Сеть передачи данных

• ЭВМ

Основу ВСТ составляют крупные ЭВМ (вычислительные центры коллективного пользования ВЦКП), объединяемые сетью передачи данных. Эти ЭВМ называют главными вычислительными машинами, выполняют основные функции по выполнению программ пользователей, сбору, хранению, выдачи информации. Сеть передачи данных СПД, образуют каналы связи и узлы (центры) коммутации, в которых связные процессоры управляют выбором маршрутов передачи данных в сети, выполняют функции мультиплексоров, концентратора канала, осуществляют коммутацию каналов, сообщений или пакетов. ГВМ подсоединяются к сети непосредственно через точки стандартного стыка, если обеспечена совместимость по физическим сигналам и форматам информации между ГВМ и СП, или с помощью интерфейсных процессоров. Терминалы (Т) пользователей подключаются либо к ГВМ, либо непосредственно к СП, используются терминальные процессоры (концентраторы), часто называемые абонентскими пунктами, в этом случае отпадает необходимость выделения каждому терминалу отдельного канала связи. Абонентский пункт содержит устройство управления и связи (УУС). В качестве терминалов используют телетайпы, пишущие машинки. Дисплеи, и др. УВВ, а также их комбинации. Оборудование терминала может включать в себя микроЭВМ при этом терминал будет выполнять некоторые функции по вспомогательной обработке информации, что служит основанием считать его “интеллектуальным терминалом”. Административное управление ВСт включает в себя планирование и учет работы отдельных машин сети, анализ и учет работы сети передачи данных, произведение измерений на сети и т.п. Эти функции возлагают на одну из ГВМ сети, которую называют административным комплексом. Отмеченные выше направления использования ВСТ поддерживаются реализуемыми в сетях специфическими режимами работы, позволяющими осуществлять:

• Обмен сообщениями между терминалами
• Удаленный ввод заданий с любого терминала через сеть на выполнение пакетной или диалоговой обработки на удаленной ЭВМ
• Доступ к удаленным файлам и передача данных между ЭВМ сети.

Операционная система (ОС) – является неотъемлемой частью ЭВМ, обеспечивая управление всеми аппаратными компонентами и, позволяя отделить остальные классы программ от непосредственного взаимодействия с аппаратурой. ОС обеспечивает выполнение основных двух задач:

• Поддержку работы всех программ, обеспечение их взаимодействия с аппаратурой.
• Предоставление пользователям возможностей общего управления машиной.

В простейшем случае ОС содержит в себе следующие основные компоненты

1. Файловую систему
2. Драйверы внешних устройств
3. Процессор командного языка

Операционная система в наибольшей степени определяет облик всей вычислительной системы в целом. Несмотря на это, пользователи, активно использующие вычислительную технику, зачастую испытывают затруднения при попытке дать определение операционной системе. Частично это связано с тем, что 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.

Использование большинства компьютеров на уровне машинного языка затруднительно, особенно это касается ввода-вывода. Например, для организации чтения блока данных с гибкого диска программист может использовать 16 различных команд, каждая из которых требует 13 параметров, таких как номер блока на диске, номер сектора на дорожке и т. п. Когда выполнение операции с диском завершается, контроллер возвращает 23 значения, отражающих наличие и типы ошибок, которые, очевидно, надо анализировать. Даже если не входить в курс реальных проблем программирования ввода-вывода, ясно, что среди программистов нашлось бы не много желающих непосредственно заниматься программированием этих операций. При работе с диском программисту-пользователю достаточно представлять его в виде некоторого набора файлов, каждый из которых имеет имя. Работа с файлом заключается в его открытии, выполнении чтения или записи, а затем в закрытии файла. Вопросы подобные таким, как следует ли при записи использовать усовершенствованную частотную модуляцию или в каком состоянии сейчас находится двигатель механизма перемещения считывающих головок, не должны волновать пользователя. Программа, которая скрывает от программиста все реалии аппаратуры и предоставляет возможность простого, удобного просмотра указанных файлов, чтения или записи - это, конечно, операционная система. Точно также, как ОС ограждает программистов от аппаратуры дискового накопителя и предоставляет ему простой файловый интерфейс, операционная система берет на себя все малоприятные дела, связанные с обработкой прерываний, управлением таймерами и оперативной памятью, а также другие низкоуровневые проблемы. В каждом случае та абстрактная, воображаемая машина, с которой, благодаря операционной системе, теперь может иметь дело пользователь, гораздо проще и удобнее в обращении, чем реальная аппаратура, лежащая в основе этой абстрактной машины.

