ТЕМА 2. Режимы обработки данных

Работа добавлена на сайт samzan.net:

7

PAGE  4

СП

П

СМ

НР

ТЕМА 2.

Режимы обработки данных. Способы параллельной обработки. Параллелизм.

Режимы обработки данных.

Режим обработки данных - способ выполнения заданий (задач), характеризующийся порядком распределения ресурсов системы между заданиями. Обеспечивается управляющими программами ОС, которые выделяют память и другие ресурсы.

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

Оперативная и пакетная обработка данных.

Эти два режима используются для обслуживания пользователей, а не технических объектов.

Оперативная обработка характеризуется:

•  малым объёмом вводимых-выводимых данных на один запрос и
•  высокой интенсивностью взаимодействия - малым временем ответа.

В рамках оперативной различают ещё два подтипа - режим "запрос-ответ" и диалоговый. "Запрос-ответ" - справочная служба на основе ЭВМ, банковские операции. Диалоговый предполагает активное участие пользователя в управлении процессом. Он самый интенсивный.

Пакетная обработка данных характеризуется:

•  большим объёмом вводимых-выводимых данных на один запрос и
•  более низкой интенсивностью взаимодействия - возможно большое время ответа.

Используется чаще всего для обработки больших массивов статистических или технических данных.

Обработка в реальном масштабе времени (РМВ).

Используется в основном в системах управления реальными (в первую очередь техническими) объектами.

Важный фактор - наличие предельно допустимого времени на получение ответа по какой-то задаче.

РМВ - режим, при котором организация обработки данных подчиняется темпу процессов вне СОД.

Режим телеобработки данных.

Самая важная отличительная черта - наличие линий связи и необходимости подключения и отключения от них. Пользователю нужно доступиться к системе, а системе - к данным. После этого идёт работа в режимах "запрос-ответ", диалоговом или пакетном.

Мультипрограммная обработка.

Это способ организации вычислительного процесса, при котором на одном процессоре попеременно выполняются сразу несколько программ. Эти программы совместно используют не только процессор, но и другие ресурсы: ОП, ВЗУ, УВВ, ПУ. Задачи реализуются на разных устройствах, способных функционировать параллельно.

Наиболее реальная ситуация - совмещается по времени работа процессора по одной программе с работой УВВ по другим.

Мультипрограммирование призвано повысить эффективность использования системных ресурсов, однако эффективность можно понимать по-разному. Наиболее характерными критериями эффективности ВС являются:

•  пропускная способность - кол-во задач, выполняемых ВС в единицу времени;
•  удобство работы пользователей - они имеют возможность работать с несколькими приложениями на одной машине;
•  реактивность системы - способность выдерживать заранее заданные интервалы времени (иногда - очень малые!) между запуском программы и получением результата.

При использовании мультипрограммирования 1-й и 2-й критерии имеют положительную динамику, 3-й - скорее отрицательную.

Самым эффективным способом повышения надёжности и производительности системы является параллельная обработка данных. Первой попыткой использовать этот способ была мультипрограммная обработка, но и она не справилась с растущими задачами. Качественно новой идеей была

Мультипроцессорная обработка (или мультипроцессорный режим обработки) данных.

Это такой способ организации вычислительного процесса в системах с несколькими процессорами, при котором несколько задач (процессов, потоков) могут одновременно выполняться на разных процессорах системы.

Эта концепция известна с начала 70-х, но до середины 80-х доступных многопроцессорных систем не существовало. Однако к настоящему времени стало обычным включение нескольких процессоров в архитектуру даже ПК (пример - сопроцессор). Более того, многопроцессорность теперь является одним из необходимых требований, предъявляемых к компьютерам, используемым в качестве центрального сервера более-менее крупной сети.

Не путать мультипрограммную и мультипроцессорную обработки!

В мультипрограммных системах параллельная работа разных устройств позволяет одновременно вести обработку разных программ, но при этом в процессоре в каждый момент времени выполняется только одна программа, т.е. несколько задач выполняются попеременно но одном процессоре. Здесь лишь видимость параллелизма.

В мультипроцессорных системах несколько задач выполняются одновременно, т.к. имеется несколько обрабатывающих устройств - процессоров.

