Учебно-методический комплекс дисциплины архитектура ЭВМ 090104. 65 «Комплексная защита объектов информатизации»
|
Скачать 1.92 Mb.
|
|
ТЕМА 9. Программное обеспечение (2 час.) Цели и задачи: Изучить программное обеспечение. Рассмотреть классификацию программного обеспечения. Учебные вопросы: Специфика программного обеспечения. Классификация ПО Системное ПО. Учебная информация: Классификация программного обеспечения (ПО) ПО ЭВМ можно условно разбить на следующие группы: системное ПО; служебное ПО, прикладное ПО; инструментальные средства. Системное ПО составляет собой ядро, управляющее ресурсами ЭВМ и в которое входит прежде всего дисковая операционная система (ОС). Служебное ПО включает: программы-драйверы (ПО управляющее определенными характеристиками ПК или согласовывающее ядро компьютера с ПУ), утилиты – (программы, позволяющие тестировать ЭВМ, изменять распределение ресурсов, обеспечивать защиту данных, оптимизировать работу ЭВИ и т.д.), программы-архиваторы, программы-антивирусы. Прикладное ПО это программы решающие широкий круг профессиональных задач (бухгалтерия, инженерное проектирование, издательские системы и т.д.) и программы общего назначения (текстовые редакторы, электронные таблицы, справочники, записные книжки, электронная почта и т.д.) Инструментальные средства предназначены разработки новых программных продуктов. Операционные системы Операционная система (ОС) в наибольшей степени определяет облик всей вычислительной системы в целом. ОС выполняет две по существу мало связанные функции: обеспечение пользователю-программисту удобств посредством предоставления для него расширенной машины и повышение эффективности использования компьютера путем рационального управления его ресурсами. ОС как расширенная машина с этой точки зрения функцией ОС является предоставление пользователю некоторой расширенной или виртуальной машины, которую легче программировать и с которой легче работать, чем непосредственно с аппаратурой, составляющей реальную машину. ОС как система управления ресурсами с этой точки зрения ОС представляет собой механизм, управляющий всеми частями сложной вычислительной системы (ВС). В соответствии со вторым подходом функцией ОС является распределение процессоров, памяти, устройств и данных между процессами, конкурирующими за эти ресурсы. ОС должна управлять всеми ресурсами вычислительной машины таким образом, чтобы обеспечить максимальную эффективность ее функционирования. Критерием эффективности может быть, например, пропускная способность. Управление ресурсами включает решение двух общих, не зависящих от типа ресурса задач: планирование ресурса - то есть определение, кому, когда, а для делимых ресурсов и в каком количестве, необходимо выделить данный ресурс; отслеживание состояния ресурса – то есть поддержание оперативной информации о том, занят или не занят ресурс, а для делимых ресурсов – какое количество ресурса уже распределено, а какое свободно. Для решения этих общих задач управления ресурсами разные ОС используют различные алгоритмы, что, в конечном счете, и определяет их облик в целом, включая характеристики производительности, область применения и даже пользовательский интерфейс. Операционные системы классифицируются по большому количеству признаков, ниже приведены наиболее существенные из них. Особенности алгоритмов управления ресурсами Основными ресурсами ВС являются процессоры, память, ВУ ниже приведена классификация в зависимости от особенностей использованного алгоритма управления процессором: 1) по числу одновременно выполняемых задач ОС делятся на: однозадачные – основная функция «предоставления пользователю виртуальной машины», вторая функция мало выражена (например, MS-DOS, MSX) многозадачные – кроме предоставления виртуальной машины управляют разделением совместно используемых ресурсов (OC EC, OS/2, UNIX, Windows 95, Windows NT). 2) по числу одновременно работающих пользователей ОС делятся на: однопользовательские (MS-DOS, ранние версии OS/2); многопользовательские (UNIX, Windows NT) главным отличием является наличие средств защиты информации каждого пользователя от несанкционированного доступа других пользователей. Следует заметить, что не всякая многозадачная система является многопользовательской, и не всякая однопользовательская ОС является однозадачной. 3) по виду многозадачности ОС делятся на: невытесняющая многозадачность (NetWare, Windows 3.x) – активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам, по собственной инициативе, не отдаст управление ОС для того, чтобы та выбрала из очереди другой готовый к выполнению процесс; вытесняющая многозадачность (Windows NT, OS/2, UNIX) вытесняющей многозадачности решение о переключении процессора с одного процесса на другой принимается ОС, а не самим активным процессом. 4) поддержка многонитевости – возможность распараллеливания вычислений в рамках одной задачи. Многонитевая ОС разделяет процессорное время не между задачами, а между их отдельными ветвями (нитями). 