Материал: Системы передачи и обработки данных. курс лекций. Никитин Л.Н

10. Системы обработки данных

Системы обработки данных (СОД)

СОД — это совокупность технических средств и программного обеспечения предназначенная для информационного обслуживания пользователей и технических объектов. В состав технических средств входит оборудование для ввода, хранения, преобразования и вывода данных, в том числе ЭВМ, устройства сопряжения с ЭВМ, аппаратура передачи.

Программное обеспечение (ПО) — это совокупность программ, реализующих возложенные на систему функции.

Функции СОД состоят в выполнении требуемых актов обработки данных: ввода, хранения, преобразования и вывода. Примером СОД являются вычислительные системы для решения научных, инженерно-технических, планово-экономических, и учебно-статистических задач. Основой СОД являются технические средства, т.к. их производительностью и надежностью в наибольшей степени определяется эффективность СОД.

Типы СОД:

1. Одномашинные СОД

Одномашинные СОД построены на базе единственной ЭВМ с однопроцессорной структурой. Создание их, включая разработку ПО не вызывает трудностей, однако имеет ограничения по производительности (до нескольких миллионов операций в секунду) и допускает простой системы в течение нескольких часов, из-за отказа оборудования. Быстродействие определяется быстродействием ИС и приближается к физическому пределу и производительности ЭВМ на уровне 10 миллионов операций в секунду. Из-за ограничения абсолютной надежности базы Одномашинные СОД частично удовлетворяют потребности в автоматизации обработки данных.

2. Вычислительные комплексы (ВК).

Для увеличения производительности СОД несколько ЭВМ (CPU) связываются между собой образуя многомашинный вычислительный комплекс (ММВК). ММВК различают с косвенной и прямой связью между ЭВМ.

Структурная схема ММВК с косвенной связью

Здесь связь осуществляется через общее запоминающее устройство, т.е. за счет доступа с общим набором данных. Связь называется косвенной и оказывается эффективной только в том случае, когда ЭВМ взаимодействует достаточно редко (при отказе одной ЭВМ или при начале и окончании обработки данных).

Более оперативное взаимодействие ЭВМ осуществляется при прямой связи через адаптер, обеспечивающий обмен данными между каналами ввода/вывода двух ЭВМ и передачу сигналов прерыванию.

Структурная схема ММВК с прямой связью [14]

В схеме создаются хорошие условия для координации процессов обработки данных, и увеличивается оперативность процессов обмена данными, что позволяет увеличить производительность СОД. Здесь все процессы имеют доступ ко всему объему данных, хранимых в ОЗУ, и могут взаимодействовать со всеми периферийными устройствами комплекса ММВК.

ММВК, содержащий несколько процессоров с общим ОЗУ и периферийными устройствами называется многопроцессорным.

В структурной схеме процессоры через средства коммутации подключены к модулю памяти. Каналы ввода/вывода обслуживают периферийные устройства. Средства коммутации обеспечивают доступ каждого CPU к любому модулю ОП, каналам ввода/вывода, обеспечивают возможность передачи данных между последними. Отказы отдельных устройств в меньшей мере влияют на работоспособность ВК, т.к. каждый CPU имеет доступ ко всем данным, хранимым в общей ОП и ПУ, поэтому ВК может параллельно обработать не только независимые данные, но и блоки одной задачи.

ММВК и многопроцессорный ВК являются базовыми средствами для создания СОД различного назначения, поэтому в них включают общесистемное ПО.

3. Вычислительные системы

СОД настроенная на решение задач конкретной области называется вычислительной системой (ВС). ВС включает в себя технические средства и ПО, ориентированное на решение определенных задач. ВС бывает двух типов:

1) ВС на основе ЭВМ и ВК общего применения,

2) ВС на основе специализированных ЭВМ и ВК.

В первом случае, ВС универсальны и используют прикладные программы. Во втором — ВС более быстродействующие и используются для решения задач векторной и матричной алгебры, распознавания образов. Широкое распространение получили адаптивные системы и системы с динамической структурой. При этом соединения между CPU, МП и ПУ устанавливается динамически в соответствие с требованиями задач в текущий момент времени. Это обеспечивает высокую производительность ВС, устойчивость к отказам.

