Вычислительные машины, комплексы, системы и сети

Совокупность технических и программных средств, предназначенных для информационного обслуживания людей и технических объектов, называют обобщающим термином система обработки данных . Другим обобщающим термином является информационная система .

Если информационная система используется для управления в технических системах, ее часто называют информационно-управляющей системой . Это наиболее общие названия для систем такого назначения.

ВМ – это один из классов информационных систем. Помимо класса ВМ к ним относятся ВК, ВС и сети. Рассмотрим основные отличительные признаки этих классов информационных систем.

ВМ предназначена для решения широкого круга задач пользователями, работающими в различных предметных областях (решение математических задач, обработка текстов, бухгалтерский учет, игры и др.). Основным блоком ВМ, осуществляющим преобразование информации и управление вычислительным процессом на основе программы, является процессор. (Слово «процессор» является производным от слова «процесс») Процессор инициализирует процесс исполнения программы и управляет им.

Вычислительный комплекс – это несколько ВМ (или вычислительных систем), информационно связанных между собой (обычно по последовательному каналу). При этом каждая ВМ самостоятельно управляет своими вычислительными процессами, и интенсивным (в сравнении с информационным взаимодействием процессоров в мультипроцессорных системах). Особенно широкое применение ВК получили в информационно-управляющих системах. Объекты управления в технических системах часто имеют значительную протяженность в пространстве и содержат большое число агрегатов, технологических установок и т.п. По мере развития средств и технологий компьютерных сетей в информационно-управляющих системах используются современные телекоммуникационные средства, и информационно-управляющая система реализуется в виде локальной вычислительной сети, а не ВК.

Вычислительной системой называют информационную систему, настроенную на решение задач конкретной области применения, т.е. в ней имеется аппаратная и программная специализация, обеспечивающая повышение производительности и снижение стоимости. Часто ВС содержит несколько процессоров, между которыми в процессе работы происходит интенсивный обмен информацией, которые имеют единое управление вычислительными процессами. Такие системы называются мультипроцессорными . Другим распространенным типом ВС являются микропроцессорные системы . Они строятся с использованием либо микропроцессора (МП), либо микроконтроллера, либо специализированного процессора цифровой обработки сигналов. Обычно такие системы специализированы для задач локального управления и контроля технологическим оборудованием в технических и бытовых системах. Соответствующие ВС часто называют встраиваемыми ВС .

Отличительной особенностью сетей как класса информационных систем являются развитые функции информационного взаимодействия.

Средства передачи и обработки информации в сети ориентированы на коллективное использование общесетевых ресурсов – аппаратных, информационных и программных. Абонентская система – это совокупность ВМ, программного обеспечения (ПО), периферийного оборудования, средств связи с телекоммуникационной подсистемой (коммуникационной подсетью). Коммуникационная подсистема – совокупность физической среды передачи информации, аппаратных и программных средств, обеспечивающих информационное взаимодействие абонентских систем.

В качестве физической среды передачи информации используют витую пару, кабель, оптоволокно, электромагнитные волны.

Аппаратуру информационных систем, включающую устройства вычислительной техники и телекоммуникаций, называют аппаратным обеспечением (hardware).

103. Основные понятия о комплектах и комплексах машин, выполняющих строительные работы. Критерии выбора комплектов машин.

Различают частичную и комплексную автоматизацию Частичная автоматизация - это автоматизация отдельных механизируемых операций технологического процесса. Она осуществляется в тех случаях, когда управление процессами вследствие их сложности или нерентабельности не может быть реализовано.

Комплексная автоматизация охватывает все основные технологические операции строительного процесса. В настоящее время выделяют пять основных процессов превращения исходных продуктов в готовое изделие, конструкцию, объект и т. д.:

ручной, когда все операции технологического процесса выполняются вручную с использованием простейшего механизированного инструмента;

механизированный, когда большинство операций технологического процесса выполняются с помощью машин и механизмов, а человек в основном выполняет функции управления машинами и механизмами;

комплексно-механизированный, когда все без исключения операции технологического процесса выполняются с помощью машин и механизмов, а человек выполняет только функции управления машинами и механизмами;

автоматизированный, когда все операции технологического процесса выполняются с помощью машин и механизмов, под управлением отдельными машинами и механизмами; автоматическими средствами управления.

комплексно-автоматизированный, когда вес операции технологического процесса выполняются и управляются с помощью машин и механизмов с широким использо­ванием микропроцессорной техники и электронно-вычислительных машин

Рассматривая строительное производство как единый процесс возведения объектов из элементов заводского изготовления, можно видеть следующие основные фазы: добыча сырья (песок, гравий, глина и т. д.) на карьерах нерудных материалов: доставка сырья, материалов, полуфабрикатов на предприятия строительных материалов, изделий и конструкций; производство строительных материалов, изделий и конструкций на предприятиях стройиндустрии; доставка строительных материалов, изделий и конструкций на объект строительства; собственно строительно-монтажный процесс возведения объекта.