5) по виду многопроцессорной обработки ОС делятся на (если такая возможна) (Solaris 2.x фирмы Sun, Windows NT фирмы Microsoft и NetWare 4.1 фирмы Novell): асимметричные – ОС целиком выполняется только на одном из процессоров системы, распределяя прикладные задачи по остальным процессорам. симметричная – ОС полностью децентрализована и использует весь пул процессоров, разделяя их между системными и прикладными задачами. Особенности аппаратных платформ На свойства операционной системы непосредственное влияние оказывают аппаратные средства, на которые она ориентирована. По типу аппаратуры различают операционные системы ПК, мини-компьютеров, мейнфреймов, кластеров и сетей ЭВМ. Среди перечисленных типов компьютеров могут встречаться как однопроцессорные варианты, так и многопроцессорные. В любом случае специфика аппаратных средств, как правило, отражается на специфике операционных систем. Наряду с ОС, ориентированными на совершенно определенный тип аппаратной платформы, существуют ОС легко переносимые с одного типа ЭВМ на другой –это так называемые мобильные ОС (наиболее ярким примером такой ОС является UNIX). В таких ОС аппаратно-зависимые места тщательно локализованы, так что при переносе системы на новую платформу переписываются только они. Средством, облегчающем перенос остальной части ОС, является написание ее на машинно-независимом языке, например, на С, который и был разработан для программирования операционных систем. Особенности областей использования В соответствии с этим критерием ОС разделяются на: системы пакетной обработки (например, OC EC), предназначались для решения задач в основном вычислительного характера, не требующих быстрого получения результатов. Критерием эффективности такой системы является максимальная пропускная способность, то есть решение максимального числа задач в единицу времени. Для достижения этой цели в системах пакетной обработки используются следующая схема функционирования: в начале работы формируется пакет заданий, каждое задание содержит требование к системным ресурсам; из этого пакета заданий формируется мультипрограммная смесь, то есть множество одновременно выполняемых задач, предъявляющих отличающиеся требования к ресурсам, чтобы обеспечивалась сбалансированная загрузка ресурсов. Т. о., выбор нового задания из пакета заданий зависит от внутренней ситуации, складывающейся в системе. Следовательно, в таких ОС невозможно гарантировать выполнение того или иного задания в течение определенного периода времени. Основным недостатком такой системы является изолированность от пользователя. системы разделения времени (Windows, UNIX, VMS), призваны исправить основной недостаток систем пакетной обработки. Здесь каждому пользователю предоставляется терминал, с которого он может вести диалог со своей программой. Так как в таких системах каждой задаче выделяется только квант процессорного времени, ни одна задача не занимает процессор надолго, и время ответа оказывается приемлемым. Если квант достаточно мал, то у всех пользователей, одновременно работающих на одной и той же машине, складывается впечатление, что каждый из них единолично использует машину. Системы разделения времени обладают меньшей пропускной способностью, поскольку на выполнение принимается запущенная пользователем задача, а не та, которая "выгодна" системе. Критерием эффективности такой систем является удобство и эффективность работы пользователя. системы реального времени (QNX, RT/11), применяются для управления различными техническими объектами (станок, спутник, тех. процесс и т.д.). В таких системах существует предельно допустимое время, в течение которого должна быть выполнена та или иная программа, управляющая объектом, в противном случае может произойти авария. Таким образом, критерием эффективности – является способность выдерживать заранее заданные интервалы времени между запуском программы и получением результата (управляющего воздействия), т.е. временем реакции системы. Особенности методов построения При описании операционной системы часто указываются особенности ее структурной организации и основные концепции, положенные в ее основу. К таким базовым концепциям относятся: монолитное ядро, т.