4. Системы телеобработки (СТ)

Системы предназначены для обработки данных, передаваемых по каналам связи называют системами телеобработки.

Пользователи взаимодействуют с системой посредством терминалов (абонентских пунктов), подключаемых через каналы связи к средствам обработки данных ЭВМ или ВК. Данные передаются по каналам связи в форме сообщений, блоков данных, несущих в себе, кроме собственно данных, служебную информацию, необходимую для управления процессами передачи и защиту данных от искажений. ПО содержит специальные средства необходимые для управления техническими средствами управления связи между ЭВМ и абонентами, передачи данных между ними и организации взаимодействия пользователей с программами обработки данных. Телеобработка значительно увеличивает оперативность информационного обслуживания пользователей и расширяет их доступ к данным и процедурам их обработки.

5. Вычислительные сети

Вычислительная сеть объединяет территориально разрозненный СОД в единый комплекс с помощью каналов передачи данных с единым ПО и обеспечивает доступ к данным и процедурам их обработки всех пользователей, связанных общей сферой деятельности.

Узлы связи (УС) принимают данные и передают их в направлении обеспечить доставку данных абонентам. Ядром сети является базовая сеть передачи данных (СПД), которая включает УС и каналы связи. ЭВМ подключают к узлам базовой сети передачи данных, что обеспечивает обмен данными между любыми каналами ЭВМ.

Совокупность ЭВМ, объединенных СПД образует сеть ЭВМ.К ЭВМ непосредственно или с помощью каналов связи подключены терминалы, через которые пользователи взаимодействуют с сетью. Совокупность терминалов и средств связи для подключения их к ЭВМ образуют терминальную сеть. Таким образом, вычислительная сеть представляет собой композицию СПД, сеть ЭВМ и терминальную сеть.

Вычислительные сети используют для объединения ЭВМ в пределах региона, страны или континента. Оснащены все ЭВМ специальными программными средствами для сетевой обработки данных. На сетевое ПО возлагают широкий комплекс функций:

- управление аппаратурой сопряжения и каналов связи,

- установление соединений между взаимодействующими процессами и ЭВМ,

- управление процессами передачи данных,

- ввод и выполнение заданий от удаленных терминалов,

- доступ программ к набору данных, размещенных в удаленных ЭВМ.

Требования к сетевому ПО:

1) Сохранение работоспособности сети при изменении ее структур вследствие выхода из строя ЭВМ, каналов и УС.

2) Возможность работы ЭВМ с терминалами различных типов и взаимодействие разнотипных ЭВМ.

Функции, возлагаемые на сетевые программы, отличаются высоким уровнем сложности и реализуются с использованием специально разработанных методов управления процессами передачи и обработки данных. Вычислительные сети — наиболее эффективный способ построения крупномасштабных СОД. Вычислительные сети позволяют автоматизировать управление отраслями производства, транспортом и материально- техническим снабжением крупных регионов. По сравнению с автономными ЭВМ стоимость обработки данных в сетях ЭВМ в 1.5 раза меньше.

6. Локальная вычислительная сеть (ЛВС).

ЛВС — это совокупность близко расположенных ЭВМ, которые связаны последовательными интерфейсами и оснащены программными средствами, обеспечивающими информационное взаимодействие между процессами в различных ЭВМ.

Как видно из схемы, ЭВМ связываются с помощью моноканала, единого для всех ЭВМ сети. В моноканале наиболее часто используется витая пара, коаксиальный кабель или волоконно-оптический кабель. Длина моноканала не превышает нескольких сотен метров. Пропускная способность порядка 105-107 бит/сек, что достаточно для информационной связи между десятками ЭВМ.

Сетевые адаптеры (СА) — контроллеры, реализующие операции ввода-вывода через моноканал. Моноканал упрощает процедуру установления соединений и обмена данными между ЭВМ. Поэтому сетевое ПО оказывается более простым, чем в вычислительных сетях, содержащих сеть передачи данных, и легко встраивается даже в микро-ЭВМ.

ЛВС является эффективным средством построения сложных СОД на основе мини- и микро-ЭВМ, систем автоматизации проектирования, управления производством, транспортом и т.д.

