 |
|
Структура комплекса технических средств
Иерархическая структура управления требует для ее реализации соответствующей структуры системы передачи и обработки данных. По мере развития ЭВМ совершенствовались внешние запоминающие устройства на магнитных лентах (НМЛ) и магнитных дисках (НМД), устройства управления (УУ), устройства ввода и вывода данных, однако сохранялась присущая системам 60–70-х годов звездообразная структура подключения терминалов (Т) к центральному процессору (рис. 6.1). Передача данных между установленными на различных уровнях иерархий ЭВМ осуществлялась путем физического перемещения носителей, как правило, магнитных лент, или передачей по телетайпу с последующим вводом данных в ЭВМ с получаемой на телетайпе перфоленты. Использовались также традиционные способы – почтовая, телефонная и телеграфная связь, посылка курьеров. У разработчиков не было технической возможности проектировать структуру комплекса технических средств (КТС) с непосредственным подключением через каналы связи удаленных друг от друга ЭВМ.
Рис. 6.1
В настоящее время следует проектировать систему с использованием новых технических возможностей. К сожалению, по различным обстоятельствам продолжают встречаться случаи, когда приобретение технических средств предшествует разработке системы. Это приводит к несоответствию между возможностями технических средств и требованиями к ним системы. В результате эффективность системы снижается, а затраты возрастают, так как приходится докупать некоторые технические средства, что обходится дороже, чем единовременная закупка всего необходимого оборудования.
Звездообразное подключение терминалов к ЭВМ имеет ряд существенных недостатков: не может быть обеспечена достаточная удаленность терминалов от центрального процессора, так как подключение устройства управления через каналы ввода - вывода возможно лишь на небольших расстояниях (десятки метров); каждый терминал подключен к устройству управления, что приводит к большой суммарной длине кабельных связей, их физической сложности, а порой и запутанности; подключение терминала возможно одновременно только к одной ЭВМ; терминалы не обладают памятью и программируемой логикой, поэтому вся обработка информации при обмене сообщениями между пользователями и ЭВМ идет через центральный процессор, что резко снижает производительность ЭВМ. Подключение внешних запоминающих устройств характеризуется теми же недостатками.
В середине 70-х годов появились существенные положительные сдвиги в области микроэлектроники и техники связи, которые обусловили возможность перехода от традиционных схем построения вычислительных систем к более гибким и развитым структурам. К основным таким достижениям можно отнести: создание и серийное производство дешевых высокоскоростных (1–10 Мбит/с) электрических и оптических кабелей; резкое повышение степени интеграции электронных схем, массовое производство сверхбольших интегральных схем (СБИС) и микропроцессоров (МП), позволяющих создавать большое количество сложных по организации и интенсивно взаимодействующих между собой устройств; освоение и использование в широких масштабах методов протокольного обмена информацией между устройствами.
Понятие протокольного обмена связано с появлением вычислительных сетей; протокол обмена описывает правила, по которым происходит взаимосвязь одноименных уровней программной структуры вычислительной сети. Данные правила учитывают обязательные характеристики элементов вычислительной сети и процедуры их взаимодействия.
Взаимосвязь соседних (в одной ЭВМ) уровней программной структуры определяется стандартами, именуемыми интерфейсами. Интерфейсы определяют стыковку соседних уровней программной структуры и поэтому имеют локальное значение.
Протоколы характеризуют функционирование всей вычислительной сети, в целом и имеют определенную иерархию. Наиболее распространенной в настоящее время является семиуровневая модель процесса обмена информацией, развитие которой исторически связано с появлением сетей, обеспечивающих взаимодействие ЭВМ, расположенных в различных городах. Поскольку процесс обмена для таких вычислительных сетей хорошо изучен, на их основе создаются способы обмена ив локальных вычислительных сетях.
Локальной вычислительной сетью (ЛВС) называют распределенную вычислительную систему, построенную на базе общей среды передачи данных, обеспечивающей физическую полносвязность всех компонентов системы, простоту реконфигурации системы и охватывающей несколько сравнительно близко расположенных помещений.
В локальной сети, как и в любой вычислительной системе, выделяются семь уровней обработки информации: прикладной, представительный, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный (информационный) и физический.