е. ОС компонуется как одна программа, работающая в привилегированном режиме и использующая быстрые переходы с одной процедуры на другую, не требующие переключения из привилегированного режима в пользовательский и наоборот; микроядерный подход, в этом случае ОС, работающего также в привилегированном режиме, выполняет только минимум функций по управлению аппаратурой, в то время как функции ОС более высокого уровня выполняют серверы, работающие в пользовательском режиме. При таком построении ОС работает более медленно, так как часто выполняются переходы между привилегированным режимом и пользовательским, зато система получается более надежной и гибко - ее функции можно наращивать, модифицировать или сужать, добавляя, модифицируя или исключая серверы пользовательского режима. наличие нескольких прикладных сред, которое дает возможность в рамках одной ОС одновременно выполнять приложения, разработанные для нескольких ОС. Многие современные ОС поддерживают одновременно прикладные среды MS-DOS, Windows, UNIX (POSIX), OS/2 или хотя бы некоторого подмножества из этого популярного набора. распределенная организация операционной системы позволяет упростить работу пользователей и программистов в сетевых средах. В распределенной ОС реализованы механизмы, которые дают возможность пользователю представлять и воспринимать сеть в виде традиционного однопроцессорного компьютера. Вопросы для самопроверки:
Список литературы:
РАЗДЕЛ 2. Архитектурные особенности и организация функционирования вычислительных машин различных классов (10 час.) ТЕМА 1. Классификация вычислительных систем (2 час.) Цели и задачи: Изучить классификацию вычислительных систем. Рассмотреть классификацию Флинна. Учебные вопросы: Специфика классификации вычислительных систем. Учебная информация: В соответствии с наиболее известной классификацией архитектур ВС, предложенной в 1966 году М.Флинном и базирующейся на понятии потока, под которым понимается последовательность элементов, команд или данных, обрабатываемая процессором, выделают четыре типа архитектур ВС: SISD, MISD, SIMD, MIMD: SISD (single instruction, single data) - одиночный поток команд и одиночный поток данных. К этому классу относятся, прежде всего, классические последовательные машины, или иначе, машины фон-неймановского типа, например, PDP-11 или VAX 11/780. В таких машинах есть только один поток команд, все команды обрабатываются последовательно друг за другом и каждая команда инициирует одну операцию с одним потоком данных. Не имеет значения тот факт, что для увеличения скорости обработки команд и скорости выполнения арифметических операций может применяться конвейерная обработка. Сегодня многие на многих мейнфреймах установлено несколько процессоров, но каждый из них исполняет никак не связанные потоки инструкций. Таким образом, такие системы должны рассматриваться как несколько SISD машин, работающих в различных пространствах данных. SIMD (single instruction, multiple data) - одиночный поток команд и множественный поток данных. В архитектурах подобного рода сохраняется один поток команд, включающий, в отличие от предыдущего класса, векторные команды. Это позволяет выполнять одну арифметическую операцию сразу над многими данными - элементами вектора. В таких системах обычно очень много модулей обработки (от 1024 до 16384), которые и позволяют за одну инструкцию обрабатывать несколько данных. MISD (multiple instruction, single data) - множественный поток команд и одиночный поток данных. Определение подразумевает наличие в архитектуре многих процессоров, обрабатывающих один и тот же поток данных. Однако ни Флинн, ни другие специалисты в области архитектуры компьютеров до сих пор не смогли представить убедительный пример реально существующей вычислительной системы, построенной на данном принципе. MIMD (multiple instruction, multiple data) - множественный поток команд и множественный поток данных. Этот класс предполагает, что в вычислительной системе есть несколько устройств обработки команд, объединенных в единый комплекс, каждое из которых работает со своим потоком команд и данных. Основное отличие этих систем от многопроцессорных SIMD-машин состоит в том, что инструкции и данные связаны, потому что они относятся к одной и той же исполняемой задаче. Существует очень много различных классов MIMD машин, и в классификации Флинна это никак не отражено. Вопросы для самопроверки:
Список литературы:
ТЕМА 2. Многомашинные и многопроцессорные вычислительные системы (2 час.) Цели и задачи: Изучить многомашинные и многопроцессорные вычислительные системы. Учебные вопросы: Специфика многомашинных и многопроцессорные вычислительных систем. Понятие крупномасштабных систем. Многомашинная вычислительная система. Учебная информация: Крупномасштабные системы обработки данных можно создавать, повышая мощность ЭВМ или объединяя многие ЭВМ в вычислительные комплексы и сети. Комплексирование средств вычислительной техники позволяет создавать широкую номенклатуру высокопроизводительных отказоустойчивых систем обработки данных и рассматривается как одно из перспективных направлений развития вычислительной техники. Комплексирование вычислительных систем широко применяется при создании многомашинных и многопроцессорных ВС. Многомашинные вычислительные системы Многомашинная вычислительная система (ММВС) – система (комплекс), включающая в себя две или более ЭВМ (каждая из которых имеет процессор, ОЗУ, набор периферийных устройств и работает под