Классификация СОД

СОД классифицируются в зависимости от способа их построения. СОД, построенные на основе отдельных ЭВМ, вычислительных комплексов и систем, образуют класс сосредоточенных (централизованных) систем, в которых вся обработка реализуется ЭВМ, вычислительным комплексом или специальный системой. Системы телеобработки и вычислительные сети относятся к классу распределенных систем, в которых процессы обработки данных рассредоточены по многим компонентам. При этом системы телеобработки считаются распределенными условно т.к. основные функции обработки данных здесь реализуются централизованно в одной ЭВМ или в вычислительном комплексе.

Интерфейсы СОД

Существенное влияние на организацию СОД оказывают интерфейсы. Все интерфейсы, используемые СОД, делятся на три класса:

1. Параллельные

2. Последовательные

3. Связанные

Параллельный интерфейс состоит из большого числа линий, данные по которым передаются параллельно, в параллельном коде, в виде 8-128 разрядных слов со скоростью 106-108 бит/сек. Длина линий от нескольких метров до десятков (реже сотен) метров.

Последовательный интерфейс — одна линия. Данные передаются в последовательном коде со скоростью 105 — 107 бит/сек. Длина — от десятков метров до километров.

Связанные интерфейсы содержат каналы связи с ретранслятором. Скорость передачи данных порядка 103-105 бит/сек. Расстояние не ограничено.

В сосредоточенных системах используются параллельные интерфейсы и только для подключения периферийных устройств — последовательные. В распределенных системах из-за значительных расстояний используются только последовательные и связанные интерфейсы, что исключает возможность передачи сигналов прерывания между устройствами и требует представлении данных в виде сообщений, передаваемых с помощью операций ввода-вывода.

11. Лабораторные задания

11.1. Лабораторная работа № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ЛИНИЙ СВЯЗИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ

Цель работы: ознакомление с процессом моделирования распределенных линий связи. Получение навыков работы с моделями систем и их экспериментального исследования.

Аппаратура: компьютер, принтер.

Программное обеспечение: ОС MS Windows, программа ElectronicsWorkbench.

Общие сведения

Проводные линии связи вычислительных сетей являются цепями с поделенными параметрами, которые характеризуются тем, что в них индуктивность, емкость, сопротивление и проводимость распределены в пространстве — чаще вдоль двух проводников, образующих линию связи для обмена информацией между различными объектами. Если названные параметры распределены вдоль линии (на единицу длины) равномерно (на- пример, для двухпроводной линии в виде параллельных проводников), то такая линия называется однородной, иначе — является неоднородной.

Линии связи (ЛС) могут быть представлены двумя моделями: идеальной двухпроводной ЛС без потерь (рис. 11.1.1, а) и с потерями (рис. 11.1.1, б). Математическая модель ЛС с потерями состоит из набора одинаковых звеньев — сегментов, схема которого (рис. 11.1.1, в) содержит (в обозначениях EWB 5.0):

R - активное (омическое) сопротивление проводников ЛС, отнесен- ное к единице длины (погонное сопротивление), Ом/м;

G - погонная проводимость между проводниками ЛС, См/м; для реальных ЛC к этой проводимости добавляются проводимости, вызванные диэлектрическими потерями изоляционных материалов;

L - погонная индуктивность проводников ЛС, Гн/м;

С - погонная емкость между проводниками, Ф/м.

а) б) в)

Рис. 11.1.1. Графические обозначения ЛС без потерь (а), с потерями (б) и звено математической модели ЛС с потерями (в)

Значения параметров ЛС в EWB 5.12 задаются с помощью диалоговых окон (рис. 11.1.2, 11.1.3).

В окне, изображенном на рис. 11.1. 2, задаются значения пара- метров эквивалентной схемы (см. рисунок 3.1, 1, в), где, кроме перечисленных выше параметров, указана длина ЛС (LEN, м).

Рис. 11.1.2. Диалоговое окно установки параметров ЛС с потерями

В диалоговом окне для идеальной ЛС (R = 0, G = 0) (рис. 11.1.3) обозначено: Z0 − волновое сопротивление, Ом; TD — время задержки распространения сигнала.