Используя временной аспект, можно рассматривать следующие основные стадии механизации и автоматизации строительного процесса: научные разработки, проектирование, формирование и эксплуатацию.

Для выполнения работ на каждой фазе строительного процесса можно выделить: комплекты машин, комплексы машин, парки машин. Каждый из этих элементов характеризуется определенными взаимосвязями между машинами, особенностями их функционирования, методами и способами их проектирования, формирования и эксплуатации.

Комплект машин - это совокупность взаимосвязанных машин, выполняющих определенную работу, составляющую, как правило, часть технологического процесса, но достаточно самостоятельную. Например:

комплект машин экскаватор-автосамосвалы, кран-панелевозы, бетоносмесительная установка-бетоновозы и т. д.

Комплекс машин - это совокупность взаимосвязанных машин, выполняющих заданный технологический процесс. В состав комплекса машин могут входить Комплекты машин. Например, бетоносмесительная установка-бетоновоз - промежуточный бункер-бетонасос.

Парк машин - это совокупность однородных машин для выполнения заданных объемов работ. Здесь не обязательна взаимосвязь машин в парке.

Для упрощения изложения, вместо конкретных понятий - комплект, комплекс, парк мы будем часто использовать термин система машин.

Для направленного изучения основных приемов и средств решения проблемы комплексной механизации, автоматизации и механовооруженности строительства проведем классификацию систем машин. В качестве основных классификационных признаков примем следующие: сложность системы машин; характер работы системы машин и характер взаимодействия машин в системе. Хотя такое деление и относительно, но оно позволяет выделить соответствующие принципы, методы и средства анализа, синтеза и оптимизации высокоэффективных систем машин в строи­тельстве.

Сложность системы машин определяется тремя факторами: размерностью, т. е. общим числом параметров, характеризующих систему машин: сложностью структуры, определяемой общим числом связей между машинами и их разнообразием; сложностью ситуаций, в которых может находиться система.

Системы с большим числом параметров и более сложной структурой относятся к очень сложным системам машин.

По характеру работы системы машин можно разделить на три группы: непрерывного действия, когда все машины работают непрерывно (например, стан непрерывной прокатки изделий); смешанного действия, когда часть машин работает непрерывно, а часть - циклично (бетоносмесительный завод-транспортировка бетона-непрерывная укладка бетона); циклического действия, когда вес машины работают циклично (экскаватор-автосамосвалы, кран-панелевоз).

Из всех систем машин наиболее распространены системы циклического действия, они более специфичны и универсальны Это объясняется тем, что в строительстве, в основном, находятся в движении не предметы труда, а средства труда, средства механизации: машины, комплекты машин

Для комплексов машин с исходной информацией в неопределенной форме оценка ожидаемого эффекта проводится в соответствии с теорией игр и статистических решений по целому комплексу специальных критериев оптимизации: критерий минимальных потерь, критерий минимального риска, критерий обобщенного минимакса, критерий недостаточного обоснования. Каждый из рекомендуемых критериев даст наилучший результат в определенном отношении.

Многопроцессорные

Многопроцессорный вычислительный комплекс (МПВК) - ϶ᴛᴏ комплекс из нескольких процессоров (или ПЭ), взаимодействующих между собой через единый ресурс под управлением единой операционной системы, организующей весь процесс обработки в комплексе.

Задачи управления, которые решаются единой операционной системой в МПВК:

1. Все задачи, которые встают при реализации мультипрограммного режима.

2. Распределœение ресурсов и заданий между процессорами.

3. Синхронизация процессоров при решении несколькими процессорами одной задачи.

4. Разрешение конфликтных ситуаций при обращении нескольких процессоров к единому ресурсу (ОЗУ, ПУ, канал и т.д.).

5. Обеспечение работоспособности вычислительной системы при выходе из строя какого-либо блока МПВС.

6. Планирование вычислительного процесса с учетом оптимизации загрузки всœех процессоров.

Управление вычислительным процессом в МПВК должна быть организовано синхронным или асинхронным способом.

Асинхронный способ позволяет инициализировать начало очередного процесса сразу же после окончания предыдущего. Запуск нового процесса возможен в том случае, в случае если для него готовы всœе данные. Полностью асинхронная форма запуска соответствует управлению, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ принято называть управление потоком данных.

