Метод_указания к Лабораторным работам (1). Структурную и функциональную классификацию вс
 Скачать 2.03 Mb.
|
|
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 Тема: «Структурную и функциональную классификацию ВС» Цель работы: На основе характеристических параметров провести структурную и функциональную классификацию ВС. 1. Понятие информационной структуры три уровня моделей Под информационной системой понимают систему, которая создана для реализации тех или иных операций над информацией. Этими операциями могут быть получение, сбор, передача, хранение, поиск и т.д. Изучая информационные системы, могут исходить из того, что накапливаемая в них информация представляет собой модель некоторой области реального мира. Основное требование к каждой информационной системе - адекватности этой модели. Эту предметную область, которая соответствовала бы информационной системе, мы можем описать в виде некоторой системы документов и некоторого количества процедур, выполняя которые можно обрабатывать эти документы. Получаемое указанным путем описание некоторой системы документов и процедур можно считать моделью 1-гo уровня (нижнего). Эта модель является моделью не только предметной области, но и будущей информационной системой. Следующим шагом можно считать уточнение модели 1-го уровня, в результате которого будет получена математическая модель информационной системы. Это уточнение сопровождается использованием аппарата математики. Эту модель, выраженную средствами математики называют моделью 2-го уровня. Машинную реализацию информационной системы - называют моделью 3-го уровня. В дальнейшей работе, связанной с информационными системами мы будем использовать модели 2-го и 3-го уровня. 2. Понятие структуры информационной системы и ее разновидности Под структурой информационной системы понимается совокупность и взаимодействие её отдельных подсистем. Каждая подсистема информационной системы в свою очередь является множеством входов, выходов с определенным законом и алгоритмом функционирования. Поскольку разбиение системы не единственно, то одна и та же система может иметь различную структуру. Подсистемой для технических информационных систем считают обычно некоторый блок или устройство, оформленное в виде единого целого. Подсистемой сложной информационной системы могут быть вычислительная машина, табло для оператора, регулятор и т.д. Структура часто служит способом описания системы. При этом выделяемые подсистемы обязательно соответствуют физически реализуемым блокам или подсистемам. Они выбираются исходя из удобства объяснения действий системы и ее особенностей. Под структурным описанием информационной системы обычно понимается изображение системы в виде структурной схемы, т.е. совокупности некоторых блоков, у которых заданы входы, выходы и связи между блоками. Обычно при этом закон функционирования и их входные функции задаются в обобщенном виде. Структуру систем можно классифицировать: 1. По числу уровней иерархии: одноуровневые; многоуровневые: однородные - функции узлов одного уровня идентичны; неоднородные. 2. По принципам управления и подчиненности: децентрализованные; централизованные; смешанные. Пусть известна вектор-функция, определяющая закон управления:  , где i=1,2,3,…,N.Ui - управляющее воздействие, поступающее на вход i-го объекта управления. Хi  X - множество выходов объекта управления информацией, которые используются для выработки управляющего воздействия Ui.Система является децентрализованной, если в алгоритме имеет место соответствие Хi x, и для выработки управляющего воздействия Ui на i-ый объект необходимо знание информации о состоянии этого объекта.Информационная система в этом случае распадается на N независимых подсистем с локальными законами управления: В этом случае решения отдельными элементами системы принимаются независимо и не корректируются системой более высокого уровня. Децентрализованная структура S представляет собой набор независимых структур Si подсистем управления каждым объектом:  (рис. 4а).3. Структурная классификация   Рис 3б  Рис 3в    Централизованная система получается, если все операции реализовать в одном месте - центральном пункте управления. Центральный пункт управления выдает на объект непосредственно управляющее воздействие. Структура имеет вид:  (рис. 4б).