Прикладной (седьмой) уровень охватывает: общие служебные функции (подключение и отключение пользователя к прикладной программе, проверка санкционированного доступа и т.д.); общие базовые функции (доступ к файлам и их передача, удаленный ввод заданий и т.д.); проблемно-ориентированные функции (информационный поиск, обработка заказов на авиабилеты, подбор библиографии и т.д.).
Представительный (шестой) уровень связан с выполнением необходимых преобразований информации для устранения синтаксических разногласий (элементарные синтаксические и формальные преобразования символов, полей данных, страниц экранов терминалов и т д.).
Сеансовый (пятый) уровень обеспечивает поддержку диалога (управление началом и завершением сеанса, управление межпроцессорными связями, восстановление после ошибок и т л.).
Транспортный (четвертый) уровень обеспечивает двухточечное (между двумя соседними абонентскими пунктами) соединение пользователей, вне зависимости от реализации этого соединения на 3-м (сетевом) уровне, и служит для оптимизации использования связных ресурсов и минимизации стоимости обмена информацией в системе за счет учета всех заявок и наличия ресурсов. Кроме того, данный уровень обеспечивает сервис по установлению соединений объектов сеансового уровня и обслуживание передачи данных вплоть до ее завершения.
Сетевой (третий) уровень выполняет работы, связанные с выбором маршрутов, коммутацией соответствующих линий связи и т.п.
Канальный (второй) уровень обеспечивает: установление, проведение и завершение обмена информацией по информационному каналу; установление соединений на физическом уровне, при этом обнаруживает и устраняет ошибки данного уровня.
Физический (первый) уровень представляет собой набор средств для физического соединения объектов друг с другом. При этом допускается как непосредственная связь источника сообщения с приемником, так и связь через промежуточные ретрансляторы.
Совокупность уровней с первого по четвертый образует транспортную сеть, назначение которой - организация обмена информацией между уровнями с пятого по седьмой.
Протоколы обмена для всех семи уровней имеют некоторые отличия. Наибольшую популярность в настоящее время имеют протоколы обмена по стандартам Х.21 и Х.25, распространение которых связано с тем, что в 80-х годах Международной организацией по стандартизации (ISO) была разработана эталонная модель соединения открытых систем, имеющая фундаментальное значение. Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии (МККТТ) рекомендовал ряд стандартов серии X для подключения абонентского оборудования к сетям коммутации каналов и пакетов.
Рекомендации Х.21 и Х.25 определяют соответственно: стандарты на универсальный интерфейс для синхронной работы в общей сети передачи данных и стандарты взаимодействия абонентских машин с коммуникационной сетью.
Рис. 6.2
Рекомендация X.21 описывает используемые цепи обмена, схему сигналов в точке интерфейса и метод синхронизации символов между вычислительной машиной и каналом связи (в дополнение к этому МККТТ разработал и утвердил рекомендацию Х.21-бис, введение которой позволяет использовать в сети связи стандартные модемы к аналоговым телефонным каналам связи), а также характеризует управление каналами физического уровня.
Рекомендация Х.25 представляет собой стандарт трехуровневой структуры, удовлетворяющей требованиям эталонной модели, т.е. описывает протоколы физического, канального и сетевого уровней в точках сопряжения с сетью коммутации пакетов (взаимодействия абонентских машин с коммутационной сетью). Эта рекомендация определяет также основные требования к процедурам транспортировки пакетов через всю коммутационную сеть – от одной абонентской машины к любой другой.
Применение данных стандартов улучшает использование пропускной способности канала.
Такой подход обеспечивает возможность подключения к каждому терминалу дешевого микропроцессора и не менее дешевого блока оперативной памяти. То же самое касается и внешних запоминающих устройств. Это упрощает структуру связи всех компонентов вычислительной системы при небольшой суммарной длине соединяющих кабелей. Созданные таким образом системы являются локальными вычислительными сетями, а система их связи – локальной сетью связи (ЛСС) (рис. 6.2).
Сравнительные характеристики локальных сетей связи. Основными показателями, характеризующими ЛСС, являются: физическая среда передачи данных; методы доступа к физической среде; топология среды передачи данных.
Физическая среда передачи данных может быть реализована с применением витых пар (ВП), коаксиального кабеля с дискретной сигнализацией (КДС), коаксиального кабеля с аналоговой сигнализацией (КАС), оптоволоконного кабеля (КО). Сравнительные качественные характеристики перечисленных физических сред приведены в табл. 6.1. Стоимость дорогих кабелей имеет тенденцию к снижению, что надо принимать во внимание при разработке перспективных ЛСС.
