Лекция: Информационное обеспечение автоматизированной системы.
А) Совокупность баз данных и программ для их обработки, необходимых для функционирования автоматизированной системы
3. Серверные операционные системы Серверные ОС работают на серверах, которые представляют собой или очень большие персональные компьютеры, или рабочие станции, или даже мэйнфреймы. Они одновременно обслуживают множество пользователей и позволяют им делить между собой программные и аппаратные ресурсы. Серверы предоставляют возможность работы с печатающими устройствами, файлами или Интернетом. Интернет-провайдеры обычно запускают в работу несколько серверов для того, чтобы поддерживать одновременный доступ к сети множества клиентов. На серверах хранятся страницы web-сайтов и обрабатываются входящие запросы. UNIX, Linux и Windows 2000 являются типичными серверными ОС.
4. Поколения ЭВМ. Этапы совершенствования аппаратных и программных средств. Компьютерная грамотность предполагает наличие представления о пяти поколениях ЭВМ, которое Вы получите после ознакомления с данной статьей.
Когда говорят о поколениях, то в первую очередь говорят об историческом портрете электронно-вычислительных машин (ЭВМ). Фотографии в фотоальбоме по истечении определенного срока показывают, как изменился во времени один и тот же человек. Точно так же поколения ЭВМ представляют серию портретов вычислительной техники на разных этапах ее развития.
Всю историю развития электронно-вычислительной техники принято делить на поколения. Смены поколений чаще всего были связаны со сменой элементной базы ЭВМ, с прогрессом электронной техники. Это всегда приводило к росту быстродействия и увеличению объема памяти. Кроме этого, как правило, происходили изменения в архитектуре ЭВМ, расширялся круг задач, решаемых на ЭВМ, менялся способ взаимодействия между пользователем и компьютером.
ЭВМ первого поколения были ламповыми машинами 50-х годов. Их элементной базой были электровакуумные лампы. Эти ЭВМ были весьма громоздкими сооружениями, содержавшими в себе тысячи ламп, занимавшими иногда сотни квадратных метров территории, потреблявшими электроэнергию в сотни киловатт.
Например, одна из первых ЭВМ – ENIAC – представляла собой огромный по объему агрегат длиной более 30 метров, содержала 18 тысяч электровакуумных ламп и потребляла около 150 киловатт электроэнергии.
Для ввода программ и данных применялись перфоленты и перфокарты. Не было монитора, клавиатуры и мышки. Использовались эти машины, главным образом, для инженерных и научных расчетов, не связанных с переработкой больших объемов данных. В 1949 году в США был создан первый полупроводниковый прибор, заменяющий электронную лампу. Он получил название транзистор.
В 60-х годах транзисторы стали элементной базой для ЭВМ второго поколения. Машины стали компактнее, надежнее, менее энергоемкими. Возросло быстродействие и объем внутренней памяти. Большое развитие получили устройства внешней (магнитной) памяти: магнитные барабаны, накопители на магнитных лентах. В этот период стали развиваться языки программирования высокого уровня: ФОРТРАН, АЛГОЛ, КОБОЛ. Составление программы перестало зависеть от конкретной модели машины, сделалось проще, понятнее, доступнее.
В 1959 г. был изобретен метод, позволивший создавать на одной пластине и транзисторы, и все необходимые соединения между ними. Полученные таким образом схемы стали называться интегральными схемами или чипами. Изобретение интегральных схем послужило основой для дальнейшей миниатюризации компьютеров.
В дальнейшем количество транзисторов, которое удавалось разместить на единицу площади интегральной схемы, увеличивалось приблизительно вдвое каждый год.
Третье поколение ЭВМ создавалось на новой элементной базе – интегральных схемах (ИС).
ЭВМ третьего поколения начали производиться во второй половине 60-х годов, когда американская фирма IBM приступила к выпуску системы машин IBM-360. Немного позднее появились машины серии IBM-370.
В Советском Союзе в 70-х годах начался выпуск машин серии ЕС ЭВМ (Единая система ЭВМ) по образцу IBM 360/370. Скорость работы наиболее мощных моделей ЭВМ достигла уже нескольких миллионов операций в секунду. На машинах третьего поколения появился новый тип внешних запоминающих устройств – магнитные диски.
Успехи в развитии электроники привели к созданию больших интегральных схем (БИС), где в одном кристалле размещалось несколько десятков тысяч электрических элементов.
