Практическое освоение студентами теории и мeтoдики иcпoльзoвaния мoдeлиpoвaния для oцeнки функциoниpoвaния peaльныx cиcтeм, иccлeдoвaть peжимы paбoты вычиcлитeльныx cиcтeм.

2. Теоретическая часть

Всякая вычислительная система создается для решения некоторого множества вычислительных или информационных задач, которые в совокупности называются задачами обработки данных. Для успешного решения любой задачи в вычислительной системе необходимо иметь:

· программу, реализующую алгоритм решения задачи;

· аппаратные средства ВС для ввода программы, выполнения программы, получения дополнительной информации и вывода результатов;

· дополнительные программные средства, необходимые для решения прикладной задачи (стандартные программы).

Существует три вида систем обработки данных (СОД), отличающихся друг от друга требованиями к скорости получения результатов решения задач:

системы реального времени (СРВ), в которых требования к скорости обработки информации очень высокие из-за необходимости решения задач в темпе реального времени (примером являются системы навигации и управления летательными аппаратами);

системы оперативной обработки (СОО), в которых планирование заданий на обработку данных осуществляется исходя из требования минимальности времени выполнения каждого полученного задания. Примером такого вида систем является система обработки данных для персонала боевых расчетов пунктов управления;

системы пакетной обработки (СПО), в которых основным требованием является минимизация простоя оборудования при решении поставленных задач.

Запуск прикладной программы в работу, предоставление ей необходимых аппаратных мощностей и программных средств осуществляется операционной системой. Порядок представления прикладной программе перечисленных средств определяется режимом обработки данных, реализованных в операционной системе ЭВМ.

Различают однопрограммные и мультипрограммные режимы обработки данных.

К однопрограммным режимам относятся:

· режим непосредственного доступа (РНД);

· пакетный однопрограммный режим (П1П).

Мультипрограммными режимами обработки данных являются:

· пакетный мультипрограммный режим (ПМП);

· режим разделения времени (РРВ).

Режим непосредственного доступа широко применялся в ЭВМ первого поколения и используется при работе с современными персональными компьютерами. Режим РНД характерен тем, что ЭВМ предоставляется только одному пользователю, который осуществляет взаимодействие с машиной посредством пульта управления (сейчас - клавиатура, мыши и дисплеи). Время решения каждой задачи в режиме РНД складывается из времени ТВВ ввода программы и данных в ЭВМ, времени ТР работы процессора над решением задачи, времени ТВУ обмена данными с внешними устройствами (включая вывод результатов в обработки), времени ТОП обслуживания ЭВМ и задачи оператором ЭВМ при ее подготовке к запуску и по окончании решения задачи:

ТНД = ТВВ + ТР + ТВУ + ТОП.

Коэффициент загрузки процессора при одной задаче составляет

НД = ТЦП/ТНД.

Полное время решения N задач и коэффициент загрузки:

где i-номер задачи.

В РНД наличие ОС не обязательно.

Недостатками режима РНД являются:

· аппаратура и программы ЭВМ используются не эффективно;

· велики затраты времени программиста на управление машиной;

· предъявляются высокие требования к подготовке пользователя как оператора вычислительной машины.

Пакетный однопрограммный режим применяется в ВС, начиная с ЭВМ второго поколения. Несколько заданий для решения задач обработки собираются в один пакет, называемый пакет заданий (ПЗ). Пакет заданий оператор ЭВМ вводит в ЭВМ, где ПЗ сначала записывается во внешнюю память (магнитные диски, магнитные барабаны и т.п.). Затем операционная система машины последовательно считывает задания, входящие в ПЗ, и осуществляет выполнение необходимых в соответствиями с заданиями действий для решения задач пользователей. После завершения очередного задания происходит обращение к ОС, которая активирует начало выполнения следующего. После завершения последнего задания пакета оператор ЭВМ загружает в машину новый пакет заданий.

Режим П1П обладает следующими положительными чертами:

· более высокая пропускная способность;

· отсутствие специальных требований к аппаратуре ЭВМ;

· возможна его реализация на любой ЭВМ.

К недостаткам режима П1П относятся:

· необходимо наличие операционной системы;

· пользователь физически отделен от ЭВМ и решаемой им задачи;

· увеличивается реакция пользователя на полученные результаты решения;

· последовательный порядок выполнения заданий пакетов не позволяет увеличить загрузку оборудования вычислительной системы.

Пакетный мультипрограммный режим широко применяется в ЭВМ третьего и последующих поколений. ПМП является режимом классического мультипрограммирования, при котором в вычислительной системе находятся в обработке сразу несколько заданий. На входе в систему формируется набор пакетов заданий, которые оператор ЭВМ загружает в систему. После окончания ввода первого ПЗ операционная система начинает его обработку, не дожидаясь до ввода второго и последующих ПЗ. Задания, принадлежащие одному пакету, выполняются последовательно (т.е. в режиме П1П). Задания, принадлежащие разным пакетам, выполняются параллельно. Первым начинает выполняться первое задание первого пакета. По мере освобождения ресурсов ОС активизирует выполнение заданий из других пакетов в порядке их следования внутри ПЗ.

Пакетный мультипрограммный режим обеспечивает наивысшую пропускную способность вычислительной системы, что достигается при наличии в ЭВМ следующих аппаратных средств:

· автономно управляемые внешние устройства;

· развитая система прерывания программ;

· средства защиты памяти от взаимного влияния программ.

Основным недостатком режима ПМП является практически полное устранение пользователя из системы и, как следствие, отсутствие связи пользователя со своей задачей.

