Информатика как основообразующая дисциплина формирования информсреды образования (стр. 7 )

·  Последовательный доступ, напротив, допускает доступ к данным только в жестко предписанной последовательности. Если необходимо получить доступ к определенной информации, то сначала надо в установленной последовательности просматривать и анализировать данные до тех пор, пока не будет достигнута нужная порция данных. Типичным примером структуры данных с концепцией последовательного доступа является файл в языке Паскаль. При этом для различных элементов хранимых данных получаются различные времена доступа.

Особое место занимает так называемая ассоциативная память. Здесь доступ к данным происходит не по адресам, а по определенным свойствам содержимого ячеек памяти ("ищется содержимое ячейки памяти, которая хранит слово, начинающееся определенной комбинацией битов").

Чип памяти	Быстрота доступа	Емкость
Регистр	Очень быстрая	Незначительная
Буферная память	Быстрая Медленная	Малая
Оперативная память	Медленная	От средней до большой
Память данных	Медленная	Большая
Массовая память	Очень медленная	Очень большая
Архивная память	Непосредственно недоступна (off line)	Очень большая

Таблица 4. запоминающих устройств и их свойств

Запоминающие устройства могут быть классифицированы также по типу их использования в машине. Приведенная здесь таблица показывает различные характеристики к времени доступа и емкости памяти в зависимости от применений.

Для памяти с большой емкостью и небольшой скоростью доступа применяется техника, при которой стоимость на одно запоминающее место очень мала. В табл. 1.7 приведен ряд технических возможностей реализа­ции запоминающих устройств и их технические характеристики.

Запоминающие устройства	Скорость доступа	Емкость
Магнитные ленты	Медленная	Большая
Магнитные диски	Средняя	Большая
Магнитные барабаны	Средняя	Большая
Дискеты	Средняя	Большая
Кассеты магнитных лент	Медленная	Большая
Магнитные карты	Медленная	Средняя
Память на полупроводниках	Быстрая	Малая

Таблица 5. Запоминающие устройства и их свойства

Техническая реализация запоминания весьма различна. В случае магнитных лент, дисков, барабанов и карт запоминание осуществляется магнитным воздействием на участок магнитного слоя с помощью записывающей головки. В результате такого воздействия поворачивается и остается до нового воздействия зафиксированной ось магнитных доменов вещества ферромагнетика, выбираемого, по возможности, с широкой прямоугольной петлей гистерезиса. Площадь петли гистерезиса элементарной площадки материала – домена – равна удельной энергии на перемагничивание материала, то есть энергии сигнала, отображающего бит информации. Напряженность (остаточная) магнитного поля возле этой элементарной площадки тем больше, чем выраженнее петля гистерезиса материала. Эта напряженность фиксируется датчиком-преобразователем (считывающей головкой и соответствующей электронной схемой) при считывании информации с магнитного носителя в виде одного из пороговых состояний +1 и ноль, в каковом виде поступает на дальнейшую обработку. Следует отметить также, что минимально-возможные размеры таких элементарных площадок год от года удается уменьшать, приближая их к молекулярным размерам, что резко повышает плотность записи информации. Благодаря этому сравнительно небольшие диски винчестеров персональных машин вмещают до десятков и даже сотен Гигабайт информации.

Для построения регистров и главной памяти сегодня главным образом используются полупроводниковые элементы, которые работают на тех принципах, что и в случае построения триггеров. Различают следующие типы памяти на полупроводниках:

·  память для чтения и записи,

·  односторонняя память (только для чтения),

·  программируемая односторонняя память,

·  стираемая программируемая односторонняя память.

Наряду с памятью на полупроводниках в настоящее время находят применение также следующие способы запоминания:

·  память на магнитных доменах (англ. bubble-memories),

·  оптическая (голографическая) память.

Емкость памяти становится все больше, так что новые поколения машин могут быть снабжены памятью большой емкости. Это оказывает обратное влияние на организацию программ, методику управления памятью и ее использования, а также на круг задач, которые имеет смысл решать с помощью машин.