В централизованных системах задания отдельным элементам системы выдаются лишь одним элементом более высокого уровня. Эти системы являются самыми экономичными по расходу технических средств, но вместе с тем менее надежными, т.к. при выходе из строя центрального пункта управления полностью нарушаются. В смешанных системах управление некоторым функциями происходит централизованно, других - децентрализовано. 3. По выполняемым функциям и целевому назначению различают структуру систем: планирования; оперативного управления; информационную и т.д. 4. По принципам разбиения элементов системы на подсистемы различают структуру систем, в которой элементы объединяются по: функциональному признаку; объектному признаку. При объектном признаке разбиения различают структуру отраслевых, региональных систем и т.д. Рассмотрим характеристические переменные, позволяющие проводить классификацию вычислительных систем (ВС) по структуре. Предположим, что ВС состоит из N машин. 1) Характеристическая переменная  - вид обмена информацией между ВС и внешним миром.α = 2, если ВС имеет централизованное устройство обмена (рис.1а). α = 0, ввод и вывод информации осуществляется через все машины системы (рис. 1б). α = 1, в промежуточном случае. 2) Промежуточная переменная β - метод хранения программ, вводимых в ВС и исходной информации. β = 2, при централизованном хранении программы и исходных данных. β = 0, при хранении всей программы и числовой информации во всех машинах системы. β = 1, в промежуточном случае. 3) Характеристическая переменная γ - способы организации обмена, как управляющей, так и функциональной информацией (программной и числовой) в процессе решения задач между машинами ВС. γ = 2, когда вся информация проходит через одну, специально выделенную машину (рис. 2а). γ = 1, когда каждая машина системы непосредственно связана с другими машинами по всем видам обмена (рис. 2б). γ = 0, промежуточный случай, когда группа машин, входящих в ВС обмениваются через специальные выделенные машины (рис. 2в). 4) Характеристическая переменная δ - различие возможных случаев обмена информацией, когда в ВС осуществляется передача управляющей, программной и числовой информации. δ = 2, если в ВС централизованно передается два вида информации (или вся информация) (рис. 3б). δ =0, когда программная информация не предается или вообще нет передаваемой информации (рис. 3в). δ = 1, когда в ВС централизованно передается вид информации, а два других непосредственно циркулируют непосредственно между машинами системы (рис. 3а). 5) Характеристическая переменная ε - (см. характеристическую переменную δ из пункта 4). ε = 2, когда централизованно передается программная информация (рис. 3а, рис. 3б). ε = 0, когда - либо вообще нет передаваемой информации, либо централизованно передается только управляющая информация (рис. 3в). ε = 1, когда централизованно передается числовая информация (программа либо отсутствует, либо предается механическим способом). 6) Характеристическая переменная ξ -различные структуры памяти. ξ = 2, если оперативная и внешняя память централизованны (объединены в единую память ВС). ξ = 0, если у каждой машины есть в ВС автономная внешняя и оперативная память (это не исключает некоторого буфера для обмена информацией между машинами ВС). ξ = 1, в промежуточном случае, когда в ВС обобществлена только внешняя память машин, а оперативная память у каждой машины автономно, либо внешняя и частично оперативная память, а часть оперативной памяти остается автономной. Введенные характеристические переменные α,β,γ,δ,ε,ξ позволяют проводить классификацию ВС по структуре. Образуем функции:  Функция f каждому набору характеристических переменных ставит в соответствие число, называемое характеристическим числом ВС. Функция F может рассматриваться как мера централизации ВС. Чем больше F, тем больше централизована структура. Общее число различных структур ВС (по выделенным характеристикам) равно 3729. На самом деле из-за зависимости признаков возможных структур ВС существенно меньше, так как не любые комбинации характеристических переменных допустимы. Выделим наиболее часто встречающиеся структуры: 1. Абсолютно централизованные ВС. Для них  f=901800900 F=12 Отличительной чертой абсолютноцентрализованной системы является наличие в ней специализированной центральной машины, которая осуществляет функции управления и обмена информацией в системе. 