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.

Идея о том, что ОС прежде всего система, обеспечивающая удобный интерфейс пользователям, соответствует рассмотрению сверху вниз. Другой взгляд, снизу вверх, дает представление об ОС как о некотором механизме, управляющем всеми частями сложной системы. Современные вычислительные системы состоят из процессоров, памяти, таймеров, дисков, накопителей на магнитных лентах, сетевых коммуникационной аппаратуры, принтеров и других устройств. 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 или реактивность системы. 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. Так, например, алгоритм управления процессором в значительной степени определяет, является ли ОС системой разделения времени, системой пакетной обработки или системой реального времени.

Разряд двоичного числа представляется в ЭВМ некоторым техническим устройством, например триггером, двум различным состояниям которого приписывают значения 0 или 1. Набор соответствующего количества таких устройств служит для представления многоразрядного двоичного числа.

При представлении чисел с фиксированной запятой положение запятой фиксируется в определенном месте относительно разрядов числа. Обычно подразумевается, что запятая находится или перед старшим разрядом, или после младшего. В первом случае могут быть представлены числа, которые по модулю меньше 1, во втором – только целые числа.

0 1 2 3 4 5 6 ….. 31 - представление двоичных чисел с фиксированной запятой в виде 32 разрядных слов для случая закрепления запятой перед старшим разрядом.

0 1 2 3 4 5 6 ….. 31 - представление двоичных чисел с фиксированной запятой в виде 32 разрядных слов для случая закрепления запятой после младшего разряда.

Для кодирования знака числа используется “знаковый” разряд. 0 это +, 1 это -. Наибольшее положительное число, представимое в первой разрядной сетке, равно 0,1..1 = 1-2 ^-31 , а наименьшее число 0,00…01 = 2 ^-31 таким образом в разрядной сетке могут быть представлены числа в диапазоне от –(1-2 ^-31 ) до -2 ^-31 и от 2 ^-31 до (1-2 ^-31 ). Диапазон чисел, для второго случая:

1 £ ½ х ½ £ 2 ³¹ -1. При выполнении на машине вычислений необходимо чтобы все исходные и получающиеся в процессе вычислений данные не выходили за диапазон чисел, представимых в разрядной сетке. Для этого в программировании задачи данные берутся с соответствующими масштабными коэффициентами. Итог: Использование представления с фиксированной точкой позволяет упростить схемы машины, повысить ее быстродействие, но создает трудности при программировании, в машинах, предназначенных для решения широкого круга вычислительных задач, основным является представление с плавающей запятой, не требующее масштабирования данных, однако в таких машинах наряду с этой формой представления используется также и представление с фиксированной точкой для представления целых двоичных чисел и операций над ними, в частности операции над кодами адресов.

Представление числа с плавающей запятой в общем виде имеет вид :

X= s ^p q ; ½ q ½ < 1 где q мантисса числа Х, p – порядок, s – основание характеристики.

Обычно число s совпадает с основанием мантиссы q. Мантисса q – правильная дробь. Порядок p, который может быть положительным или отрицательным челым числом, определяет положение запятой в числе Х. Для двоичных чисел х = 2 ^p q; ½ q ½ < 1. Рассмотрим пример в котором слова имеют доины 32 двоичных разряда. Пусть число Х =2 ^p q, изображается в машине двоичным словом а ₀ в ₀ в ₁ … в ₆ а ₁ а ₂ …. А ₂₄ которому соответствует следующий формат данных :