В 1971 году американская фирма Intel объявила о создании микропроцессора. Это событие стало революционным в электронике. Микропроцессор – это миниатюрный мозг, работающий по программе, заложенной в его память. Соединив микропроцессор с устройствами ввода-вывода и внешней памяти, получили новый тип компьютера: микро-ЭВМ. Микро-ЭВМ относится к машинам четвертого поколения. Наибольшее распространение получили персональные компьютеры (ПК). Их появление связано с именами двух американских специалистов: Стива Джобса и Стива Возняка. В 1976 году на свет появился их первый серийный ПК Apple-1, а в 1977 году – Apple-2. Однако с 1980 года «законодателем мод» на рынке ПК становится американская фирма IBM. Ее архитектура стала фактически международным стандартом на профессиональные ПК. Машины этой серии получили название IBM PC (Personal Computer). Появление и распространение ПК по своему значению для общественного развития сопоставимо с появлением книгопечатания. С развитием этого типа машин появилось понятие «информационные технологии», без которых невозможно обойтись в большинстве областей деятельности человека. Появилась новая дисциплина – информатика. ЭВМ пятого поколения будут основаны на принципиально новой элементной базе. Основным их качеством должен быть высокий интеллектуальный уровень, в частности, распознавание речи, образов. Это требует перехода от традиционной фон-неймановской архитектуры компьютера к архитектурам, учитывающим требования задач создания искусственного интеллекта. Таким образом, для компьютерной грамотности необходимо понимать, что на данный момент создано четыре поколения ЭВМ:
1-ое поколение: 1946 г. создание машины ЭНИАК на электронных лампах.
2-ое поколение: 60-е годы. ЭВМ построены на транзисторах.
3-ье поколение: 70-е годы. ЭВМ построены на интегральных микросхемах (ИС).
4-ое поколение: Начало создаваться с 1971 г. с изобретением микропроцессора (МП). Построены на основе больших интегральных схем (БИС) и сверх БИС (СБИС).
Пятое поколение ЭВМ строится по принципу человеческого мозга, управляется голосом. Соответственно, предполагается применение принципиально новых технологий. Огромные усилия были предприняты Японией в разработке компьютера 5-го поколения с искусственным интеллектом, но успеха они пока не добились. Фирма IBM тоже не намерена сдавать свои позиции мирового лидера, например, Японии. Мировая гонка за создание компьютера пятого поколения началась еще в 1981 году. С тех пор еще никто не достиг финиша. Поживем – увидим.
5. Дайте определение ЖЦ программного продукта и охарактеризуйте его основные этапы при традиционной технологии разработки ПО ЖЦ ПП определяется как совокупность последовательных состояний программного продукта (ПП) и всех действий по его преобразованию, начиная с анализа возникающей потребности автоматизации некоторых функций обработки данных до их программной реализации и включения в ПО конкретного применения.
Этапы: 1. Анализ требований 2. Проектирование (предварительное и детальное) 3. Кодирование и отладка («программирование») 4. тестирование 5. эксплуатация и сопровождение. Такая модель подразумевает жесткое разбиение процесса разработки программного обеспечения на этапы, причем переход с одного этапа на другой осуществляется только после того, как будут полностью завершены работы на предыдущем этапе. Каждый этап завершается выпуском полного комплекта документации. Каскадная модель требует точно и полно формулировать все требования; изменение требований было возможно только после завершения всех работ. Модель не давала ответ на вопрос, что делать, когда требования меняются или меняется понимание этих требований непосредственно во время разработки.
Билет №22 1. Факторы, влияющие на эффективность применения кэш-памяти. Пристонская и гарвардская архитектуры (ЭВМ) Уилксом в 1965 году в процессе разработки ВМ Atlasи использовал двухуровневую память. Идея Уилкса заключалась в том, чтобы применить двухуровневую память, когда между процессором и ОП размещается небольшая, но быстродействующая буферная память. В процессе работы в буферную память копируются те участки ОП, к которым производится обращение со стороны процессора. В общепринятой терминологии это называется отображением участков ОП на буферную память. Выигрыш получается за счет свойства локальности по обращению. Уилкс называл такую буферную память подчиненной, в современной терминологии за ней закрепилось название кэш, что кроме кошелька, переводится еще и как тайник, поскольку эта память скрыта от программиста в том смысле, что он не может ее адресовать и может вообще не знать о ее существовании. Впервые кэш-память появилась в ВМ модели 85 семейства IBM. В общем виде работу ВМ с кэш-памятью можно пояснить следующим образом. Когда ЦП пытается прочитать слово из ОП, сначала осуществляется поиск копии этого слова в кэше. Если такая копия существует, обращение к ОП не производится, а в ЦП передается слово их кэша. Такая ситуация называется попаданием. При отсутствии слова в кэше (промахе) требуемое слово передается в ЦП из ОП, но одновременно из ОП в кэш передается блок информации, содержащий это слово. На эффективность применения кэш-памяти влияют следующие факторы: -емкость кэша; -размер строки кэша – блок информации, который отображается за 1 операцию обмена между ОП и кэшем; -способ отображения ОП на кэш-память; -алгоритм замещения информации в заполненной кэш-памяти; -алгоритм согласования содержимого ОП и кэша; -число уровней кэш-памяти.