Понятие: Устройства ввода и вывода.

Комментарий: Устройства ввода служат для задания машине данных, команд и программ. Используются следующие типы устройств ввода:

·  терминалы (с клавиатурой ввода, световым пером, мышью и т. д.),

·  устройство ввода с перфокарт и перфолент,

·  устройство ввода графических изображений (англ. scanner),

·  оптические и магнитные устройства,

·  микрофоны для ввода речи с аналого-цифровым преобразователем (акустические),

·  ввод с внешних запоминающих устройств,

·  измерительные приборы с аналого-цифровыми преобразователями и сенсорами.

При вводе возникают достаточно дорогие и технически сложные процессы. Это в одинаковой степени относится и к аппаратуре, и к соответствующим алгоритмам, которые должны заменить на соответствующую информацию поступающие от аппаратуры сигналы.

Устройства вывода служат для вывода данных из машины для использования их человеком, хранения на внешних средах или для непосредственного управления процессами с помощью управляющих сигналов. В настоящее время применяют следующие устройства и технику вывода:

·  экран (строчные экраны для вывода текстов и растровые экраны для вывода информации в графической форме);

·  акустические сигналы и речевой вывод;

·  матричные принтеры (игольчатые, струйные, термопринтеры),

·  алфавитно-цифровые принтеры (шаровая головка, печатающее колесо),

·  страничные принтеры (лазерные принтеры);

·  плоттеры и графопостроители;

·  устройства микрофильмирования;

·  устройства перфорирования - перфораторы (обрабатывают перфокарты, перфоленты);

·  вывод на внешнюю среду хранения (магнитные ленты, карты, диски);

·  аналого-цифровые преобразователи и управляющие устройства.

Понятие: Устройства передачи данных (межкомпьютерные телекоммуникации).

Комментарий: Особой формой ввода/вывода является прямая передача определенных данных от одного компьютера к другому. Для этого необходимо соответствующее оборудование в виде технических устройств, таких, например, как отдельные представители приводимого ниже списка:

·  модемы (т. е. модуляторы для преобразования непрерывных сигналов в цифровые, и наоборот);

·  концентраторы (объединение данных, подлежащих передаче от нескольких источников, для линий связи, в смысле мультиплексирования);

·  распределители (свичи);

·  сети компьютеров,

·  провода (линии связи),

·  устройства передачи/приема.

Устройства передачи данных имеют особо важное значение в сетях компьютеров (англ. LAN, local area networks).

Понятие: Архитектуры вычислительных машин.

Комментарий: Структура и построение вычислительной системы называется архитектурой ЭВМ, а вопросы способа работы и структурирования отдельных компонентов компьютера обсуждается под термином организация ЭВМ.

Архитектуры ЭВМ можно, в частности, классифицировать по числу имеющихся в машине процессоров. При этом существенным является вопрос, выполняют ли все эти процессоры одновременно те же самые действия (одно-командный поток), но над несколькими потоками данных (multiple-data-stream), или же они независимо друг от друга выполняют разные команды. Таким образом, различаются следующие классы архитектур:

·  SISD (англ. Single-Instruction-Single-Data-Stream; пример: классический моно процессор),

·  SIMD (англ. Single-Instruction-Multiple-Data-Stream; пример: векторный процессор),

·  MIMD (англ. Multiple-Instruction-Multiple-Data-Stream; пример: мультипроцессорные системы, сети ЭВМ),

·  MISD (англ. Multiple-Instruction-Single-Data-Stream; пример: конвейерные процессоры).

Тот или иной класс архитектуры оказывается наиболее подходящим для различных применений и алгоритмов. Наиболее распространены компьютеры с одним процессором.

Понятие: Монопроцессорный компьютер.

Комментарий: Моно процессорная машина содержит только один процессор, который работает последовательно и выполняет один шаг вычислений после другого в строго линейном во времени порядке. Тем самым общее время вычислении получается как сумма времен выполнения отдельных команд.