управлением собственной ОС), связи между которыми обеспечивают выполнение функций, возложенных на ММВС. По характеру связей между ЭВМ ММВС можно разделить на три типа: косвенно-, или слабосвязанные; прямосвязанные; сателлитные. В косвенно-, или слабосвязанных ММВС ЭВМ связаны друг с другом только через внешние запоминающие устройства (ВЗУ). Структурная схема такого ММВС приведена на. (при трех и более ЭВМ комплексы строятся аналогичным образом). В косвенно-связанных системах связь между ЭВМ осуществляется только на информационном уровне. Такая организация связей обычно используется в тех случаях, когда необходимо повысить надежность комплекса путем резервирования ЭВМ. В этом случае может быть несколько способов организации работы ММВС: Резервная ЭВМ находится в выключенном состоянии (ненагруженный резерв) и включается только при отказе основной ЭВМ. Резервная ЭВМ находится в состоянии полной готовности и в любой момент может заменить основную ЭВМ (нагруженный резерв), причем либо не решает никаких задач, либо работает в режиме самоконтроля, решая контрольные задачи. Для того чтобы полностью исключить перерыв в выдаче результатов, обе ЭВМ, и основная и резервная, решают одновременно одни и те же задачи, но результаты выдаст только основная ЭВМ, а в случае выхода се из строя результаты начинает вы давать резервная ЭВМ. Связи ЭВМ в составе ММВС Прямосвязанные ММВС обладают существенно большой гибкостью. В ММВС существуют три вида связей: общее ОЗУ (ООЗУ); прямое управление, иначе связь процессор – процессор; адаптер канал – канал (АКК). Связь через ООЗУ значительно сильнее связи через ВЗУ, вследствие того, что процессоры имеют прямой доступ к ОЗУ, хотя тоже информационная. Непосредственная связь между процессорами – канал прямого управления – может быть не только информационной, но и командной, что, естественно, улучшает динамику перехода от основной ЭВМ к резервной и позволяет осуществлять более полный взаимный контроль ЭВМ. Связь через адаптер канал – канал обеспечивает достаточно быстрый обмен информацией между ЭВМ, при этом обмен может производиться большими массивами информации. В отношении скорости передачи информации связь через АКК мало уступает связи через общее ОЗУ, а в отношении объема передаваемой информации – связи через общее ВЗУ. Прямосвязанные ММВС позволяют осуществлять все способы организации работы ММВС, характерные для слабосвязанных ММВС, но значительно более эффективно. Для ММВС с сателлитными связями ЭВМ характерным является не способ связи, а принципы взаимодействии ЭВМ. Структура связей в сателлитных ММВС не отличается от вышерассмотренных (чаще используется АКК). Особенностью этих ММВС является то, что в них, во-первых, ЭВМ существенно различаются по своим характеристикам, а во-вторых, имеет место определенная соподчиненность машин и различие функций, выполняемых каждой ЭВМ. Основная ЭВМ (чаще более высокопроизводительная) предназначена для основной обработки информации. Сателлитная (подчиненная меньшей производительности) осуществляет организацию обмена информацией основной ЭВМ с периферийными устройствами, ВЗУ, удаленными абонентами и т.д. Некоторые ММВС могут включать не одну, а несколько сателлитных ЭВМ, при этом каждая из них ориентируется на выполнение определенных функций. Сателлитные ММВС значительно увеличивают производительность, не оказывая заметного влияния на показатели надежности. Многопроцессорные вычислительные системы Многопроцессорная вычислительная система (МПВС) – это система (комплекс), включающий в себя два или более процессоров, имеющих общую ОП, общие периферийные устройства и работающих под управлением единой ОС, которая, в свою очередь, осуществляет общее управление техническими и программными средствами комплекса. При этом каждый из процессоров может иметь индивидуальные, доступные только ему ОЗУ и периферийные устройства. Следует отметить, что МПВС в аппаратном плане значительно более сложны чем ММВС. При этом основная функция по организации вычислительного процесса возлагается на ОС, что значительно осложняет ее построение. Однако, несмотря на все трудности, связанные с аппаратной и программной реализацией, МПВС получают все большее распространение, так как обладают рядом достоинств, основные из которых: высокая надежность и готовность за счет резервирования и возможности реконфигурации; высокая производительность за счет возможности гибкой организации параллельной обработки информации и более полной загрузки всего оборудования; высокая экономическая эффективность за счет повышения коэффициента использования оборудования комплекса. Существует три типа структурной организации МПВС: с общей шиной; с перекрестной коммутацией; с многовходовыми ОЗУ. В МПВС с общей шиной проблема связей всех устройств между собой решается крайне просто: все они соединяются общей шиной, по которым передаются информация, адреса и сигналы