Таблица 6.1
Основным достоинством витых пар наряду с их низкой стоимостью является легкость подключения новых узлов и наращивания длины пары с помощью повторителей. Основной недостаток – низкая скорость передачи данных (до 1 Мбит/с). Поэтому витые пары чаще всего используют для подключения к ЭВМ периферийных устройств (устройств печати, накопителей на гибких магнитных дисках и лентах).
Коаксиальный кабель с дискретной сигнализацией обеспечивает более высокую скорость передачи данных (до 10 Мбит/с), но стоимость его значительно выше. При увеличении размера сети свыше 2 км (но не более 10 км) используют повторители, при этом сохраняется высокая помехоустойчивость.
Для построения сетей на базе коаксиальных кабелей с аналоговой сигнализацией используют в основном технику кабельного телевидения и радиочастотные модемы. Несмотря на высокую стоимость как прокладки, так и эксплуатации ЛСС на основе КАС, они имеют два существенных преимущества: возможность в разных полосах частот передавать одновременно речь, изображение и данные; допустимая длина сети - порядка 50 км.
Основные преимущества оптоволоконных кабелей – высокая скорость передачи (до 200 М бит/с) и высокая помехозащищенность. Основной недостаток – затруднено подключение новых абонентских устройств из-за неотработанной технологии ветвления оптоволоконных кабелей.
Топология сети передачи данных может быть одного из следующих типов; шина (моноканал); кольцо (петля); звезда; дерево (поликанал).
Сравнительные качественные характеристики приведенных топологий представлены в табл. 6.2. Каждая из существующих топологий ЛСС определяет как метод доступа к каналу ЛСС, так и физическую среду передачи данных.
Таблица 6.2
Для топологии типа "шина" используются КДС и следующие методы доступа: множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов (МДКН/ОК); селективный опрос; адресуемая явная передача права на работу в сети.
Для топологии типа "кольцо" применяются в основном ВП и используются следующие методы доступа: заполнение регистра; групповой опрос; неадресуемая неявная передача права.
Для топологии типа "звезда" применяются как ВП, так и КО. При использовании ВП центром звезды является электронная АТС или коммутатор пакетов и используются методы доступа Х.21 или Х.25. Во втором случае в, центре звезды располагается оптический смеситель и используется метод доступа МДКН/ОК.
Топология типа "дерево" характерна для среды передачи данных вида КАС. Из-за поликанальности данной среды возможно одновременное использование сразу нескольких методов доступа: МДКН/ОК, частотное разделение каналов; адресуемая передача права.
Поскольку все методы доступа зависят от топологии ЛСС, их самостоятельное количественное и качественное сравнение затруднительно; некоторые их качественные характеристики приведены в табл. 6.3.
Таблица 6.3
Способы доступа можно разделить на четыре основных класса.
Способы случайного доступа. При этом способе начало обмена информацией не координируется абонентами и используются процедуры, позволяющие уменьшать вероятность конфликтов (например, временной сдвиг в начале каждой попытки начала обмена).
Способы пропорционального доступа. Конфликтные ситуации исключаются путем заранее заданного порядка работы абонентов.
Способы приоритетного доступа. Конфликтные ситуации устраняются путем обмена специальными управляющими сигналами до начала передачи и установкой приоритетов на порядок передачи.
Способы локально-приоритетного доступа. Доступ предоставляется на основе приоритетов, но при этом источник учитывает только состояние линии в точке его подключения.
Сравнительный анализ локальных сетей связи. В настоящее время отсутствуют формальные способы выбора среды передачи данных, поэтому топология ЛВС выбирается в зависимости от того, какие эксплуатационные характеристики необходимо получить в каждом конкретном случае реализации ЛВС. Тем не менее, подходя к данному вопросу неформально, можно существенно сократить круг рассматриваемых в дальнейшем локальных сетей связи.
