым подключены периферийные устройства (ПУ),

объединяются в единый комплекс с помощью интерфейсных средств,

обеспечивающих доступ каждого процессора к оперативной памяти и

каналам ввода-вывода, а также возможность передачи данных между

последними. В многопроцессорном комплексе отказы отдельных устройств

влияют на работоспособность ИС в меньшей степени, чем в многомашинном,

то есть многопроцессорные комплексы обладают большей устойчивостью к

отказам и большей производительностью. Каждый процессор имеет

непосредственный доступ ко всем данным, хранимым в общей оперативной

памяти, и к периферийным устройствам, что позволяет параллельно

обрабатывать не только независимые задачи, но и блоки одной задачи (нити).

ПУ

КВВМОНЖМДОЗУ

Процессор_1

Интерфейс

Процессор_3Процессор_2

Рис. 1.3. Многопроцессорный вычислительный комплекс

Многомашинные и многопроцессорные вычислительные комплексы

рассматриваются как базовые средства для создания ИС различного

назначения. Поэтому в состав вычислительного комплекса принято включать

только технические средства и общесистемное (базовое), но не прикладное

программное обеспечение, связанное с конкретной областью применения

комплекса. Таким образом, вычислительный комплекс – совокупность

технических средств, включающих в себя несколько ВМ или процессоров, и

общесистемного (базового) программного обеспечения.

Вычислительные системы. ИС, настроенная на решение задач

конкретной области применения, называется вычислительной системой.

Вычислительная система включает в себя технические средства и

программное обеспечение, ориентированные на решение определенной

совокупности задач. Существует два способа ориентации ВС. Во-первых,

вычислительная система может строиться на основе ВМ или

вычислительного комплекса общего применения, и ориентация системы

обеспечивается за счет программных средств – прикладных программ и,

возможно, операционной системы. Во-вторых, ориентация на заданный класс

задач может достигаться за счет использования специализированных ВМ и

вычислительных комплексов. В этом случае удается при умеренных затратах

оборудования добиться высокой производительности. Специализированные

вычислительные системы наиболее широко используются при решении задач

векторной и матричной алгебры, цифровой обработки сигналов, систем

реального времени, а также связанных с обработкой изображений,

распознаванием образов и т. д.

Вычислительные системы, построенные на основе специализированных

комплексов, начали интенсивно разрабатываться в начале 70-х годов. В таких

системах использовались процессоры со специализированными системами

команд и конфигурация комплексов жестко ориентировалась на конкретный

класс задач. В последнее десятилетие начались исследования и разработки

адаптивных ВС, гибко приспосабливающихся к решаемым задачам.

Адаптация вычислительной системы с целью приспособления ее к структуре

реализуемого алгоритма достигается за счет изменения конфигурации

системы. При этом соединения между процессорами, а также модулями

памяти и периферийными устройствами устанавливаются динамически в

соответствии с потребностями задач, обрабатываемых системой в текущий

момент времени. В связи с этим адаптивные вычислительные системы иначе

называются системами с динамической структурой. За счет адаптации

достигается высокая производительность в широком классе задач и

обеспечивается устойчивость системы к отказам. Поэтому адаптивные

системы рассматриваются как одно из перспективных направлений развития

систем обработки данных.

Системы телеобработки. Уже первоначальное применение ИС для

управления производством, транспортом и материально-техническим

снабжением показало, что эффективность систем можно значительно

повысить, если обеспечить ввод данных в систему непосредственно с мест их

появления и выдачу результатов обработки к местам их использования. Для

этого необходимо связать ИС и рабочие места пользователей с помощью

каналов связи. Системы, предназначенные для обработки данных,

передаваемых по каналам связи, называются системами телеобработки

данных.

Состав технических средств системы телеобработки данных представлен

на рис. 1.4.

ВМ

или

ВК

АС П ередат чик Приемник

Приемник

АС

АС Приемник

Приемник

Рис. 1.4. Система телеобработки данных (АС – адаптер связи)

Пользователи (абоненты) взаимодействуют с системой посредством

терминалов (абонентских пунктов) или ПК, подключаемых через каналы

связи к средствам обработки данных – ВМ или вычислительному комплексу.