Емкость кэша обуславливается двумя противоречивыми обстоятельствами: с одной стороны кэш должен быть малым, чтобы стоимость ВМ резко не увеличивалась, с другой стороны – кэш должен быть большим, чтобы среднее время обращения к системе ОП — кэш определялось временем доступа к кэш-памяти. Изучение зависимости числа промахов от объема кэша показало, что близкой к оптимальной является емкость кэш от 1 до 512 Кбайт. При выборе размера строки необходимо учесть следующие обстоятельства:
-большие размеры строки уменьшают общее количество строк в кэш заданного объема, а малые размеры приводят к необходимости частой смены строк;
-по мере увеличения размера строки каждое дополнительное слово оказывается дальше от запрошенного и вследствие этого уменьшается вероятность обращения к нему в ближайшем будущем. Первые варианты ВМ с кэш-памятью использовали кэш как для команд, так и для данных. Такую кэш-память принято называть смешанной, а соответствующую архитектуру ВМ – Пристонской. Сравнительно недавно стали разделять кэш-память на две – отдельно для команд и отдельно для данных. Подобная архитектура получила название Гарвардской, поскольку в одноименном университете был впервые создан компьютер «Марк-1” (1950 год), имевший отдельное ЗУ для команд и отдельное ЗУ для данных.
2. Указать, какой из приведенных вариантов более соответствует понятию ER Model
А) Концептуальная модель данных, задающая классы сущностей и связей между ними, в которой сущности и связи характеризуются наборами атрибутов. Модель сущность-связь – данных, кратко называемая ER-моделью и предназначенная по замыслу автора для описания модели предметной области в процессе проектирования базы данных… Основными элементами ER-модели являются именованные множества сущностей, множества связей между ними, которые могут быть двуместными или многоместными, ориентированными или неориентированными. Сущности и связи обладают атрибутами. В модели вводится ограничение целостности данных, ассоциируемое с двумя множествами сущностей, — зависимость по существованию. Это ограничение является близким по смыслу ограничениям по ссылкам в реляционной модели.
3. Понятие операционной среды вычислительной системы между различными вычислительными процессами и образует программную среду, в которой выполняются прикладные программы пользователей. Такая среда называется операционной.
Развитие ОС пошло по пути выделения наиболее часто встречающихся операций и создания для них соответствующих программных модулей, которые можно в дальнейшем использовать в создаваемых программах.
При разработке первых систем программирования, прежде всего, создавали программные модули для подсистемы ввода/вывода, а уже затем — вычисления часто встречающихся математических операций и функций.
Следующий шаг в автоматизации создания готовых к выполнению машинных двоичных программ заключался в том, что транслятор с алгоритмического языка более высокого уровня, нежели первые ассемблеры, уже сам мог подставить вместо высокоуровневого оператора типа READ или WRITE все необходимые вызовы к готовым библиотечным программным модулям. Состав и количество библиотек систем программирования постоянно увеличивались. В конечном итоге возникла ситуация, когда при создании двоичных машинных программ программисты могут вообще не знать многих деталей управления конкретными ресурсами вычислительной системы, а должны только обращаться к некоторой программной подсистеме с соответствующими вызовами и получать от нее необходимые функции и сервисы. Эта программная подсистема и есть ОС, а набор ее функций, сервисов и правила обращения к ним как раз и образуют то базовое понятие, которое называется операционной средой. Т.е. термин операционная среда означает, прежде всего, соответствующие интерфейсы, необходимые программам и пользователям для обращения к ОС с целью получить определенные сервисы.
Параллельное существование терминов ОС и операционная среда вызвано тем, что ОС в общем случае может поддерживать несколько операционных сред.