Так, можно исключить из рассмотрения древовидную топологию и соответствующие ей локальные сети на базе техники кабельного телевидения, как не получившие пока широкого распространения в нашей стране, а также звездообразные ЛСС, поскольку суммарная длина соединительных кабелей в них очень велика, а отказ центрального узла выводит из строя всю сеть. Поэтому рассмотрим два типа топологий – "шина" и "кольцо" по следующим вариантам сетей:
1) число узлов (станций, ЭВМ, абонентских пунктов) сети – 100;
2) метод доступа сети типа "кольцо" – неявная передача права; метод доступа сети типа "шина" – либо МДКН/ОК, либо явная передача права по логическому кольцу узлов (в дальнейшем будем подразумевать, что для шины передача права явная, а для кольца неявная);
3) в сети имеется либо один активный узел (т.е. узел, передающий пакет в другой и имеющий после этого еще один пакет), либо активны все узлы сети;
Рис. 6.3
4) каждый пакет передается в составе кадра данных с заголовком, состоящим из 96 бит, длина пакета: 500,1000 и 2000 бит.
На рис. 6.3 приведены аналитические зависимости средней эффективной скорости передачи кадров данных от скорости передачи в физической среде.
На рис. 6.3 штрихпунктирная линия соответствует сети типа "кольцо" с передачей права, пунктирная - сети типа "шина" с методом доступа МДКН/ОК и сплошная линия – сети типа "шина" с передачей права, а – в каждый момент активна одна из 100 станций, в – в каждый момент активны все 100 станций.
Основной вывод из показанных на рисунке графиков состоит в том, что кольцевая сеть с передачей права менее всего чувствительна к нагрузке и обладает более высокой эффективной скоростью передачи данных в диапазоне скоростей до 24 Мбит/с и при длине пакета до 2000 бит.
Другой сравнительный анализ кольцевой сети с передачей права и сети типа "шина" с методом доступа МДКН/ОК подтверждает сделанный вывод. На рис. 6.4 приведены графики зависимости средней задержки передачи кадров данных от нагрузки на физическую среду для двух скоростей: 1 и 10 М бит/с. Средняя задержка и нагрузка нормированы соответственно средним временем передачи кадра данных в среде и скоростью передачи среды. Средняя длина пакета 1000 бит, заголовок кадра 10 байт, число узлов 50. При скорости передачи 1 Мбит/с средние задержки в обеих сетях практически одинаковы. При скорости 10 Мбит/с задержка в кольцевой сети значительно меньше в широком диапазоне параметров (длины кабелей, нагрузка, типы распределений длин пакетов).
Рис. 6.4
Критическим параметром для сети типа "шина" с методом доступа МДКН/ОК, который определяет ее производительность, является отношение τр/τп, где τр – время распространения сигнала по физической среде (кабелю), а τп – среднее время передачи данных в физической среде. Поскольку τр не зависит от скорости передачи, а определяется длиной кабеля, то при одной и той же длине кабеля теоретически показано, что шина с методом доступа МДКН/ОК имеет удовлетворительные характеристики до тех пор, пока отношение τр/τп достаточно мало. При отношении τр/τп > 0,05 частота конфликтов практически сводит производительность сети на нет. Связано это с тем, что при больших нагрузках системы высокая частота конфликтов совместно с алгоритмом откладывания повторных передач приводит к увеличению средней задержки передачи. Практически это означает блокировку узла на неопределенный период времени. В кольцевой сети с передачей права даже при максимальной нагрузке обеспечивается равноправное распределение полосы пропускания среды между всеми активными узлами, так как право передачи сообщения передается каждым узлом сразу после передачи одного кадра. Правильность изложенного иллюстрируется графиками рис. 6.4, б, в. Кривая 1 показывает влияние времени распространения и подтверждает важность отношения τр/τп для шины с методом доступа МДКН/ОК, что означает практическую невозможность использования данного метода при длине кабеля ≥ 1 О км.
Проведенные сравнительные оценки ЛСС по электрическим характеристикам, которые имеют не меньшее значение, чем производительность, показывают, что:
1) сети с топологией типа "шина" и методом доступа МДКН/ОК должны строиться как на базе одного отрезка кабеля (сегмента), так и на основе нескольких отрезков кабеля, соединенных повторителями и имеющих одни и те же характеристики, т.е. в таких сетях нельзя использовать различные среды передачи данных;
2) длина сети типа "шина" зависит от используемых схем обнаружения конфликтов;
3) приемопередатчики непосредственно подключаются к кабелю (при топологии шина) и должны быть электрически изолированы от аппаратуры узлов;
4) кольцевая сеть должна состоять из синхронных двухточечных каналов, которые допускают большое ослабление сигналов (и соответственно большие длины кабелей); в одном кольце возможно одновременное использование различных сред передачи, согласованных по скорости;
5) в кольцевой сети можно использовать двухточечные оптоволоконные кабели;
6) сетевой адаптер и соответствующие схемы реализации метода доступа при топологии кольцо могут быть собраны на одной плате (БИС или СБИС), которая может устанавливаться непосредственно в узле.
Основные эксплуатационные характеристики ЛСС - высокая надежность и готовность к использованию – являются ключевыми при их оценке.
Требования к изготовителям ЛСС можно сформулировать следующим образом: необходима простота установки и возможность планируемого развертывания сети в большом числе помещений (прокладка и распайка кабелей, установка розеток). Со стороны пользователя требования следующие: автоматическое обнаружение и устранение отказов и возможность обслуживания неквалифицированным персоналом. Такому уровню в настоящее время соответствуют только телефонные учрежденческие сети и коммунальные абонентские сети, поэтому технология построения ЛСС должна стремиться к этому уровню.
Топология типа "шина" не удовлетворительна к отказам питания и отказам соединительных кабелей.
При топологии типа "кольцо" устойчивость к отказам достигается использованием распределительных панелей с проходными реле. В случае, когда проходные реле остаются без питания, местный отвод пропускается, т.е. не включается в сеть. Таким образом, отказ блока питания узла или обрыв соединительного кабеля автоматически отключает узел от сети, после чего сеть восстанавливает свою работоспособность. Отказ в основном кольце приводит к частичному отказу всей сети связи, превращая ее в линейную последовательность узлов. В этом случае данные, передаваемые узлом ниже обрыва, могут быть получены узлами, расположенными ниже передающего. При выходе из строя узла, обеспечивающего синхронизацию сети, эту функцию берет на себя другой узел.
Рассмотренные особенности следует учитывать при выборе топологии локальной сети связи в каждом случае реализации локальной вычислительной сети с учетом- как пожеланий заказчика, так и возможностей изготовителя.
Необходимость создания распределенных систем управления, включающих ЛВС, вызвана тем, что управляемые объекты территориально распределены на большом пространстве. В, подобных случаях удобно строить систему так, чтобы основной объем информации обрабатывался в непосредственной близости от источников информации. Примером может служить АСУ предприятия, где ЛВС охватывает ряд цехов и время от времени ЭВМ, входящие в" одну сеть, обмениваются сообщениями с целью координации локальных производственных процессов в масштабе всего предприятия. Подсистема, являющаяся либо ЛВС, либо ее частью, может самостоятельно управлять производством в данном цехе, взаимодействуя при этом с другими подсистемами для получения информации о нормах выпуска изделия, о поставке комплектующих деталей, сырья и т.д.
Распределенная обработка позволяет упростить установку системы, монтаж и ввод ее в эксплуатацию за счет возможности поэтапного запуска модулей системы и сокращения общего числа и протяженности каналов связи. Внедрение на предприятии системы распределенной обработки информации способствует созданию организационной структуры, в которой специалисты, отвечающие за ход технологического процесса, отвечают и за выполнение связанных с ним вычислительных задач. Создание многомашинных комплексов позволяет повысить производительность системы за счет перераспределения вычислительных ресурсов при перегрузке одного из звеньев системы, а также возможности планирования очередности решения задач, требующих большого количества расчетов, используя высокоскоростной процессор, который получает данные от других ЭВМ, обрабатывает их по заданной стратегии и передает обратно.
Распределенные вычислительные системы коллективного пользования. Типичная организация распределенной вычислительной системы (РВС) для создания территориально распределенной АСУ показана на рис. 6.5. РВС состоит из трех групп вычислительных систем (ВС), которые в свою очередь могут представлять собой ЛВС, расположенные в различных точках. Первая группа включает машины, объединенные в локальную сеть типа "шина", во вторую группу входят ЭВМ, соединенные "кольцо м", и третья группа – центральная вычислительная система, в функции которой входит сбор данных и обработка информации, поступающей от других ВС и операторов, а также общая координация работы всей системы. Все локальные ВС объединяются в центральную ВС через шлюзы - межсетевой интерфейс.