Разряды в _0.. в ₆ используются для представления порядка при этом разряд в ₀ изображает знак порядка, а разряды в ₁ .. в ₆ – модуль порядка, остальные разряды а ₀ .. а ₂₄ отводятся под изображение мантиссы, причем а ₀ – знак мантиссы а ₁ .. а ₂₄ – модуль мантиссы. Двоичное число х= 2 ^p q, называется нормализованным, если мантисса Q удовлетворяет следующему условию 1 > ½ q ½ ³ Ѕ, т.е. двоичное число нормализовано если в старшем разряде мантиссы стоит 1. Под порядок отведено со знаком 7 разрядов то порядок может быть от –63 до +63 соответственно. Наибольшее и наименьшее нормализованное положительные числа в этой разрядной сетке соответственно равны: 2 ⁶³ *0,111 … 1 = 263(1-2 ^-24 ) и 2 ^-63 *0,1000..0=2 ^-64 . Следовательно с учетом знака q в этой разрядной сетке можно представить числа, лежащие в диапазоне от –2 ⁶³ (1-2 ²⁴ ) до –2 ^-64 и от +2 ^-64 до +2 ⁶³ (1-2 ^-24 ), что значительно превышает диапазон чисел с фиксированной точкой, представимых в том же 32 х разрядном слове. При фиксированном количестве разрядов мантиссы любая величина, представляется в машине с наибольшей возможной точностью нормализованным числом. Если в процессе вычислений получается ненормализованное число, то машина с плавающей запятой автоматически нормализует его. Пусть r старших разрядов мантиссы равно 0. Тогда, нормализация заключатся в сдвиге мантиссы на r разрядов влево и уменьшении порядка на r единиц. При этом в младшие r разрядов мантиссы записывается 0. В последних моделях ЭВМ получило распространение представление чисел с плавающей запятой в системах счисления с основанием, равным целой степени числа 2 (S=2 ^w ), х = s ^p q(1> ½ q ½ ³ 1/s). При этом порядок представляется двоичным целым числом, а мантисса q – числом, в котором группы по w двоичных разрядов изображают цифры мантиссы с основанием системы счисления s=2 ^w . Использование для чисел с плавающей запятой недвоичного основания несколько уменьшает точность вычислений (при заданном количестве разрядом мантиссы), но позволяет увеличить диапазон представимых в машине чисел и ускорить выполнение некоторых операций, в частности нормализации, за счет того, что сдвиг может производиться на несколько разрядов сразу. В ЕС ЭВМ числа с плавающей запятой представляются в шестнадцатеричной системе счисления: х=16 ^p q (1>q ³ 1/16) .

Модуль порядка p изображается целым шестиразрядным двоичным числом,. А мантисса q рассматривается как число, составленное из шестнадцатеричных цифр в виде:

6

q= å Г _j 16 ^-j (Г _j = 0,1,2 …, F)

j=1

В случае с шестнадцатиричными числами с плавающей запятой число Х считается нормализованным, если старшая шестнадцатеричная цифра Г ₁ отлична от 0. В нормализованном числе три старшие двоичные цифры могут равняться 0. Диапазон представления нормализованных чисел: -16 ⁶³ (1-16 ^-6 ) до –16 ^-64 и от +16 ^-64 до 16 ⁶³ (1-16 ^-6 ). Для упрощения операций над порядками их сводят к действиям над целыми положительными числами, применяя представление чисел с плавающей запятой со смещенным порядком (ЕС ЭВМ). В случае чисел со смещенным порядком при записи числа в память к его порядку p прибавляется целое число – смещение N=2 ^k , где k – число двоичных разрядов, используемых для модуля порядка. Смещенный порядок p _см =p + N всегда положителен. Для его представления нужно такое же число разрядов как для p со знаком.

Если семи десятичных разрядов не хватает то в ЕС ЭВМ введен формат двойной длины, занимающий два машинных слова (двойная точность), не меняется количество разрядов для изображения порядка, и, следовательно, сохраняется диапазон представления чисел, а длина мантиссы увеличивается до 14 шестнадцатеричных разрядов.

В ЭВМ с целью упрощения арифметических операций применяют специальные коды для представления чисел. Например, упрощается определение знака результата операции, вычитание есть сложение кодов, облегчено определение переполнения разрядной сетки. Положительные числа представляются в прямом коде. Прямой код G _пр двоичной дроби с (n-1) – разрядной мантиссой G= ± 0,к _1, к _{2 ….} к _n-1 определяется как G _пр = ½ G ½ когда G ³ 0 и ½ 1+G ½ когда G £ 0 Прямой код целого n – разрядного двоичного числа G = ± к _n-2 ,k _n-3 , …k ₁ ,k ₀ имеет вид G _пр = ½ G ½ при G ³ 0 и 2 ^n-1 + ½ G ½ при G £ 0 Прямой код числа со знаком можно рассматривать как двоичное число без знака , которое определяется этими соотношениями. Операция вычитания (алгебраического сложения) сводится к операции простого арифметического сложения при помощи обратного и дополнительного кодов, используемых для представления отрицательных чисел в машине. Что бы представить двоичное отрицательное число в обратном коде нужно в знаковый разряд поставить 1, а во всех других разрядах заменить 1 нулями, а 0 – единицами. При этом отрицательная двоичная дробь G ^- = -0,k ₁ ,k ₂ , …, k _n-1 в обратном коде примет вид