4. Как определяется эффективность программного продукта? Какие способы улучшения эффективности вы знаете?Эффективность ПП определяется, прежде всего, его функциональностью, а так же расходом вычислительных ресурсов. Под вычислительными ресурсами понимается количество процессорного времени необходимое приложению, а так же объем памяти. Эффективность определяется как отношение функциональности к к количеству требуемых ресурсов. Чтобы повысить эффективность ПП обычно идут по пути уменьшения требований. Оптимизация алгоритмов Предназначена для уменьшения требуемого машинного времени. Оптимизация заключается либо в замене алгоритма более производительным, либо оптимизаци существующего:
4. Замена где возможно арифметических операций менее затратными
5. Минимизация обращений к массивам данных, т.к. линеаризация затратна для процессора
6. Оптимизация циклов таким образом, чтобы в нем выполнялось минимальное кол-во операторов.
Оптимизация памяти заключается в применении алгоритмов, требующих меньше ресурсов памяти. Например пузырьковая сортировка требует один массив, а сортировка выборкой два.
5. Перечислите технические и информационные характеристики дискретного канала передачи информации с помехами. (Инф.) Выходной алфавит символов источника сообщений:
Количество информации, приходящееся в среднем на один символ источника:
, где pi – вероятность появления символа ai на выходе источника.
Среднее количество информации, выдаваемое источником в единицу времени – информационная производительность:
где — среднее число символов, выдаваемое источником в единицу времени.
Алфавиты символов канала связи:
Матрица переходных вероятностей:
Среднее количество информации на один входной и на один выходной символ канала:
Информация, которую несет выход канала о входе:
где — ненадежность канала, — энтропия шума.
где -среднее число символов, передаваемое по каналу в единицу времени.
Пропускная способность канала:
множество всех возможных распределений вероятностей входного алфавита символов канала
— max p характеристики канала.
Билет №21 1. Кэш-память как буфер между оперативной памятью и процессором, какую проблему решают, как работает с ней процессор (Орг ЭВМ) Кэш или кеш— промежуточный буфер с быстрым доступом, содержащий информацию, которая может быть запрошена с наибольшей вероятностью. Доступ к данным в кэше идёт быстрее, чем выборка исходных данных из оперативной (ОЗУ) и быстрее внешней (жёсткий диск или твердотельный накопитель) памяти, за счёт чего уменьшается среднее время доступа и увеличивается общая производительность компьютерной системы. Прямой доступ к данным, хранящимся в кэше, программным путем невозможен. Кэш — это память с большей скоростью доступа, предназначенная для ускорения обращения к данным, содержащимся постоянно в памяти с меньшей скоростью доступа (далее «основная память»). Кэширование применяется ЦПУ, жёсткими дисками, браузерами, веб-серверами, службами DNS и WINS.
Кэш состоит из набора записей. Каждая запись ассоциирована с элементом данных или блоком данных (небольшой части данных), которая является копией элемента данных в основной памяти. Каждая запись имеет идентификатор, определяющий соответствие между элементами данных в кэше и их копиями в основной памяти. Когда клиент кэша (ЦПУ, веб-браузер, операционная система) обращается к данным, прежде всего исследуется кэш. Если в кэше найдена запись с идентификатором, совпадающим с идентификатором затребованного элемента данных, то используются элементы данных в кэше. Такой случай называется попаданием кэша. Если в кэше не найдена запись, содержащая затребованный элемент данных, то он читается из основной памяти в кэш, и становится доступным для последующих обращений. Такой случай называется промахом кэша. Процент обращений к кэшу, когда в нём найден результат, называется уровнем попаданий или коэффициентом попаданий в кэш. Ряд моделей центральных процессоров (ЦП) обладают собственным кэшем, для того чтобы минимизировать доступ к оперативной памяти (ОЗУ), которая медленнее, чем регистры. Кэш-память может давать значительный выигрыш в производительности, в случае когда тактовая частота ОЗУ значительно меньше тактовой частоты ЦП. Тактовая частота для кэш-памяти обычно ненамного меньше частоты ЦП. В процессорах с поддержкой виртуальной адресации часто вводят небольшой быстродействующий буфер трансляций адресов (TLB). Его скорость важна, т.