2. Абсолютно децентрализованные ВС. Для них  f=1 F=0 В таких системах отсутствует какое-либо централизованное управление и распределение информации. Каждая машина ВС действует при решении задач автономно, а процесс решения организуется за счет передачи между машинами системы специального набора сигналов. 3. Централизованные ВС. К централизованным ВС относятся такие системы, в которых имеется одна выделенная машина, которая либо является центрально управляющей машиной, либо выполняет функции управления в системе, осуществляя объединение машин в единую систему: F=8…11 4. Децентрализованные ВС. К децентрализованным ВС относятся системы, в которых нет единой четко фиксированной машины, которая управляла бы решением задач на системе: F=1…8 К структурным признакам ВС относятся признаки, характеризующие степень однородности. Система может состоять из однотипных или разнотипных машин, соединенных однотипным или разнотипным способом. Однородность присуща децентрализованным системам. 4. Функциональная классификация Структурная классификация не исчерпывает полностью признаки, по которым могут быть классифицированы ВС. Можно указать четыре различных режима работы ВС: 1. Режим типа «запрос-ответ». В этом режиме все программы задач, решаемые на ВС, постоянно находятся в памяти системы. Извне поступает не программы, требующие реализации, а лишь заявки отдельных программ и исходные числовые данные на них. 2. Режим - параллельный. В этом режиме работы на ВС в каждый данный момент решается одна большая задача. При этом все машины системы выполняют отдельные части этой задачи. Системы, работающие в таком режиме, называют системами параллельного типа. Режим - пакетный. При четвертом режиме для ввода задач в ВС и вывода результатов используется несколько пультов. Каждый пользователь работает за своим пультом независимо от других. У каждого пользователя имеется иллюзия того, что ВС решает его задачу. Эта иллюзия достигается за счет большой производительности системы и небольшой скорости человека за пультом. Введем характеристические переменные λ, μ, γ, π, ρ, θ, ψ, χ, φ, ξ, η, ω. 1)  2)  Характеристики, связанные с языком представления программной и числовой информации: ρ, θ, ψ. При общении пользователя с ВС можно различать три языковых уровня: внешний язык (на котором пишет программу и вводит числовые данные пользователь); системный язык (на котором машины системы обмениваются программной и числовой информацией); машинный язык (пользуясь которым, машины системы реализуют необходимые операции). Наличие трех языковых уровней вызывает необходимость в средствах преобразования программной и числовой информации при вводе ее в систему и при организации обмена между машинами. В однородных системах все три уровня могут совпадать, в неоднородной системе необходимо, по крайней мере, два уровня – системный, машинный - не совпадающие между собой. В если в ВС имеется 3-и языковых уровня, если в ВС имеется меньшее число уровней. качестве внешнего языка ВС желательно использовать язык достаточно высокого уровня (СИ, ПАСКАЛЬ), что приводит к необходимости трансляции или интертрансляции его на системный уровень, поэтому необходимо стремиться к схемной реализации процесса перевода одного уровня на другой, т.е. к интерпретации языка более высокого уровня. 3.  если в ВС имеется не менее 3- языковых уровней, в противном случае. 4.  если в ВС предусмотрена машина, способная схемно интерпретировать запись на внешнем языке системы, если такая машина в системе отсутствует. 5.  Характеристики ВС, связанные с организацией обмена информации внешними источниками и пользователями: χ.. Возможны два режима такого обмена: 1-й: в момент обмена основные процессоры простаивают (т.е. решение задачи прекращается). 2 при первом режиме, при втором режиме. -й: этого не происходит, т.к. в составе ВС имеются специальные автономные устройства обмена. 6.  