управления . Интерфейс является односвязным, т. е. обмен информацией в любой момент времени может происходить только между двумя устройствами. Если потребность в обмене существует более чем у двух устройств, то возникает конфликтная ситуация, которая разрешается с помощью системы приоритетов и организации очередей в соответствии с этим. Обычно функции арбитра выполняет либо процессор, либо специальное устройство, которое регистрирует все обращения к общей шине и распределяет шину во времени между всеми устройствами комплекса. Достоинством такой структуры является простота, в том числе изменения комплекса, а также доступность модулей ОЗУ для всех остальных устройств. Недостатками является невысокое быстродействие (одновременный обмен информацией возможен между двумя устройствами, не более), относительно низкая надежность системы из-за наличия общего элемента – шины. МПВС с перекрестной коммутацией лишены недостатков, присущих МПВС с общей шиной. В таких МПВС все связи между устройствами осуществляются с помощью коммутационной матриц. Коммутационная матрица (КМ) позволяет связывать друг с другом любую пару устройств, причем таких пар может быть сколько угодно: связи не зависят друг от друга. В МПВС с перекрестной коммутацией возможность одновременной связи нескольких пар устройств позволяет добиваться очень высокой производительности комплекса. Кроме того, к достоинствам структуры с перекрестной коммутацией можно отнести простоту и унифицированность интерфейсов всех устройств, а также возможность разрешения всех конфликтов в коммутационной матрице. Важно отметить и то, что нарушение какой-то связи приводит не к выходу из строя всего комплекса, а лишь к отключению какого-либо устройства, т. е. надежность таких комплексов достаточно высока. Недостатками таких МПВС является сложность наращивания, что требует установки новой коммутационной матрицы, а также то, что при большой номенклатуре устройств КМ становится сложной, громоздкой и достаточно дорогостоящей. В МПВС с многовходовыми ОЗУ все, что связано с коммутацией устройств, осуществляется в ОЗУ. В этом случае модули ОЗУ имеют число входов, равное числу устройств, которые к ним подключаются. В отличие от МПВC с перекрестной коммутацией, которые имеют централизованное коммутационное устройство, в МПВК с многовходовыми ОЗУ средства коммутации распределены между несколькими устройствами. Такой способ организации МПВК сохраняет все преимущества систем с перекрестной коммутацией, несколько упрощая при этом саму систему коммутации. Кроме приведенных структурных организаций ММВС и МПВС нередко встречаются и смешанные. Вопросы для самопроверки:
Список литературы:
|
Похожие:
 |
Учебно-методический комплекс дисциплины обсужден на заседании кафедры... Защита информационных процессов в компьютерных системах 090104. 65 – Комплексная защита объектов информатизации Форма подготовки... |
 |
Учебно-методический комплекс дисциплины обсужден на заседании кафедры... Системы и сети связи 090104. 65 – Комплексная защита объектов информатизации Форма подготовки очная |
|
Учебно-методический комплекс дисциплин по дисциплине «Веб-дизайн» По дисциплине «Веб-дизайн» 090104. 65 – Комплексная защита объектов информатизации Форма подготовки очная |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины «защита прав потребителей» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины «Практикум на эвм» Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного стандарта высшего профессионального образования... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины «технология и комплексная... Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины информатика и ЭВМ в психологии... Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины «организационное поведение» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины «Торговое оборудование» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины «Русский язык и культура речи» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины «Системное программное обеспечение» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен на основании требований государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины «Релейная защита и автоматизация» Целью изучения дисциплины является подготовка инженеров в области релейной защиты и автоматики систем электроснабжения |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины Учебно-методический комплекс дисциплины составлен на основании государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины Учебно-методический комплекс дисциплины составлен на основании государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины обсужден на заседании кафедры... Учебно-методический комплекс дисциплины составлен на основании требований государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины «римское право» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |