.
Начертательная геометрия Геометрическое черчение Инженерная графика Интегралы Математический анализ Матрицы Производные Векторная алгебра

 

1.4. Режимы обработки данных

 

Режим обработки данных – способ выполнения заданий (задач), характеризующийся порядком распределения ресурсов системы между заданиями (задачами). Требуемый режим обработки данных обеспечивается управляющими программами операционной системы, которые выделяют заданиям оперативную и внешнюю память, устройства ввода – вывода, процессорное время и прочие ресурсы в соответствующем порядке с учетом атрибутов заданий – имен пользователей, приоритетов заданий, сложности задач и вычислений и др.

Режим обработки данных порождает соответствующий режим функционирования системы, проявляющийся в порядке инициирования задач и представлении одним задачам преимущественного права на использование ресурсов, в организации ввода данных, хранения программ в оперативной памяти, вывода данных и т. д. Порядок распределения ресурсов между заданиями влияет на время пребывания задании в системе, производительность системы, стоимость решения задач и другие характеристики системы и процессов обработки задач. Выбор того или иного режима обработки данных обусловлен необходимостью обеспечения требуемых характеристик системы и процессов обработки. В свою очередь характеристики системы влияют на способы взаимодействия пользователей с системой, а, следовательно, на интенсивность взаимодействия, продолжительность взаимодействия и т. д. Таким образом, режим обработки данных связан с организацией процесса функционирования системы и отражается в первую очередь на характеристиках системы.

Рассмотрим основные режимы обработки данных и их влияние на характеристики СОД.

Мультипрограммная обработка. В общем случае процесс решения задачи сводится к последовательности этапов процессорной обработки, ввода и вывода данных и обращений к внешним запоминающим устройствам. При этом задача в каждый момент времени обрабатывается, как правило, одним устройством, а остальные не могут использоваться до завершения работы этого устройства я, следовательно, могут распределяться для выполнения других задач. Режим обработки, при котором в системе одновременно обрабатывается несколько задач, называется мультипрограммной обработкой или, кратко, мультипрограммированием. При этом процессы обработки, относящиеся к разным задачам, одновременно выполняются различными устройствами системы, способными функционировать параллельно. В этом случае говорят, что система обработки данных функционирует в мультипрограммном режиме[4][4]. Цель мультипрограммирования – увеличение производительности системы.

Число задач, находящихся в системе, называется уровнем мультипрограммирования. Уровень мультипрограммирования влияет на производительность и время ответа системы следующим образом. На рис. 1.13 штриховыми линиями показана зависимость производительности системы λ, и среднего времени ответа U от уровня мультипрограммирования М. При изучении этих зависимостей удобно кривые λ(М) и U(М) представлять ломаными линиями, состоящими из двух прямых – асимптот и характеризующими верхнюю и нижнюю оценку: λ(М) и U(М) соответственно. В однопрограммном режиме (M=1) время ответа , где   определяется по формуле (1.7). При этом производительность .

Рис. 1.13. Влияние уровня мультипрограммирования на производительность и время ответа

 

С увеличением уровня мультипрограммирования М увеличивается вероятность того, что большее число устройств одновременно занято выполнением задач. Но вместе с тем вероятность того, что несколько задач одновременно обращаются к одному устройству, достаточно мала, и поэтому время ожидания оказывается незначительным. Однако при уровне мультипрограммирования   возникает ситуация, когда, по крайней мере, одно устройство оказывается полностью загруженным. Дальнейшее увеличение числа задач не приводит к росту производительности λ, которая определяется производительностью λ* этого устройства, но при М>М* начинает резко возрастать время ответа U, поскольку все большее число задач ожидает момента освобождения устройств[5][5]. Значение М* называется точкой насыщения мультипрограммной смеси, а также точкой насыщения системы и зависит в первую очередь от числа устройств, которые в составе системы могут функционировать параллельно. Чем больше число устройств, тем больше М*. Кроме того, на значение М* существенно влияют свойства задач. Если задачи преимущественно используют одно устройство, то значение М* невелико и может быть равным единице. Если задачи загружают все устройства, то значение М* определяется числом устройств в системе.

Работа системы при уровне мультипрограммирования М>М* неэффективна, поскольку нет выигрыша в производительности и увеличивается время ответа.

Производительность λ и среднее время ответа U связаны между собой зависимостью

  (1.9)

которая называется формулой Литтла и является фундаментальным законом теории массового обслуживания.

В системе, состоящей из N устройств, загрузка которых равна , среднее число задач m, выполняемых одновременно в мультипрограммном режиме, равно суммарной загрузке устройств:

  (1.10)

Остальные   задач находятся в состоянии ожидания. Число одновременно выполняемых задач, определяемое (1.10), называется коэффициентом мультипрограммирования и равно отношению производительности системы в мультипрограммном режиме λ к производительности в однопрограммном режиме , если затраты ресурсов на организацию мультипрограммирования возрастают пропорционально числу одновременно выполняемых задач, т. е.

  (1.11)

Таким образом, коэффициент мультипрограммирования m является показателем увеличения производительности системы за счет мультипрограммирования. Из (1.10) следует, что коэффициент мультипрограммирования

  (1.12)

где N – число устройств системы, способных функционировать параллельно с каждым из N–1 остальных устройств. При этом предполагается, что система работает без отказов.

Оперативная и пакетная обработка данных. Применительно к СОД, предназначенным для информационного обслуживания пользователей (но не технических объектов и систем), принято выделять два режима обработки данных: оперативную и пакетную обработку. Оперативная обработка данных характеризуется: 1) малым объемом вводимых – выводимых данных и вычислений, приходящимся на одно взаимодействие пользователя с системой (на одну задачу); 2) высокой интенсивностью взаимодействия и вытекающим отсюда требованием уменьшения времени ответа. Оперативная обработка необходима в системах банковских, резервирования билетов, справочных и др. Пакетная обработка данных характеризуется: 1) большим объемом вводимых – выводимых данных и вычислений, приходящимся на одно взаимодействие пользователя с системой (на одну задачу); 2) низкой интенсивностью взаимодействия и допустимостью большого времена ответа. Пакетная обработка типична для вычислительных центров научно-технического профиля, систем обработки учетно-статистических данных, результатов геофизических измерений и т. д.

 

 

Рис. 1.14. Время ответа и интенсивность взаимодействия пользователей с системой для разных режимов обработки

 

Области типичных значений времени ответа U и интенсивности λ0взаимодействия пользователя с системой, соответствующие оперативной и пакетной обработке, представлены на рис. 1.14. Произведение   определяет нагрузку, создаваемую пользователем. Значение   можно рассматривать, во-первых, как долю времени, в течение которого пользователь обслуживается системой, и, во-вторых, как вероятность того, что в произвольный момент времени система инициирована пользователем, т. е. обслуживает его. Значение   определяет долю времени, в течение которого пользователь не взаимодействует с системой, и одновременно вероятность этого состояния. Так, для пакетной обработки   типичная нагрузка, создаваемая одним пользователем, .

В рамках оперативной обработки выделяют два режима: запрос – ответ и диалоговый. Режим запрос – ответ характеризуется меньшей интенсивностью и большей продолжительностью взаимодействия по сравнению с диалоговым режимом. Типичный пример использования режима запрос–ответ – справочная служба на основе ЭВМ. При этом пользователь формирует текст запроса, который вводится вЭВМ, и ответ должен быть получен за несколько десятков секунд. Работа в диалоговом режиме предполагает практически мгновенный контакт пользователя с системой, при котором система реагирует на действия пользователя с задержкой в несколько секунд или доли секунды. Наиболее жесткие ограничения возникают, когда система должна обслуживать элементарные манипуляции пользователя, работающего за терминалом: например, реагировать на нажатие каждой клавиши. В этом случае время ответа не должно превышать 0,1 с. Менее жестким является режим, когда система должна реагировать только на моменты окончания набора строк, обеспечивая время ответа, равное нескольким секундам. Быстрота реакции системы на действия пользователя является непременным условием диалогового режима.