Техника построения ЛВС (рис. 6.5) позволяет строить ВС с различной степенью централизации и иерархии, называемые в настоящее время распределенными вычислительными системами коллективного пользования (РВСКП).
В настоящее время под РВСКП обычно понимается многомашинная система с ориентацией отдельных ЭВМ либо на приложения (обработка данных, изображения и т д.), либо на функции, выполняемые в традиционных ЭВМ их операционными системами (например, загрузчик прикладных программ, файловая система, планировщик времени центрального процессора и т д.), либо на то и другое. В состав РВСКП могут включаться как однотипные, так и разнотипные ЭВМ.
При таком подходе к созданию ВС возможно распределение между пользователями не времени центрального процессора, а компонентов "прикладных" процессоров, т.е. происходит как бы распределение пользователей в зависимости от их приоритета и типа решаемых задач по ресурсам РВСКП (в простейшем случае - выделение пользователю одного из процессоров сети для монопольной работы).
Объединение вычислительных средств в составе РВСКП позволяет: предоставить пользователям более мощный набор аппаратных и программных средств хранения, обработки и отображения информации (манипулирования) увеличить загрузку уникальных специализированных устройств обработки данных за счет передачи им информации от территориально удаленных пользователей; обеспечить преемственность в аппаратных и программных средствах для ЭВМ различных поколений; наращивать мощность РВСКП по мере увеличения нагрузки на нее.
Рис. 6.5
Важно отметить, что РВСКП предъявляет некоторые требования к локальной сети связи, а именно: ЛСС должна обеспечивать нормальную передачу данных для всех входящих в сеть устройств и ЭВМ, при этом необходимо учитывать такие высокоскоростные устройства, как канал прямого доступа в память и устройство управления дисководами; в большинстве случаев надежность ЛСС должна быть такой, чтобы обеспечить круглосуточное безостановочное функционирование РВСКП в течение рабочей недели; стоимость подключения устройств и ЭВМ к ЛСС должна быть приемлемой.
Наряду с использованием ЛСС при создании РВСКП применяют также традиционные методы подключения терминалов (как интеллектуальных, представляющих собой персональные ЭВМ, так и стандартных устройств ввода - вывода) и других периферийных устройств. При этом используют два основных способа подключения периферийных устройств к центральному процессору любого класса: подключение посредством мультиплексного канала; подключение посредством селекторного канала.
Мультиплексные каналы обеспечивают обмен данными с относительно медленно действующими периферийными устройствами и имеют два режима работы: монопольный, когда канал обеспечивает работу только одного устройства, и мультиплексный, когда одновременно обеспечивается поочередный обмен информацией ряда устройств,
Селекторные каналы предназначены для организации обмена данными между оперативной памятью процессора и быстродействующими периферийными устройствами и работают только в монопольном режиме.
Количество мультиплексных и селекторных каналов зависит от модели ЭВМ и может варьироваться от двух селекторных и одного мультиплексного канала с числом подключаемых к каналу устройств ввода – вывода, не превышающем 10; до десятка селекторных и нескольких мультиплексных каналов с количеством подключаемых устройств до 300. При этом пропускная способность мультиплексных каналов варьируется от десятков до нескольких сотен килобайт в секунду в мультиплексном режиме. Сравнительные данные для некоторых каналов ЕС ЭВМ приведены в табл. 6.4.
Таблица 6.4
Сравнительная таблица технических характеристик мультиплексных и селекторных каналов ЕС ЭВМ
Применение тех или иных способов связи ЭВМ как друг с другом так и с периферийными устройствами зависит, как было отмечено выше, в первую очередь от быстродействия периферийных устройств. При этом надо помнить, что реальное быстродействие многих устройств (например, абонентских терминалов) ставится в ущерб их функциональному размещению из-за отмеченных ранее ограничений на скорости передачи по ЛСС при удаленном расположении терминалов. Иногда подключение таких устройств в РВСКП осуществляется через специально выделенную для этой цели ЭВМ, которая занимается обслуживанием обращений к "быстрым" устройствам и оптимизацией их работы с точки зрения уменьшения времени доступа к данному классу устройств.
При включении в РВСКП супер-ЭВМ необходимо продумать не только вопросы физической стыковки входящих в сеть ЭВМ, но и распределения функций между ними, поскольку общая производительность вычислительной системы, включающей супер-ЭВМ, зависит от внешнего окружения.