Данные передаются по каналам связи в форме сообщений – блоков данных,

несущих в себе кроме собственно данных служебную информацию,

необходимую для управления процессами передачи и защиты данных от

искажений. Программное обеспечение систем телеобработки содержит

специальные средства, необходимые для управления техническими

средствами, установления связи между ВМ и абонентами, передачи данных

между ними и организации взаимодействия пользователей с программами

обработки данных.

Телеобработка данных значительно повышает оперативность

информационного обслуживания пользователей и наряду с этим позволяет

создавать крупномасштабные системы, обеспечивающие доступ широкого

круга пользователей к данным и процедурам их обработки.

Вычислительные сети. С ростом масштабов применения электронной

вычислительной техники в научных исследованиях, проектно-

конструкторских работах, управлении производством и транспортом стала

очевидна необходимость объединения ИС, обслуживающих отдельные

предприятия и коллективы. Объединение разрозненных ИС обеспечивает

доступ к данным и процедурам их обработки для всех пользователей,

связанных общей сферой деятельности. Так, экспериментальные данные,

полученные группой исследователей, могут использоваться при проектно-

конструкторских работах, результаты проектирования – при технологической

подготовке производства, результаты испытаний и эксплуатации изделий –

для совершенствования конструкций и технологии производства и т. д. Чтобы

объединить территориально разрозненные ИС в единый комплекс,

необходимо, во-первых, обеспечить возможность обмена данными между

ИС, связав соответствующие ВМ и вычислительные комплексы каналами

передачи данных, и, во-вторых, оснастить системы программными

средствами, позволяющими пользователям одной системы обращаться к

информационным, программным и техническим ресурсам других систем.

В конце 70-х годов был предложен способ построения вычислительных

сетей, объединяющих ВМ с помощью базовой сети передачи данных.

Структура вычислительной сети в общих чертах представлена на рис. 1.5.

Ядром сети является базовая сеть передачи данных (СПД), которая состоит

из каналов и узлов связи (УС). Узлы связи принимают данные и передают их

в направлении, обеспечивающем доставку данных абоненту. ВМ

подключаются к узлам базовой сети передачи данных, чем обеспечивается

возможность обмена данными между любыми парами ВМ. Совокупность

ВМ, объединенных сетью передачи данных, образует сеть ВМ. В такой

конфигурации ВМ представляет собой ПК или коммуникационный сервер,

или мини-ЭВМ, к которой с помощью каналов связи подключаются другие

сетевые узлы, через которые пользователи взаимодействуют с сетью.

Совокупность терминалов и средств связи, используемых для подключения

терминалов к ВМ, образует терминальную сеть. Совокупность ПК и

сетевых адаптеров образует локальную вычислительную сеть (ЛВС). Таким

образом, вычислительная сеть представляет собой композицию базовой сети

передачи данных, ЛВС или терминальной сети. Такая вычислительная сеть

называется глобальной или распределенной вычислительной сетью (в

дальнейшем — “вычислительная сеть”, в отличие от локальной).

Вычислительные сети используются для объединения ВМ, находящихся на

значительном расстоянии друг от друга в пределах региона, страны или

континента. В вычислительной сети все ВМ оснащаются специальными

программными средствами для сетевой обработки данных. На сетевое

программное обеспечение возлагается широкий комплекс функций:

управление аппаратурой сопряжения и каналами связи; установление

соединений между взаимодействующими процессами и ВМ; управление

процессами передачи данных; ввод и выполнение заданий от удаленных

пользователей; доступ программ к наборам данных, размещенным в

удаленных ВМ. К сетевому программному обеспечению предъявляется

требование сохранения работоспособности сети при изменении ее структуры

вследствие выхода из строя отдельных ВМ, каналов и узлов связи, а также

возможность взаимодействия разнотипных ВМ. Функции, возлагаемые на

сетевое программное обеспечение, отличаются высоким уровнем сложности

и реализуются с использованием специально разработанных методов

управления процессами передачи и обработки данных.