П если в ВС предусмотрена операция прерывания программы, в противном случае. ри решении на ВС группы задач может возникать необходимость прерывания решения одной задачи для решения более важной задачи. После окончания ее решения ВС может продолжать решение ранее прерванной задачи. Наличие прерывания требует включения в состав управляющей системы ВС либо специальных блоков, либо специальных программ. 7.  Часто оказывается необходимым (особенно в ВС управляющего типа) уметь осуществлять «прерывание в прерывании», т.е. после прерывания реализации некоторой программы за счет реализации более важной программы, а затем за счет более приоритетной задачи. Такое «прерывание в прерывании» может иметь достаточную глубину. 8 если допускается глубина прерывания больше единицы, в противном случае. .  При разработке ВС управляющего типа зачастую необходимо формировать очередь на обслуживание в соответствии с приоритетом решаемых задач. Для этого в составе средств управления ВС должны быть предусмотрены схемный или программный механизм, осуществляющий совокупность операций по формированию очереди. 9 если в ВС существует такой механизм, в противном случае. .  В составе ВС наряду с цифровыми вычислительными машинами могут включаться и аналоговые, либо аналогово-цифровые, что увеличивает эффективность использования системы при решении некоторых задач в реальном масштабе времени. 1 если ВС имеет возможность работать в реальном масштабе времени, в противном случае. 0.  По аналогии с F в структурной классификации введем Н. Чем больше Н, тем большими возможностями обладает ВС.  Η = 12, (максимальное значение) у существующих систем не достигнуто. Η = 1, (минимальное значение) система имеет малые функциональные возможности. Н=2...8, система имеет большие функциональные возможности. Рассмотрим примеры существующих ВС для иллюстрации принципов классификации, рассмотренных выше. 1.IBM-360 (рис.5). α=2 λ=0 ψ=0 F=6 β=2 μ=0 χ=1 Η=6 γ=0 ν=1 φ=1 δ=0 π=1 ξ=1 ε=0 ρ=0 η=0 ζ=2 θ=1 ω=0 ВЫВОД: децентрализованная система, с большими функциональными возможностями. 2.ICT и EELM (рис.6).' α=1 λ=0 ψ=0 F=8 β=1 μ=1 χ=1 Η=8 γ=2 ν=1 φ=1 δ=2 π=1 ξ=1 ε=2 ρ=1 η=0 ζ=0 θ=1 ω=0 ВЫВОД: децентрализованная система, в которой в каждый момент имеется фиксированная децентрализация с большими функциональными возможностями.  Абоненты  Рис. 6. Подготовка к лабораторной работе Данная лабораторная работа рассчитана на 2 часа работы в лаборатории и 2 часа работы дома. Она состоит в изучении структурной и функциональной классификации ВС, основанных на применении характеристических параметров ВС. Данная лабораторная работа включает в себя также создание блок-схемы (согласно варианту), программы и получения конечных результатов. Для допуска к лабораторной работе необходимо самостоятельно изучить предложенную литературу, ответить на контрольные вопросы к теоретической части, составить блок-схему и на алгоритмическом языке написать текст программы. Содержание лабораторной работы 1. Разработать алгоритм согласно заданию, указанному в конкретном варианте. 2. Составить программу на алгоритмическом языке для разработанного алгоритма. 3. Отладить программу на ПК. 4. Повести анализ полученных результатов и сделать вывод. Содержание отчета Отчет должен содержать: 1. Задание на лабораторную работу в полном объеме согласно варианту. 2. Блок-схемы алгоритмов для конкретного варианта. 3. Листинги программ для алгоритмов, написанные на алгоритмическом языке. 4. Результаты решения задачи. 5. Структурные схемы вычисляемых систем согласно исходным данным и полученным результатам. 6. Выводы по полученным результатам. Контрольные вопросы 1. Что называется информационной системой? 2. Что понимается под моделями 1 -го, 2-го, 3-го уровней? 3. Что называется структурой информационной системы? 4. По каким признакам она классифицируется? 5. Какими бывают системы по принципам управления в подчиненности? 6. Что такое децентрализованная система? 7. Какие вводятся характеристики для классификации ВС по структуре? 8. Что они характеризуют? 9. Что называется характеристически числом вычислительной системы? Приложение Индивидуальные задания ЗАДАНИЕ №1 Определение структуры по заданным - характеристическим параметрам Таблица №1
АЦ - абсолютно централизованные ВС. АДЦ - абсолютно децентрализованные ВС. ДЦ - децентрализованные ВС. ЦН - централизованные ВС. Алгоритм решения | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||