Если раньше время доступа к памяти по сравнению с временем выполнения арифметических операций было пренебрежимо мало, то сегодняшняя новейшая техника вычислительных узлов и процессоров (Bit-Slice-техника) приводит к тому, что на выполнение вычислительной операции необходима лишь часть времени, затрачиваемого на доступ к памяти. Так что время доступа к памяти является решающим препятствием для повышения быстродействия машины. В связи с этим в машине часто предусматривают большее число регистров, быструю буферную память (англ. cache) или совмещение выполнения нескольких команд (конвейер команд).

В многорегистровых машинах в АУ находится "банк регистров", содержащий от 16 до 32 регистров. Поэтому часто нет необходимости запоминания промежуточных результатов на специальном рабочем регистре. Преимущества многорегистровых машин так существенны, что в настоящее время даже микропроцессоры обычно являются многорегистровыми машинами (как правило, есть 16 и 32 регистра общего назначения).

При конвейере команд имеют место четыре фазы обработки команд:

·  выбрать команду в устройство управления,

·  вычислить адреса,

·  выбрать операнд (операнды),

·  выполнить операцию.

Операции выполняются с перекрытием по времени для нескольких следующих друг за другом команд (принцип конвейера). Благодаря этому значительно сокращается общее время их выполнения. Однако фактически это сокращение достигается лишь в том случае, если последовательность выполнения команд устанавливается статически. В случае команд перехода этот конвейер команд нарушается и затем должен строиться заново.

Чтобы в условиях ограниченной емкости оперативной памяти дать возможность считать эту емкость большей, чем она имеется физически, почти во всех современных достаточно мощных машинах используется техника виртуальной памяти. При этом оперативная память содержит только часть разделов (называемых страницами) общего логического пространства адресов. Остальные же страницы содержатся во вспомогательной (внешней) памяти и по мере необходимости загружаются в оперативную память. Эта техника оказывается особенно удобной в случае мультипрограммного режима работы машины, при котором одновременно выполняется несколько программ. При наличии механизма виртуальной памяти в распоряжении программиста находится адресное пространство, многократно превышающее физически предусмотренное адресное пространство.

Понятие: Мультипроцессорные машины.

Комментарий: Почти при каждом вычислении встречаются такие семейства операций и частичные вычисления, составные части которых не зависят друг от друга и могут выполняться одновременно (параллельно).

В моно процессорных системах такие операции произвольным образом упорядочиваются во времени - здесь говорится о линеаризации (англ. interleaving). В мультипроцессорных системах с несколькими процессорами такие операции могут фактически, по крайней мере, частично, выполняться одновременно (параллельно). Уже конвейеризация является примером параллельной работы (впрочем, при конвейеризации команд - лишь с машинной точки зрения), поскольку такт выполнения команд "запараллеливается". Более явная параллелизация получается, если наряду друг с другом будут работать несколько вычислительных устройств. Для параллелизации используют не несколько самостоятельных процессоров, а несколько вычислительных устройств, одно из которых является ведущим, и тогда получают вычислитель массивов (векторный процессор, или векторный вычислитель). Такие процессоры особенно подходят для быстрого выполнения операций над векторами и матрицами, а тем самым и для алгоритмов, в которых должны выполняться многие одинаковые операции над всеми компонентами вектора или матрицы.

В собственно мультипроцессорных системах существует несколько полностью автономных процессоров с собственными управляющими устройствами, которые, однако, как правило, имеют доступ к обшей для них памяти. Благодаря этому, конечно, повышается производительность вычислительной системы, однако возникает трудная проблема координации процессоров: если два процессора обращаются одновременно к одной и той же ячейке памяти для записи, то возникает конфликт. Подобного рода конфликт возникает и в том случае, когда один процессор пытается читать содержимое ячейки памяти, а другой процессор в это же время пытается произвести запись в эту же ячейку. Отсюда и возникают проблемы координации и коммуникации, если процессоры должны одновременно решать одну и ту же задачу. Синхронизация параллельно протекающих вычислительных процессов, их описание, программирование и эффективная машинная реализация являются самостоятельной областью информатики.