Режим разделения времени существенно отличается от классического мультипрограммирования, реализованного в ПМП, и является в настоящее время основным режимом функционирования операционных систем. Главное в режиме разделения времени - это предоставление каждой задаче (или пользователю, работающему в диалоге с машиной) ресурсов ЭВМ на некоторый ограниченный интервал времени (квант). По истечении кванта времени данная программа свертывается операционной системой, развертывается следующая по очереди программа (или подключается следующий терминал пользователя), которой предоставляются ресурсы ЭВМ, и т.д.

Порядок обслуживания заданий (заявок на работу) в операционных системах с мультипрограммированием, т.е. реализующих режимы ПМП или РРВ, определяются принятыми в них режимами обслуживания и дисциплинами обслуживания.

Режимом обслуживания называется правило отбора заявок на обслуживание.

Дисциплиной обслуживания называется правило отбора заявок на обслуживание при заданном режиме обслуживания.

Режимы обслуживания делятся на три вида (рис.1.5):

1. режим одиночного отбора заявок:

2. режим группового отбора, когда на обслуживание отбирается вся очередь заявок определенного типа;

3. смешанный режим отбора, когда для одних классов заявок производится одиночный отбор, а для других групповой.

Для каждого из режимов обслуживания может быть применен один из следующих видов дисциплин обслуживания:

· бесприоритетное обслуживание;

· обслуживание с приоритетом;

· обслуживание по расписанию.

Разновидности дисциплины бесприоритетного обслуживания:

1. ОПП - обслуживание в порядке поступления (“первый пришел - первый обслужен”, FIFO);

2. ООП - обслуживание в обратном порядке (“первый пришел - последний обслужен”, LIFO);

3. ОСП - обслуживание в случайном порядке.

При бесприоритетном обслуживании считается, что все заявки имеют равное право на обслуживание.

Если требуется, чтобы заявки некоторого типа имели преимущества перед другими на их обслуживание операционной системой, то применяется дисциплина обслуживания с приоритетами:

1. ДОП - дисциплина обслуживания с относительными приоритетами, когда приоритет заявки влияет только на ее место в очереди заявок на обслуживание;

2. ДАП - дисциплина с абсолютными приоритетами, когда высоко приоритетная заявка получает преимущества не только перед заявками, стоящими в очереди, но и перед заявкой, получающей обслуживание;

3. ДСП - дисциплина со смешанными приоритетами, при которой к одним группам заявок применяются относительные приоритеты, а к другим - абсолютные;

4. ДДП - дисциплина обслуживания с динамическими приоритетами, когда значение приоритетов заявок может изменяться (расти) по мере их нахождения в очереди, обеспечивая тем самым первоочередное обслуживание заявок, долго находящихся в системе.

Дисциплина обслуживания по расписанию обеспечивает заданный пользователем порядок обработки заданий независимо от очередности их поступления в систему. Она применяется в тех случаях, когда результаты решения одной задачи являются входными данными для другой.

3. Описание пременных П1П и ПМП

nv - номер варианта

ку - количество устройств ( ку < 10 )

у(1,iу) - состояние устройства iу

у(2,iу) - номер задания, обрабатываемого на устройстве iу у(3,iу) - оставшееся время занятости устройства iу кz - количество заданий ( кz < 31 )

z(1,iz) - состояние задания:

0 - не загружено;

1 - загружено, но ожидает;

2 - обрабатывается;

9 - завершено

z(2,iz)=кр - число процессов, составляющих задание iz

z(3,iz) - номер обрабатываемого процесса

z(10+3*iр,iz) - требуемое устройство для процесса iр задания iz

z(11+3*iр,iz) - длительность обработки процесса iр задания iz

Т - текущее время

ТРС - среднее время обработки задания на одном процессе (3...98)

КРС - среднее число процессов в составе задания (3...8)

ТС - среднее время нахождения задания в системе

4. Входная информация и результат

aaP1P

Входная информация.

KY= 2; KZ= 5; TPC= 3; KPC= 4;

Результат.

T= 4; NZ= 1; KP= 2; Y= 1; TY= 2; Y= 2; TY= 2;

T= 15; NZ= 2; KP= 4; Y= 1; TY= 2; Y= 2; TY= 3; Y= 2; TY= 3; Y= 2; TY= 3;

T= 25; NZ= 3; KP= 4; Y= 1; TY= 2; Y= 2; TY= 3; Y= 2; TY= 3; Y= 2; TY= 2;

T= 32; NZ= 4; KP= 4; Y= 1; TY= 2; Y= 2; TY= 3; Y= 2; TY= 1; Y= 2; TY= 1;

T= 40; NZ= 5; KP= 4; Y= 1; TY= 3; Y= 2; TY= 3; Y= 2; TY= 1; Y= 2; TY= 1;

Общее время решения всех заданий для П1П Т = 40

Среднее время решения одного задания для П1П ТС = 8

ааРМР

Входная информация.

KY= 2; KZ= 5; TPC= 3; KPC= 4;

Результат.

T= 3; NZ= 1; KP= 4; Y= 1; TY= 3; Y= 2; TY= 2; Y= 2; TY= 3; Y= 2; TY= 1;

T= 5; NZ= 2; KP= 4; Y= 1; TY= 2; Y= 2; TY= 1; Y= 2; TY= 3; Y= 2; TY= 1;

T= 6; NZ= 3; KP= 2; Y= 1; TY= 1; Y= 2; TY= 3;

T= 7; NZ= 4; KP= 2; Y= 1; TY= 1; Y= 2; TY= 3;

T= 8; NZ= 5; KP= 3; Y= 1; TY= 1; Y= 2; TY= 1; Y= 2; TY= 3;

Время решения всех заданий для ПМП Т = 8

Среднее время решения одного задания для ПМП ТС = 2