Мультипроцессорная организация системы приводит к усложнению всех алгоритмов управления ресурсами. Планировать задачи для нескольких процессоров значительно сложнее, чем для одного. Кроме того, кто именно из процессоров будет это делать? Есть и другие сложности - возникают конфликтные ситуации при обращении к УВВ, ОП, памяти данных и т.д.

Всё это решается ОС путём синхронизации процессов, введения очередей, при помощи системы приоритетов (процессоров или процессов) и планирования ресурсов, но всё предусмотреть непросто.

В наши дни общепринято вводить в ОС функции поддержки мультипроцессорной обработки данных. Такие функции имеются во всех популярных ОС:

Microsoft Windows NT;

IBM OS/2;

Sun Solaris 2.x;

Santa Cruz Operations Open Server 3.x.

Понятия процесс и поток.

Чтобы поддерживать мультипрограммную и мультипроцессорную обработки, ОС должна определить и оформить для себя те внутренние единицы работы, между которыми будут распределяться процессоры и другие ресурсы.

В настоящее время в большинстве ОС определены два типа единиц работы. Более крупная - процесс или задача, требует для своего исполнения несколько более мелких работ, для обозначения которых используют понятие поток.

Способы организации параллельной обработки и Виды параллелизма.

Существуют три основных способа:

•  совмещение во времени различных этапов разных задач;
•  одновременное решение различных задач или частей одной задачи;
•  конвейерная обработка информации.

Рассмотрим каждый из них отдельно.

Первый путь - не что иное, как известная нам мультипрограммная обработка данных. Она возможна даже в однопроцессорных ЭВМ. Широко используется.

Второй путь - одновременное решение различных задач или частей одной задачи - возможен только при наличии нескольких обрабатывающих устройств. Этот путь нам тоже известен, мы кратко рассматривали мультипроцессорную обработку данных.

Но мультипроцессорный режим - всего лишь режим. Он должен быть обеспечен средствами ОС, а они, в свою очередь, строятся на идеях параллелизма, точнее, на элементах параллелизма, присущих задачам.

Можно выделить несколько видов параллелизма:

1. Естественный параллелизм независимых задач. Он заключается в том, что в систему поступает непрерывный поток не связанных между собой задач, т.е. решение любой задачи не зависит от результатов решения других задач. В этом случае использование нескольких процессоров однозначно повышает производительность.

2. Параллелизм независимых ветвей. Имеет очень широкое реальное распространение. Заключается в том, что при решении большой задачи могут быть выделены отдельные независимые части - ветви программы, которые при наличии нескольких процессоров могут выполняться параллельно и независимо друг от друга.

Двумя независимыми ветвями будем считать части, для которых выполняются следующие условия:

•  ни одна из входных величин для ветви не является выходной для другой ветви (отсутствие функциональных связей);
•  обе ветви не производят запись в одни и те же ячейки памяти (отсутствие связи по использованию ОП);
•  условия выполнения одной ветви не зависят от результатов или признаков, полученных при выполнении другой ветви (независимость по управлению);
•  обе ветви должны выполняться по разным блокам программы (программная независимость).

На самом деле задача обнаружения и реализации параллелизма независимых ветвей - очень сложная и объёмная. Фактически - это математическая задача сетевого планирования. С ней вы столкнётесь в курсе "ОПУП" на классическом примере "Утро на даче". Особенная сложность - неизвестность длительности исполнения каждой из множества ветвей. На практике невозможно избежать простоев в работе процессоров, мы лишь минимизируем их.

3. Параллелизм объектов или данных. Имеет место тогда, когда по одной и той же программе обрабатывается некая совокупность данных, поступающая в систему одновременно. Примеры: данные от РЛС - все сигналы обрабатываются по одной и той же программе, задачи векторной алгебры, в которых выполняются одинаковые операции над парами чисел двух аналогичных объектов.

Забегая вперёд можно сказать, что этот вид параллелизма служит базой для построения матричных систем.

Третий путь параллельной обработки - конвейерная обработка информации.

Его реализация возможна даже в системе с одним процессором, разделённым на несколько последовательно включенных операционных блоков, каждый из которых ориентирован на некоторые строго определённые части операции.