Понятие: Новейшие и нетрадиционные архитектуры ЭВМ.

Комментарий: Возможности высокой интеграции переключательных схем допускают и теоретически, и практически совершенно новые и нетрадиционные вычислислительные архитектуры. Можно, например, большое количество вычисляющих и запоминающих компонентов аппаратуры скомбинировать в одну вычислительную архитектуру, что позволяет многократно ускорить вычисления. Попытки найти и поддержать при таком размещении элементов оптимальное использование параллелизма в работе при более простой программируемоемости знаменуют исследования в области новых вычислительных структур в 80-х и 90-х годах прошлого столетия. Наряду с общими сетями традиционных машин принимаются во внимание и изучаются (в том числе) следующие концепции.

·  Машины с потоками данных. Ход вычислений в этих машинах управляется не последовательным управляющим потоком (счетчик команд), а имеющимися в распоряжении операндами и потребностью в операндах для встречающихся операций.

·  Реакционные машины. Программы (термы) переводятся не в последовательности машинных команд, а во внутреннее представление термов, которые вычисляются путем применения шагов редукции (редуцируются к нормальной форме).

·  Клеточные автоматы и гистологические сети. Большое число однородных вычисляющих элементов объединяется в единую архитектуру. Через эту сеть связей текут "пульсирующие" потоки данных.

·  Машины логического вывода. Структура аппаратуры поддерживает отыскание вывода по логическим правилам вывода из заданного множества аксиом.

Впрочем, до сих пор никакие из этих архитектур на практике не привели к решающему прорыву. Изменение распространенных архитектур могло бы повлечь за собой также глубокие изменения и в программировании. Требуемые издержки перемен также оказывают противодействие готовности к переменам, но в образовании и науке некоторая компетентность и готовность соответствующих специалистов к возможным переменам должны всегда присутствовать, ибо «все течет, все меняется» (Гегель).

Понятие: Распределенные вычисления.

Комментарий (из лекций проф. ): Режимы удаленного узла и дистанционного управления комментирует приводимый здесь рисунок.

Рис. 2. Удаленный узел и дистанционное управление

В режиме удаленного узла основные процедуры приложения исполняются на терминальном узле (local node), а с удаленным узлом (remote node) связь используется для пересылки файлов. В большинстве случаев режим удаленного узла приводит к более заметной инерционности связи через телефонные каналы. Дистанционное управление обеспечивает передачу клавишных команд в прямом направлении и экранных изображений (обычно лишь изменений в них) в сжатом виде в обратном направлении, поэтому задержки меньше.

Системы распределенных вычислений основаны на режиме дистанционного управления, при котором терминальный узел используется только для интерфейса с пользователем и передачи команд управления, а основные процедуры приложения исполняются на удаленном узле (сервере). Поэтому в сетях распределенных вычислений должны быть выделены серверы приложений.

Рис. 3. Варианты распределенных вычислений

При организации РВ решаются вопросы размещения функций по узлам сети. В зависимости от того, между какими взаимодействующими частями РВ имеется длинная связь, различают четыре модели распределенных вычислений:

·  файловый сервер (FS - File Server);

·  доступ к удаленным данным (RDA - Remote Data Access);

·  сервер баз данных (DBS - Data Base Server);

·  сервер приложений (ApS - Application Server).

FS - основная модель для ЛВС на персональных ЭВМ. В случае ее использования возникает проблема корректного обновления файлов. Все процессы клиентов и серверов имеют маркеры, содержащие имя файла и маску, в которой указаны права: только чтение атрибутов файла, только чтение самого файла, открытие файла, модификация файла, стирание. Все обращения идут через менеджер маркеров, который отслеживает соблюдение ограничений и разрешает конфликты одновременного обращения для чтения и обновления файлов. Недостаток FS - перегрузка сети из-за необходимости пересылать файлы полностью.

Положительные стороны RDA - уменьшение трафика, унификация интерфейса с сервером на базе языка SQL.

Дальнейший переход к системе распределенных вычислений приводит к перемещению прикладного программного обеспечения (ПО) или его части на специальный сервер или сервер БД, то есть реализуются двух - и трехзвенные схемы. DBS - двухзвенная структура дистанционного управления, основана на разделении прикладных процедур на две части: индивидуальные для каждого пользователя и общие для многих задач. В этой структуре под приложением понимают совокупность именно общих процедур. Эта совокупность обычно представляется на процедурных расширениях SQL и сохраняется в специальном словаре БД. В альтернативных вариантах (например, в RDA) все прикладные процедуры включаются в прикладные программы, и, следовательно, при необходимости их изменения приходится модифицировать практически все прикладное ПО. Выделение таких процедур в отдельное приложение облегчает их модификацию, Кроме того, в DBS снижается трафик, так как обмены по сети происходят не для каждой операции с БД, а для каждой транзакции, состоящей из нескольких операций.

ApS - модель, известная также под названием "трехзвенная схема", или "монитор транзакций". В ней длинные связи имеют место как между терминалом пользователя и приложением, так и между приложением и СУБД.

Помимо проблемы распределения серверных функций между узлами сети имеется проблема разделения этих функций между многими пользователями автоматизированных информационных систем. Эта проблема решается либо по схеме "один к одному", либо по много потоковой схеме. В первой из них для каждого активного пользователя создается своя копия СУБД. Во второй СУБД должна обслуживать одновременно многих пользователей. Чтобы эффективно использовать многопотоковую схему в многопроцессорных вычислительных системах, можно иметь СУБД на нескольких процессорах, транзакции между СУБД распределяются программой-диспетчером.

Рис. 4. Трехзвенная схема распределенных вычислений

Особенности СУБД в таких сложных системах, как САПР, делают правомочным их квалификацию как интеллектуальных СУБД (их еще называют СУБД третьего поколения). К числу признаков интеллектуальной СУБД относятся, реализация в СУБД части прикладных процедур, что характерно для структуры DBS, оповещение пользователей (прикладных программ) об интересующих их изменениях состояния БД, синхронизация событий в БД, способность обслуживать прикладные программы, первоначально ориентированные на разные типы СУБД (это свойство называют интероперабельностью, или много протокольностью).

Оповещение заключается в информировании программы А о совершении события, вызванного программой В и влияющего на работу программы А. Примером события может быть выход значения некоторого параметра в БД за допустимые пределы. Наиболее просто информирование можно организовать периодическим опросом со стороны А состояния БД. Однако это усложняет ПО и не эффективно по затратам времени и загрузке сети. Лучше возложить функцию оповещения на СУБД, что и делается в интеллектуальных СУБД. Но для этого нужно иметь обратные ссылки на программы, обращающиеся к БД, правила (иначе называемые триггерами), фиксирующие наступления событий, и процедуры обработки событий. Удобный вариант оповещения - информирование программы А о происшедших событиях во время ее активизации.

Рис. 5. Оповещение прикладных программ о событиях в БД

Для реализации много протокольности разрабатываются специальные технологии. Наиболее известной среди них является технология ODBC (Open Data Base Connectivity) фирмы Microsoft. Фактически ODBC представляет собой библиотеку функций для обращений прикладных программ (ПП) к различным СУБД на основе языка SQL. Из ПП обращение происходит к виртуальной СУБД, в которой с помощью драйверов осуществляется переход к реальной СУБД.

Монитор транзакций организует выполнение также сложных транзакций, требующих более одного сервера приложений. В свою очередь, разделение функций приложения между несколькими серверами упрощает модификацию ПО приложения.

Ряд фирм разрабатывает инструментальные средства для создания трехуровневых приложений. Здесь фигурируют и известные средства: Visial Basic (MS), Delphi (Borland) и другие.

ПО организации распределенных вычислений называют ПО промежуточного слоя (Middleware). Новое направление организации распределенных вычислений в сетях Internet-Intranet основано на создании и использовании программных средств, которые могут работать в различных аппаратно-программных средах. Совокупность таких средств называют много платформенной распределенной средой - МРС (crossware).