Рис.11.1.3. Диалоговое окно установки параметров ЛС без потерь

Процессы, происходящие в ЛС, описываются так называемыми телеграфными уравнениями [2]

∂u/∂х + L(∂i/∂t) + R_i = 0,

∂i/∂х + C(∂u/∂t) + Gu = 0, (11.1.1)

где ∂u/∂х, ∂i/∂х, ∂u/∂t, ∂i/∂t — ча- стные производные от напряже- ния и, тока i по расстоянию х и времени t.

Решение уравнений (11.1.1) дает следующий набор характеристик (вторичных параметров) однородной ЛС:

1. Волновое (характеристическое) сопротивление

Z0 = [(R + j(ωL)/(G + jωC)]^1/2; (11.1.2)

2. Коэффициент распространения

γ = [(R + jωL)(G + jωC)] ^1/2 = β + jα, (11.1.3)

где коэффициент затухания β = (RG)^1/2, коэффициент фазы α = ω(LC)^1/2.

Если выполнить условие R/L=G/C, называемое условием неискажающей ЛС, то из (11.1.2) получим

Z0=(L/C)^1/2, (11.1.4)

т. е. волновое сопротивление, как и в случае идеальной ЛС, не будет зависеть от частоты. При тех же условиях скорость распространения электромагнитного поля вдоль ЛС

v = ω/α = 1/(LC)1/2,

а время задержки сигнала при прохождении ЛС длиной L

TD = 1/v. (11.1.5)

Для воздушных ЛС скорость распространения v принимается равной скорости света с = 3·10⁸ м/с, тогда

LC = 1/c² = 11,11· 10^-18. (11.1.6)

ЛС могут работать в следующих двух режимах.

1. Режим согласованной линии характерен для ЛС, на выходе которой включено активное сопротивление, равное волновому сопротивлению Z0. Для такого режима мгновенное значение напряжения в любой точке ЛС описывается выражением

U = U_i exp(-βl)cos(ωt - αl), (11.1.7)

где l - расстояние от начала ЛС до точки, в которой определяется значение напряжения; ω - частота входного сигнала U_i.

Из формулы (11.1.7) видно, что амплитуда бегущей волны напряжения убывает вдоль линии по экспоненциальному закону.

Для моделирования ЛС в режиме согласованной линии используется схема (рис. 11.1.4). Рекомендуемые значения параметров ЛС Itline1: LEN = 50 м, R = 1 Ом/м, L = 11,11 мкГн/м. Входной сигнал Ui напряжением 3В и часто-той f = 500 кГц. Значения Z0, С и G находятся из формул (4), (6) при условии, что R/L=G/C.

Рис. 11.1.4. ЛС в режиме согласованной линии

Из полученных в результате моделирования осциллограмм (рис. 11.1.5) можно определить запаздывание α выходного сигнала относительно входного на длину линии в режиме бегущей волны α = 2πf(Т2–Т1), а из индикаторных окон – амплитуды входного U_im=VA1 и выходного U_om=VB2 напряжений.

Эти же величины можно получить теоретически: α – по формуле (11.1.3), U_om – по формуле (11.1.7).

Рис. 11.1.5. Осциллограммы сигналов на входе (А) и выходе (В) ЛС

2. Режим несогласованной линии характеризуется тем, что на ее выходе включено сопротивление Z, не равное волновому сопротивлению Z0. Наиболее ярко этот режим проявляется при разомкнутой (Z = ∞) или замкнутой (Z = 0) линиях. При разомкнутой линии бегущая волна тока достигает конца линии, и заряды дальше двигаться не могут: ток должен прекратиться. Но убывание тока создает по правилу Ленца ЭДС самоиндукции, направленную попутно с убывающим током. Появление же этой ЭДС приводит к повышению напряжения на конце линии, что, в свою очередь, вызывает движение зарядов в обратном направлении.

Следовательно, дойдя до разомкнутого конца линии, волны вынуждены двигаться в обратном направлении. Это явление называется отражением волны от конца линии. Энергия отраженных волн возвращается к началу линии. Электрические заряды прямой и обратной волн у конца провода складываются, в результате чего в этом месте в каждый момент времени получается удвоенное напряжение.