G- _обр = 1,r _1, r ₂ , …,r _n-1 а отрицательное двоичное число G= - k _n-2 ,k _n-3 , …,k ₁ ,k ₀ соответственно G- _обр = 1,r _n-2, r _n-3 , …,r ₁ ,r ₀ где r _i=0 если k _i=1 и наоборот. При представлении отрицательного двоичного числа в дополнительном коде ставят 1 в разряд знака, а цифровую часть числа заменяют дополнением модуля числа до 2 или соответственно 2 ⁿ , для дробей и целых чисел. Дополнительный код отрицательного числа G- определяется выражением G- _доп =2- ½ G- ½ , если G- - двоичная дробь, и G- _доп = 2 ⁿ - ½ G- ½ если G- - целое двоичное число. Таким образом, дополнительный код числа может быть получен из обратного путем прибавления 1 к младшему разряду обратного кода.

По типу носителя различают ВЗУ с подвижным и неподвижным носителем. При современной технологии наиболее часто реализуют размещение информации на поверхности некоторого тела, называемого носителем. Если поиск, запись и считывание информации сопровождается механическим перемещением носителя, то такие ВЗУ называют накопителями с подвижным носителем, среди которых наиболее распространены накопители на магнитных дисках НМД, оптических дисках НОД, магнитных лентах НМЛ. Носитель может быть гибким и жестким. Если при поиске, записи или считывании механического перемещения носителя не происходит, то ВЗУ называют накопителем с неподвижным носителем; примером может служить накопитель на основе цилиндрических магнитных доменах ЦМД. Реже в ВЗУ используют объемную запись – полупроводниковые ЗУ, приборы с зарядовой записью.

По способу регистрации различают ВЗУ с магнитной и оптической (магнитооптической) записью; По характеру использования информации – постоянные ВЗУ (только чтение), ВЗУ с однократной записью, и с многократной записью (множество циклов чтения \ записи). По способу доступа к информации все ВЗУ делят на накопители с последовательным и прямым доступом. Расположение блоков на поверхности носителя можно представить в виде линейного и двумерного массива. В первом случае для нахождения требуемого блока последовательно просматриваются все блоки. ВЗУ, реализующие такой просмотр называют накопителями с последовательным доступом; примером может служить накопитель на магнитной ленте, максимальное время поиска соответствует полному времени перемещения ленты от начала до конца и достигает 1-2 минут. При расположении блоков информации в виде двумерного массива можно организовать независимый поиск по каждому направлению. Пусть задан номер строки (или дорожки) , где расположен искомый блок IJ; тогда время поиска опеределяется временем просмотра блоков только по этой дорожке. ВЗУ, реализующие такой просмотр, называют накопителями с прямым доступом: поиск в направлении Y в них производится за счет перключения или перемещения органов считывания (головок), а просмотр в направлении X – за счет перемещения носителя или продвижения информации по структуре (ЦМД). В ВЗУ с прямым доступом один и тот же блок доступен для записи или считывания через постоянные промежутки времени, определяемые в случае с НМД временем оборота; поэтому такой доступ называют циклическим.

ВЗУ принято характеризовать следующими параметрами:

• емкостью памяти; при этом если носитель информации является сменным, то под емкостью ВЗУ понимают обьем одного тома, который доступен ВС без замены носителя.
• пропускной способностью, или скоростью записи считывания; блок на носителе можно рассматривать в виде последовательности бит, расположенных вдоль направления движения носителя. Длительность считывания и записи блока, таким образом, определяется временем, затрачиваемым на прохождение блока под головкой, а пропускная способность определяется отношением объема блока ко времени его прохождения под головкой;
• временем доступа, т.е. интервалом времени от момента запроса до момента выдачи блока; этот интервал времени не постоянен и зависит от множества факторов – скорости перемещения носителя, скорости перемещения головки, прямого или последовательного доступа, расстояния от текущего положения головки до запрашиваемого блока на носителе и т.п. В случае подвижного носителя и прямого доступа этот интервал складывается из времени поиска дорожки и времени ожидания (пока блок не появится под головкой). Время поиска дорожки характеризуется минимальным (дорожка – след. дорожка), максимальным (прот. дорожки), и средним значениями. Время ожидания характеризуют средним значением, которое соответствует половине длительности оборота носителя. Данные одного пользователя обычно размещаются на соседних дорожках, что уменьшает время поиска, однако при коллективном использовании ВЗУ в мультипрограммном режиме эта “локальность” данных нарушается и время поиска увеличивается.