Находят применение технологии распределенных вычислений RPC (Remote Procedure Call), ORB (Object Request Broker), MOM (Message-oriented Middleware), DCE (Distributed Computing Environment), мониторы транзакций, ODBC.

RPC - процедурная блокирующая синхронная технология, предложенная фирмой Sun Microsystems. Вызов удаленных программ подобен вызову функций в языке С. При пересылках на основе транспортных протоколов TCP или UDP данные представляются в едином формате обмена XDR. Синхронность и блокирование означают, что клиент, обратившись к серверу, для продолжения работы ждет ответа от сервера.

Для систем распределенных вычислений разработаны специальные языки программирования, для RPC это язык IDL (Interface Definition Language), который дает пользователю возможность оперировать различными объектами безотносительно к их расположению в сети. На этом языке можно записывать обращения к серверам приложений. Другой пример языка для систем распределенных вычислений - NewEra в среде Informix.

Рассмотрим типичную схему реализации RPC.

Удаленная программа характеризуется атрибутами: имя узла, номер программы (часто это совокупность программ определенного назначения), версия программы (версия - это копия программы, копии создаются для использования в многопользовательском режиме), имя процедуры в программе.

Процедуры, которые пользователь собирается применять, должны быть зарегистрированы в узле-клиенте, то есть, указаны имена узла, программы, процедуры.

Обращение по RPC - это обращение к демону Postmapper, находящемуся в узле-клиенте. При обращении в запросе указываются процедура, аргумент, память под результат. Аргумент должен быть единственный, поэтому если аргументов много, то программист должен создать агрегат данных. Демон находит регистрационные данные и с помощью средств транспортного уровня устанавливает соединение и передает запрос серверу. В сервере имеется диспетчер, который находит исполнителя запроса. В ответе сервера содержатся результаты выполнения процедуры.

RPC входит во многие системы сетевого ПО.

RPC базируется на сетевой файловой системе NFS (для Unix-платформ) и информационной службе NIS - базе данных о конфигурациях всех машин в сети.

ORB - технология объектно-ориентированного подхода, базирующаяся на спецификациях CORBA консорциума OMG. CORBA включает 13 пунктов (служб).

Основные службы CORBA:

·  служба именования, присваивает объектам уникальные имена, в результате чего пользователь может искать объект в сети;

·  служба обработки транзакций, осуществляет управление транзакциями из приложений или из ОС (фиксация и откат транзакций);

·  служба событий, обеспечивает асинхронное распространение и обработку сообщений о событиях;

·  служба обеспечения безопасности - поддержки целостности данных.

При применении ORB (в отличие от RPC) в узле-клиенте хранить сведения о расположении серверных объектов не нужно, достаточно знать расположение в сети программы-посредника ORB. Поэтому доступ пользователя к различным объектам (программам, данным, принтерам и т. п.) существенно упрощен. Посредник должен определять, в каком месте сети находится запрашиваемый ресурс, направлять запрос пользователя в соответствующий узел, а после выполнения запроса возвращать результаты пользователю. Для представления запросов используется язык IDL, предложенный в CORBA. Этот язык отличается от языка IDL технологии RPC, в нем нет средств описания операций, описываются только интерфейсы.

Применение ORB может увеличить нагрузку на сеть, однако имеет и ряд преимуществ: обеспечивается взаимодействие разных платформ, не требуется дублирования прикладных программ во многих узлах, упрощается программирование сетевых приложений и поддержка мультимедиа.

В CORBA создан протокол IIOP (Internet Inter-ORB Protocol), который обеспечивает взаимодействие между брокерами разных производителей.

Примеры программ ORB: Orbix, OPBplus, Chorus, Joe.

Взаимодействие клиента с сервером как в ORB, так и в RPC происходит через создаваемые для такого взаимодействия специальные программы, называемые стабами. Клиентский стаб вместо обычных для локального случая операций обращения к процедуре выполняет операции обращения к сетевым средствам создания соединения (например, TCP/IP). В случае ORB из клиентского стаба происходит обращение к ORB, который и создает соединение, обмен данными выполняется через стабы.