к. он опрашивается на каждом обращении в память. Кэш центрального процессора разделён на несколько уровней. В универсальном процессоре в настоящее время число уровней может достигать 3. Кэш-память уровня N+1 как правило больше по размеру и медленнее по скорости доступа и передаче данных, чем кэш-память уровня N. Самой быстрой памятью является кэш первого уровня — L1-cache. По сути, она является неотъемлемой частью процессора, поскольку расположена на одном с ним кристалле и входит в состав функциональных блоков. В современных процессорах обычно кэш L1 разделен на два кэша, кэш команд (инструкций) и кэш данных (Гарвардская архитектура). Большинство процессоров без L1 кэша не могут функционировать. L1 кэш работает на частоте процессора, и, в общем случае, обращение к нему может производиться каждый такт. Зачастую является возможным выполнять несколько операций чтения/записи одновременно. Латентность доступа обычно равна 2−4 тактам ядра. Объём обычно невелик — не более 128 Кбайт. Вторым по быстродействию является L2-cache — кэш второго уровня, обычно он расположен на кристалле, как и L1. В старых процессорах — набор микросхем на системной плате. Объём L2 кэша от 128 Кбайт до 1−12 Мбайт. В современных многоядерных процессорах кэш второго уровня, находясь на том же кристалле, является памятью раздельного пользования — при общем объёме кэша в nM Мбайт на каждое ядро приходится по nM/nC Мбайта, где nC количество ядер процессора. Обычно латентность L2 кэша, расположенного на кристалле ядра, составляет от 8 до 20 тактов ядра. Кэш третьего уровня наименее быстродействующий, но он может быть очень внушительного размера — более 24 Мбайт. L3 кэш медленнее предыдущих кэшей, но всё равно значительно быстрее, чем оперативная память. В многопроцессорных системах находится в общем пользовании и предназначен для синхронизации данных различных L2. Иногда существует и 4 уровень кэша, обыкновенно он расположен в отдельной микросхеме. Применение кэша 4 уровня оправдано только для высоко производительных серверов и мейнфреймов.
Проблема синхронизации между различными кэшами (как одного, так и множества процессоров) решается когерентностью кэша. Существует три варианта обмена информацией между кэш-памятью различных уровней, или, как говорят, кэш-архитектуры: инклюзивная, эксклюзивная и неэксклюзивная. Инклюзивная архитектура предполагает дублирование информации кэша верхнего уровня в нижнем (предпочитает фирма Intel). Эксклюзивная кэш-память предполагает уникальность информации, находящейся в различных уровнях кэша (предпочитает фирма AMD). В неэксклюзивной кэши могут вести себя как угодно.
2.Указать, какой из приведенных вариантов более соответствует понятию: Upsizing
А) Перенос базы данных, подготовленной в среде настольной СУБД, на сервер баз данных.
Upsizing – (the action of) replacing a smaller system with a larger one, especially one with networking capabilities”
Переход от многопользовательских приложений, построенных по традиционной файл-серверной модели (таких, как приложения на FoxPro, Clipper, dBASE, Paradox) к приложениям с архитектурой клиент – сервер.
3. Назначение операционных систем. Под ОС понимают комплекс управляющих и обрабатывающих программ, который, с одной стороны, выступает как интерфейс между аппаратурой компьютера и пользователем с его задачами, а с другой — предназначен для наиболее эффективного использования ресурсов вычислительной системы и организации надежных вычислений. Любой из компонентов прикладного ПО обязательно работает под управлением ОС. Ни один из компонентов ПО, за исключением самой ОС, не имеет непосредственного доступа к аппаратуре компьютера. Даже пользователи взаимодействуют со своими программами через интерфейс ОС. Любые их команды, прежде чем попасть в прикладную программу, сначала проходят через ОС.
Основные функции ОС:
— прием от пользователя заданий или команд, сформулированных на соответствующем языке и их обработка;
— прием и исполнение программных запросов на запуск, приостановку, остановку других программ;
— загрузка в оперативную память подлежащих исполнению программ;
— инициация программы – передача ей управления, в результате чего процессор исполняет программу;
— идентификациявсех программ и данных;
— обеспечение работы систем управлений файлами (СУФ) и/или систем управления БД (СУБД), что позволяет резко увеличить эффективность всего ПО;
— обеспечение режима мультипрограммирования, то есть выполнение двух или более программ на одном процессоре, создающее видимость их одновременного исполнения;
— обеспечение функций по организации и управлению всеми операциями ввода/вывода;
— удовлетворение жестким ограничениям на время ответа в режиме реального времени;
— распределение памяти, а в большинстве современных систем и организация виртуальной памяти;
— планирование и диспетчеризация задач в соответствии с заданной стратегией и дисциплинами обслуживания; организация механизмов обмена сообщениями и данными между выполняющимися программами;
— защита одной программы от влияния другой;
— обеспечение сохранности данных;
— предоставление услуг на случай частичного сбоя системы;
обеспечение работы систем программирования, с помощью которых пользователи готовят свои программы