ВМ

ЛВС

ВМ

УС2

УС3

УС1

СПД

Рис. 1.5. Глобальная вычислительная сеть

Вычислительные сети – наиболее эффективный способ построения

крупномасштабных ИС. Использование вычислительных сетей позволяет

автоматизировать управление отраслями производства, транспортом и

материально-техническим снабжением в масштабе крупных регионов и

страны в целом. Концентрация в сети больших объемов данных и

коллективный доступ к данным позволяют улучшить информационное

обслуживание научных исследований, повысить производительность труда

инженерно-технических работников и качество административно-

управленческой деятельности. Кроме того, объединение ВМ в

вычислительные сети позволяет существенно повысить эффективность их

использования.

Локальные вычислительные сети. В начале 80-х годов в сфере

обработки данных начали применяться персональные компьютеры (ПК).

Коллективный характер труда требовал оперативного обмена данными между

пользователями, то есть объединения ВМ в единый комплекс. Был разработан

эффективный способ объединения ВМ, расположенных на незначительном

расстоянии друг от друга – в пределах одного здания или группы соседних

зданий, с помощью моноканала (последовательного интерфейса). Такие

вычислительные сети стали называть локальными вычислительными сетями

(ЛВС).

Локальная вычислительная сеть (ЛВС) – совокупность

близкорасположенных ВМ, которые связаны последовательными

интерфейсами и оснащены программными средствами, обеспечивающими

информационное взаимодействие между процессами в разных узлах сети.

Типичная структура ЛВС изображена на рис. 1.6. Сопрягаются ВМ с

помощью моноканала – единого для всех ВМ сети канала передачи данных. В

моноканале наиболее широко используются скрученная пара проводов,

коаксиальный кабель или волоконно-оптическая линия.

САСАСА

ПКПК Принтер

СА

Сервер домена

Т Т Т

СА

Сервер БД

Моноканал

Рис. 1.6. Локальная вычислительная сеть (СА – сетевой адаптер, Т –

терминал)

Длина моноканала не превышает обычно нескольких сотен метров. При

этом пропускная способность моноканала составляет 10-100 Мбит/с, что

достаточно для обеспечения информационной связи между десятками ВМ.

ВМ сопрягаются с моноканалом с помощью сетевых адаптеров (СА), или

контроллеров, реализующих операции ввода – вывода данных через

моноканал. Наличие в сети единственного канала для обмена данными между

ВМ существенно упрощает процедуры установления соединений и обмена

данными между ВМ. Поэтому сетевое программное обеспечение ВМ

оказывается более простым, чем в вычислительных сетях, содержащих сеть

передачи данных. Вследствие этого локальные вычислительные сети

оказываются эффективным средством построения сложных ИС на основе ПК

и специализированных сетевых узлов (серверы, повторители,

маршрутизаторы и т.д.).

Локальные вычислительные сети получают широкое применение при

организации ИС предприятий и организаций, в системах автоматизации

проектирования и технологической подготовки производства, системах

управления производством, транспортом, снабжением и сбытом

(учрежденческих системах), а также в системах автоматического управления

технологическим оборудованием.

Сосредоточенные

системы

ВСВМ ВК

ИС

Распределенные системы

Локальные Глобальные

Вычислительные

сети

Системы

телеобработки

Рис. 1.7. Классификация ИС

Классификация ИС. Классифицируются ИС в зависимости от способа

построения (рис. 1.7). ИС, построенные на основе отдельных ВМ,

вычислительных комплексов и систем, образуют класс сосредоточенных

(централизованных) систем, в которых вся обработка реализуется ВМ,

вычислительным комплексом или специализированной системой. Системы

телеобработки и вычислительные сети относятся к классу распределенных

систем, в которых процессы обработки данных рассредоточены по многим

компонентам. При этом системы телеобработки считаются распределенными

в некоторой степени условно, поскольку функции обработки данных здесь

могут быть реализованы централизованно (в одной ВМ или вычислительном

комплексе) или распределены между ВМ в пределах сети (распределенные

БД).