Диалоговый режим создает максимальные удобства для пользователя, обеспечивая постоянный контроль вводимых данных (программ и исходных данных), минимальное время ответа, возможность оперативного вмешательства пользователя в процесс решения задачи и оперативный доступ пользователя к системе. За счет этого минимизируются потери из-за простоя пользователей в ожидании результатов, некорректных действий пользователей; или «неожиданного» поведения программ. Однако диалоговый режим обеспечивается за счет использования системы с большой производительностью, что требует больших капитальных вложений. Кроме того, стоимость выполнения программы в диалоговом режиме больше, чем в пакетном, из-за немалых издержек, связанных с управлением процессами со стороны операционной системы. При выполнении расчетов, особенно сложных, по апробированным программам и методикам постоянный контакт пользователя с системой необходим только на этапе ввода данных. При их обработке и выводе результатов оперативный контакт с пользователем не нужен. В таких случаях наиболее экономичным способом обработки данных является пакетный режим. В пакетном режиме организация процесса в системе имеет целью не минимизацию времени ответа, а снижение стоимости обработки данных за счет эффективного использования ресурсов системы. В пакетном режиме управление процессами – выбор заданий из очереди на обработку и порядок выполнения задач – направлено на повышение производительности системы за счет формирования смеси задач, обеспечивающей максимальную загрузку по возможности всех ресурсов системы. В этом случае время ответа становится весьма значительным: десятки минут и часы.

Вычислительные системы и комплексы в подавляющем большинстве случаев (в сети всегда) используются в режиме коллективного доступа, при котором с системой взаимодействует коллектив пользователей. Выполнение заданий производится в мультипрограммном режиме. Обеспечение режимов пакетного, запрос–ответ и диалогового производится за счет соответствующих способов управления ресурсами и процессами, реализуемых управляющими программами операционной системы.

Обработка в реальном масштабе времени. В системах управления реальными объектами, построенных на основе ЭВМ, процесс управления сводится к решению фиксированного набора задач .Каждая задача инициируется либо периодически, либо при возникновении определенных ситуаций в системе. При этом темп инициирования задач и время получения результатов вычислений жестко регламентируются динамическими свойствами управляемого объекта: технологической установки, подвижного объекта и др. Это означает, что на время решения задач управления налагаются ограничения , определяющие предельное допустимое время ответа   для задач   соответственно. Режим, при котором организация обработки данных подчиняется темпу процессов вне СОД, называется обработкой в реальном масштабе времени (РМВ).

Обработка в РАШ обеспечивается за счет:

1) выбора структуры СОД и быстродействия устройств в соответствии с задачами обработки Α и требованиями к времени обработки ;

2) способов организации процессов обработки, обеспечивающих требуемое время ответа   при ограниченной производительности устройств и заданной структуре СОД.

Режим телеобработки данных.Телеобработка (удаленная обработка) – режим обработки данных при взаимодействии пользователей с СОД через линии связи. Телеобработка рассматривается в качестве самостоятельного режима обработки данных по следующим причинам. Во-первых, удаленность пользователей от СОД и наличие между ними специфического средства передачи данных – линии связи – порождает необходимость в специальных действиях пользователей при организации доступа к системе и завершении сеанса работы. Во-вторых, наличие линий связи налагает ограничения на форму и время обмена данными между пользователями и СОД. Эти ограничения приводят к необходимости специальных способов организации данных и доступа к ним, что в свою очередь отражается на структуре прикладных программ, используемых в режиме телеобработки.

Режим телеобработки характеризуется, прежде всего, спецификой доступа пользователя к системе и системы к данным, передаваемым через удаленные терминалы, т. е. связан в первую очередь с организацией обработки данных внутри СОД. При этом пользователи могут работать с режимах пакетном, диалоговом или «запрос–ответ». Каждый из этих режимов характеризуется специфичным способом взаимодействия пользователей с системой и соответствующим временем ответа.

На главную