Многопроцессорные вычислительные системы (МПВС) – класс параллельных средств обработки информации, которые характеризуются тремя особенностями:

‣‣‣ MIMD-архитектурой;

‣‣‣ множеством процессоров;

‣‣‣ единым общедоступным ресурсом (как правило, общей оперативной памятью).

Анализ многопроцессорных ВС и тенденций их развития позволяет считать в качестве канонической структуру мультипроцессора, представленную на рис. 5.4.

Многопроцессорная вычислительная система представляет собой композицию, в которой выделяются подмножество элементарных процессоров (ЭП), подмножество модулей памяти (МП) и коммутатор, обеспечивающий взаимодействие между любыми элементами различных подмножеств. Подмножество модулей памяти МП 1 - МП m , по сути является общей памятью для всœех процессоров ЭП 1 -ЭП n , обычно n≤m. Взаимодействие между ЭП осуществляется не через коммутатор, а через общую память. Все ЭП, как правило, идентичны.

В первых МПВС (60-е и 70-е годы ХХ в.) число n достигало десяти. Современные многопроцессорные ВС представляют из себясистемы с числом ЭП от 10 до 10 5 .

На первый взгляд может показаться, что создание МПВК (или МПВС) решает всœе вопросы обеспечения высокой производительности. Действи­тельно, чего проще – устанавливай большое число ЦП, ставь ОП достаточно большого объёма и с хорошими характеристиками быс­тродействия, набор периферийного оборудования и получай соот­ветствующий эффект. При этом существует по крайней мере две проблемы, которые усложняют решение задачи повышения производительности таким способом.

Первая проблема - организация связей между элементами комплекса (рис. 5.5).

Существует три типа структурного построения МПВК: с общей или разделяемой во времени шиной; с перекрестной коммутацией; с многовходовой оперативной памятью. МПВК с такими структурами считаются классическими.

Структурная схема МПВК с общей или разделяемой во времени шиной (рис. 5.6, а). Все устройства объединя­ются общей совокупностью проводов (общей шиной), по которым передаются данные, адреса, команды, управляющие сигналы.

Структура МПВК с перекрестной коммутацией (рис. 5.6, б). Здесь используется специальный централизованный комму­татор, связывающий между собой всœе компоненты комплекса. При этом коммутатор строится таким образом, что одновременно могут происходить передачи информации между несколькими парами устройств.

Структура МПВК с использованием многовходовой памяти (рис. 5.6, в). Здесь коммутация осуществляется в модулях ОП, каждый из которых имеет число входов-выходов, равное числу остальных компонентов комплекса. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, каждый компонент имеет непосредственную связь с модулем ОП. Структура такого МПВК подобна структуре с коммутатором, только коммутатор выполнен не в виде одного отдельного устройства, а распределœен по всœем модулям памяти. Такое решение по многим причинам упрощает реализацию. По такой схеме строится большинство про­мышленных комплексов, в частности по такой схеме выполнены комплекс "Эльбрус" и комплексы на базе ЕС ЭВМ.

Эффективность работы МПВС (МПВК) в очень сильной степени зависит от организации вычислительного процесса, требую­щей значительных затрат, ᴛ.ᴇ. от способов распределœения и использования аппаратных, программных и информационных ресурсов. Выделяют три базовых способа огранизации вычислительного процесса в многопроцессорных ВС: ведущий-ведомый; с раздельным выполнением заданий; симметричная обработка.

· Наиболее простая организация вычислительного процесса строится по принципу "ведущий-ведомый", когда на один из про­цессоров возлагаются функции по управлению всœеми остальными. Ведущий процессор распределяет задания и необходимые для их выполнения ресурсы, что исключает конфликты из-за ресурсов и уменьшает частоту незапланированных ситуаций. При этом сам ведущий процессор практически исключается из решения приклад­ных задач и становится узким местом в плане надежности.

· Организация с раздельным выполнением заданий. Все про­цессоры находятся в равных условиях - выполняют всœе функции, связанные с обработкой информации. При этом это достигается за счёт статического распределœения ресурсов одновременно с распре­делœением заданий; при выполнении прикладных процессов пере­распределяться не могут, что приводит к неравномерной загрузке процессоров, каналов, модугей памяти и, следовательно, снижению эффективности комплекса. (+ 1) надежность выше; 2) всœе ПЭ однородны по функциямʼʼ)

· При симметричной обработке устанавливается перечень задач (который может постоянно наращиваться) и каждый процессор при освобождении от предыдущей задачи выбирает себе новую из общего перечня, набирая себе необходимые ресурсы (области ОП, внешнюю память, каналы, ПУ). Потенциально такая организация может обеспечить наивысшую загрузку процессоров, но вызывает множество конфликтных ситуаций между ними из-за ресурсов и усложняет проблемы синхронизации процессов.