Основными функциями вычислительной системы являются следующие.
Ввод - вывод. При резком повышении производительности ЭВМ возникают проблемы ввода и вывода данных, связанные с необходимостью загрузить супер-ЭВМ. Эти трудности разрешаются двумя путями: совершенствованием программного обеспечения с целью сокращения объема вводимой и выводимой информации за счет ее установки, и разработкой специальных аппаратных средств ввода - вывода вплоть до использования ЭВМ.
Неарифметическая обработка данных. К этому классу задач относятся трансляция, редактирование, обработка текстов и т.п. В таких случаях удобно использовать ЭВМ, специально ориентированную на работу со списочными структурами или таблицами.
Управление базами данных. Работа с базами данных предполагает выполнение следующих операций: создание и уничтожение библиотек данных, запоминание объектов по мнемоническим названиям вместе с определенными их свойствами, поиск по ключам и контексту, зашита от несанкционированного доступа и т.д. Решение этого класса задач в настоящее время лежит в области программных средств, но уже ведутся работы по аппаратной реализации баз данных на основе микропроцессоров.
Управление процессами. К этому классу задач относится управление различными вычислительными и другими процессами, протекающими в вычислительной системе.
Для поддержания высокой производительности системы необходима развитая операционная система, согласующая работу всех ее компонентов и решающая задачи планирования и распределения работ и ресурсов, отработки сбоев и даже реконфигурации системы.
Поскольку операционная система универсальной ЭВМ использует до 50% ее мощности, в настоящее время ряд функций операционных систем решаются аппаратными средствами. Таким же образом решается проблема совместимости программного обеспечения различных ЭВМ. Например, если персональная ЭВМ (ПЭВМ) имеет два микропроцессора, они могут работать под управлением так называемой "гибкой" операционной системы, позволяющей автоматически определять, какой именно процессор нужен для исполнения той или иной загружаемой программы.
На основе так называемых "одноплатных микроЭВМ приставок" к персональным компьютерам возможно дать пользователям доступ к программному обеспечению практически всех популярных разнотипных ПЭВМ. Такие приставки позволяют использовать не только программное обеспечение различных ПЭВМ, но и решают вопрос использования ранее разработанного математического обеспечения на новых моделях и, наоборот, адаптацию нового программного обеспечения на старых моделях.
Кроме такого ярко выраженного аппаратного подхода к вопросу совместимости программного обеспечения существует и программный подход. Этот подход состоит в создании так называемых интерпретаторов р-кода, развитие которого относится к рубежу 70-х годов, когда было предложено первое радикальное средство для решения проблемы программной совместимости ЭВМ. Суть данного подхода – создание операционных систем и трансляторов с языков высокого уровня для некой абстрактной ЭВМ с системой команд, удовлетворяющих ряду выбранных из теоретических соображений принципов. Эта система команд, получившая название р-код (от слова portability) позволяет разработчику любой вновь создаваемой ЭВМ, снабдив ее интерпретатором р-кода, решить проблему базового программного обеспечения, написанного в UCSD-верснях(по имени Univercity of California, - San Diego).
Совокупность аппаратно-программных решений совместимости ЭВМ сводится к следующему.
Аппаратные решения: 1) создание ЭВМ с несколькими микропроцессорами, способными работать с различными операционными системами, и, следовательно, с возможностью использования программного обеспечения данных ОС; 2) подключение к ЭВМ "приставок", которые исполняют программы, не доступные данной ЭВМ, используя при этом все ее возможности по связи с периферийными устройствами.
Программные решения: 1) оснащение ЭВМ системами на базе интерпретаторов р-кода для использования в ЭВМ машино-независимых трансляторов с языков высокого уровня; 2) оснащение ЭВМ стандартной операционной системой, применяемой независимо от класса используемой ЭВМ; 3) разработка трансляторов для автоматического перевода прикладных программ, написанных в одной операционной системе, в другую.
В настоящее время, когда целые операционные системы реализуются аппаратным способом путем "прожигания" в микропроцессоре, разница между аппаратными и программными средствами подчас существует лишь для специалистов в области разработки ЭВМ. Для Проектирования сетей коллективного пользования важно лишь правильно выбрать комплексы технических средств, совместимые либо по программному, либо аппаратному интерфейсу, или осуществляющие обмен по международному стандарту локальных вычислительных систем.