Существенное влияние на организацию ИС оказывают технические

возможности средств, используемых для сопряжения (комплексирования)

ВМ. Основным элементом сопряжения является интерфейс, определяющий

число линий для передачи сигналов и данных и способ (алгоритм) передачи

информации по линиям. Все интерфейсы, используемые в вычислительной

технике и связи, разделяются на три класса: параллельные, последовательные

и связные. Параллельный интерфейс состоит из большого числа линий,

данные по которым передаются в параллельном коде – обычно в виде слов с

разрядностью 8-128 бит. Параллельные интерфейсы имеют большую

пропускную способность, как правило, 20-1000 Мбит/с. Столь большие

скорости передачи данных обеспечиваются за счет ограниченной длины

интерфейса, которая обычно составляет от нескольких до десятков метров.

Последовательный интерфейс состоит, как правило, из одной линии, данные

по которой передаются в последовательном коде. Пропускная способность

последовательных интерфейсов обычно составляет 1-10 Мбит/с при длине

линии от десятков метров до километра. Связные интерфейсы содержат

каналы связи, работа которых обеспечивается аппаратурой передачи данных,

повышающей (в основном с помощью физических методов) достоверность

передачи. Связные интерфейсы обеспечивают передачу данных на любые

расстояния, однако с небольшой скоростью – в пределах от 10 до 100 Кбит/с.

Применение связных интерфейсов экономически оправдывается на

расстояниях, не меньших километра.

В сосредоточенных системах применяются в основном параллельные

интерфейсы, используемые для сопряжения устройств и построения

многомашинных и многопроцессорных комплексов, и только в отдельных

случаях, чаще для подключения периферийных устройств, применяются

последовательные интерфейсы. Параллельные интерфейсы обеспечивают

передачу сигналов прерывания, отдельных слов и блоков данных между

сопрягаемыми ВМ и устройствами. В распределенных системах из-за

значительности расстояний между компонентами применяются

последовательные и связные интерфейсы, которые исключают возможность

передачи сигналов прерывания между сопрягаемыми устройствами и

требуют представления данных в виде сообщений, передаваемых с помощью

операций ввода – вывода. Различие способов представления данных и

пропускной способности в параллельных, последовательных и связных

интерфейсах существенно влияет на организацию обработки данных и

программного обеспечения ИС.

2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И КЛАССИФИКАЦИЯ

ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Каждый эксперимент представляет собой совокупность трех составных

частей: исследуемого явления (процесса, объекта), условий и средств

проведения эксперимента. Эксперимент проводится в несколько этапов:

· предметно-содержательное изучение исследуемого процесса (или

объекта) и его математическое описание (если необходимо) на основе

имеющейся априорной информации, анализ условий и средств проведения

эксперимента;

· создание условий для проведения эксперимента и функционирования

исследуемого объекта в желаемом режиме, обеспечивающем наиболее

эффективное наблюдение за ним;

· сбор, регистрация и предварительная обработка экспериментальных

данных;

· представление результатов обработки в требуемой форме;

· содержательный анализ и интерпретация результатов эксперимента,

как правило, с использованием методов цифровой обработки сигналов;

· использование результатов эксперимента (коррекция физической

модели явления или объекта, принятие решения о состоянии объекта, оценка

параметров процесса, построение модели для прогноза, управления или

оптимизации и др.).

В зависимости от типа исследуемого объекта (явления) выделяют

несколько классов экспериментов: физические, инженерные, медицинские,

биологические, экономические, социологические и др. Наиболее глубоко

разработаны общие вопросы проведения физических и инженерных

экспериментов, в которых исследуются естественные или искусственные

физические объекты (устройства) и протекающие в них процессы. Как

правило, при их проведении исследователь может неоднократно повторять

измерения физических величин в сходных условиях, задавать желаемые

значения входных (объясняющих) переменных, изменять их в широких

масштабах, фиксировать или устранять влияние тех факторов, зависимость от

которых в настоящий момент не исследуется. Далее в основном будет идти

речь именно об этом классе экспериментов. В экспериментах других классов

аналогичные возможности существенно ограничены. В частности, для

экономических экспериментов характерны малый объем экспериментальных

данных, зачастую отсутствие возможностей повторения эксперимента в

аналогичных условиях, влияние большого числа неуправляемых и

неконтролируемых факторов. Тем не менее некоторые методы, используемые

при проведении физических и инженерных экспериментов, например методы