Формулу работы конвейерного процессора можно описать так: "Когда i-й операционный блок выполняет i-ю часть j-ой операции, (i-1)-й операционный блок выполняет (i-1)-ю часть (j+1)-ой операции, а (i+1)-й операционный блок выполняет (i+1)-ю часть (j-1)-ой операции"

Работу конвейера можно легко продемонстрировать на примере операции сложения двух чисел с плавающей запятой. Она выполняется за 4-ре шага:

•  сравнение порядков (СП);
•  выравнивание порядков (ВП);
•  сложение мантисс (СМ);
•  нормализация результата (НР);

Этап

1

2

3

4

5

6

...

i

..

n

n+1

n+2

n+3

СП

a1b1

a2b2

a3b3

a4b4

a5b5

a6b6

...

aibi

..

anbn

ВП

a1b1

a2b2

a3b3

a4b4

a5b5

...

a(i-1)b(i-1)

..

a(n-1)b(n-1)

anbn

СМ

a1b1

a2b2

a3b3

a4b4

...

..

anbn

НР

c1

c2

c3

...

c(i-3)

..

c(n-3)

c(n-2)

c(n-1)

cn

Т.о., если такты одинаковые по длине, первый результат будет получен только в четвёртом такте, но затем в каждом такте мы будем получать результат! Наш выигрыш тем больше, чем длиннее цепочка данных и чем большее количество операционных блоков.

Только что мы рассмотрели конвейер арифметических операций. Но ведь по такому же принципу мы можем организовать и конвейер команд, которые уже давно используется практически во всех ЭВМ.

Цикл команды разбивается на ряд этапов, которые могут выполняться независимо друг от друга:

•  формирование адреса команды (ФА);
•  выборка команды из памяти (ВК);
•  расшифровка кода операции (РКО);
•  формирование адреса операнда (ФАО);
•  выборка операнда из памяти (ВО);
•  арифметическая или логическая операция (АЛО);

Этап	1	2	3	4	5	6	7
ФА	К1	К2	К3	К4	К5	К6	К7
ВК		К1	К2	К3	К4	К5	К6
РКО			К1	К2	К3	К4	К5
ФАО				К1	К2	К3	К4
ВО					К1	К2	К3
АЛО						К1	К2

Т.о. в конвейере арифметических операций мы параллельно обрабатываем m пар операндов, а в конвейере команд совмещаем во времени l операций.

К сожалению, выиграть в l раз практически невозможно из-за операций условных переходов, нарушающих работу конвейера. В ОС существуют специальные средства, позволяющие определить переходы как можно раньше и уменьшить их влияние.

В вычислительных системах используют и конвейер арифметических операций, и конвейер команд, причём по несколько штук, работающих параллельно.

1. Совершенствование системы формирования и использования кадров на СД УГППС Укрпочта
2. Тематика частушек не поддается учету.
3. Н. ЗАНЕГИН РОССИЯ В ГЕОПОЛИТИЧЕСКИХ КООРДИНАТАХ к отношениям с США и КНР Выделившись из союзного госуд.html
4. Акционерлік~о~амтуралы за~ ~ашан ~абылданды 2003 жылы 13 мамырда Ба~алы ~а~аздар нары~ы туралы
5. на тему- Розрахунок шумового забруднення бульвар Вернадського та вулиці Депутатська
6. Энциклопедия и методология истории прочитал в стенах Берлинского университета И
7. Гигиеническая норма
8. Особенности электорального поведения в России
9. Аналитический обзор законодательства об охране здоровья населения
10. Триботехнічні властивості- зносостійкість, зношування, тертя, покриття, залишкові напруги детонаційно-газових покриттів
11. модуль при помощи любого текстового редактора создать текстовый файл с именем Input1
12. тема З якими програмами знайомі
13. Тема- Материальнотехническая база автотранспортного предприятия Цель работы- изучение структуры основных
14. Общая характеристика муниципальной деятельности 2
15. острая вирусная инфекция поражающая как верхние так и нижние дыхательные пути и протекающая с выраженными
16. Тематическое планирование по литературному чтению для 3 класса
17. 46 68 Больше 8 Количество вкладчиков 20
18. Книга- Товарные знаки и бренды
19. Реферат- Регенерация у человека и животных
20. Проектирование топологии сети

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе