Информационный процесс обработки данных

Информационный процесс обработки данных.


Процесс обработки данных в информационной технологии преследует определенную цель – решение с помощью ЭВМ вычислительных задач, которые отображают функциональные за¬дачи той системы, в которой ведется управление. Для реали¬зации этой цели должны существовать модели обработки дан¬ных, соответствующие алгоритмам управления и воплощен¬ные в машинных программах.
1. Организация вычислительного процесса
Процесс обработки включает в себя связанные между собой процедуры: организация вычислительного процесса (ОВП), преобразование данных и отображение данных (рис.1).






Рис. 1. Процедуры процесса обработки данных
Концептуальный уровень определяет содержание процедур процесса обработки данных, логичес¬кий уровень определяет модели и методы, фор¬мализующие процедуры обработки данных, а физический уровень - средства аппаратной реализации процедур.
Процедура ОВП имеет различную функциональную слож¬ность в зависимости от класса и количества решаемых задач, режимов обработки данных, топологии системы обработки данных.
При обработке данных с помощью ЭВМ в зави¬симости от конкретной задачи различают три основ¬ных режима: пакетный режим, разделения времени, реального вре-мени.
При пакетном режиме обработки задания, а точ¬нее, программы с соответствующими исходными данными, накапливаются на дисковой памяти ЭВМ, образуя "пакет". Программа представляет собой управляющую информацию, которая содержит сведения об именах задания, программ, данных, их местонахождения, порядке следования и др. Обработка заданий осуществляется в виде их непрерывного потока. Размещенные на диске задания образуют входную очередь, из которой они выбираются автоматически последо¬вательно или по установленным приоритетам. Входные оче¬реди могут пополняться в произвольные моменты времени. Такой режим позволяет максимально загрузить ЭВМ, так как отсутствуют простои между заданиями, но дает задержки в получении решения из-за того, что некоторое время задание простаивает в очереди.
Режим разделения времени реализуется путем выделения для выполнения заданий определенных интервалов времени, на¬зываемых квантами. Предназначенные для обработки в этом режиме задания находятся в оперативной памяти ЭВМ одно¬временно. В течение одного кванта обрабатывается одно за¬дание, затем выполнение первого задания приостанавливает¬ся с запоминанием полученных промежуточных результатов и номера следующего шага программы и в следующий квант обрабатывается второе задание и т. д. Задание при этом режи¬ме находится все время в оперативной памяти вплоть до завершения его обработки. При большом числе одновременно поступающих на обработку заданий можно для более эффективного использования оперативной памяти временно пере¬мещать во внешнюю память только что обрабатывавшееся задание до следующего своего кванта. В режиме разделения времени возможна также реализация диалоговых операций, обеспечивающих непосредственный контакт человека с вычис¬лительной системой, так как ему выделяется квант в течение которого он имеет доступ к ресурсам компьютера.
Режим реального времени используется при обработке дан¬ных в информационных технологиях, предназначенных для управления физическими процессами. В таких системах инфор¬мационная технология должна обладать высокой скоростью реакции, чтобы успеть за короткий промежуток времени обработать поступившие данные и исполь¬зовать полученные результаты для управления процессом. Поскольку в технологической системе управления потоки дан¬ных имеют случайный характер, вычислительная система (ВС) всегда должна быть готова получать входные сигналы и об¬рабатывать их. Повторить поступившие данные невозможно, поэтому потеря их недопустима.
В ЭВМ используют также режимы, называемые однопрог¬раммными и мультипрограммными. В режиме разделения вре¬мени используется вариант мультипрограммного режима.
Задания в виде программ и данных подвергаются процессу обработки, поступая из системы ввода, системы хранения, по каналам вычислительной сети. В этих условиях остро ставит¬ся вопрос планирования и выполнения заданий в вычислительной системе.
Вычислительная среда, в которой протекает процесс обработки данных, может представлять собой одномашинный комплекс, работающий в режиме разделения времени (многопрограммном режиме), или многомашинный (многопроцессорный), в котором несколько заданий могут выполняться одно¬временно на разных ЭВМ (процессорах). Но в обоих случаях поток заданий должен подвергаться диспетчированию, что означает организацию и обслуживание очереди. Задания, по¬ступившие на обработку, накапливаются в очереди входных заданий. Из этой очереди они поступают на обработку в по¬рядке, определяемом используемой системой приоритетов. Результаты решения задач накапливаются в выходные очере¬ди, откуда они рассылаются либо в сеть, либо на устройство отображения, либо на устройство накопления.

2.Организация обслуживания вычислительных задач
В зависимости от вида вычислительной системы, в которой организуется и планируется про¬цесс обработки данных, возможны различные методы орга¬низации и обслуживания очередей заданий. При этом пресле¬дуется цель получения как можно лучших значений таких по¬казателей, как производительность, загруженность ресурсов, малое время простоя, высокая пропускная способность, разум¬ное время ожидания в очереди заданий (задание не должно ожидать вечно).
При организации обслуживания вычислительных задач на логическом уровне создается модель задачи обслуживания, ко¬торая может иметь как прямой, так и оптимизационный ха¬рактер. При постановке прямой задачи ее условиями являют¬ся значения параметров вычислительной системы (ВС), а решением – показатели эффективности ОВП. При постановке обрат¬ной, или оптимизационной, задачи условиями являются зна¬чения показателей (или показателя) эффективности ОВП, а решением – параметры ВС.
В общем случае момент появления заданий в вычислитель¬ной системе является случайным, случайным является и мо¬мент окончания вычислительной обработки, так как заранее не известно, по какому алгоритму, а значит, и сколько време¬ни будет протекать процесс. Тем не менее для конкретной си¬стемы управления всегда можно получить статистические дан¬ные о среднем количестве поступающих в единицу времени на обработку в ВС вычислительных задач, а также о среднем времени решения одной задачи. Наличие этих данных позволяет формально рассмотреть процедуру организа¬ции вычислительного процесса с помощью теории систем мас¬сового обслуживания (СМО). В этой теории при разработке аналитических моделей широко используются понятия и ме-тоды теории вероятности.
На рис. 2 изображена схема организации многомашин¬ной вычислительной системы, где упорядочение очереди из по¬тока заданий осуществляется диспетчером Д1, а ее обслужи¬вание ЭВМ – через диспетчера Д2.






Рис.2. Схема организации обслуживания заданий в многомашинной вычислительной системе

Такая система может быть охарактеризована как система с дискретными состояниями и непрерывным временем. Под дис¬кретными состояниями понимается то, что в любой момент времени система может находиться только в одном состоянии, а число состояний ограничено (может быть пронумеровано). Говоря о непрерывном времени, подразумевают, что границы переходов из состояния в состояние случайны и переход может произойти в принципе в любой момент времени.
Система изменя¬ет свои состояния под действием потока заявок– поступающие заявки увеличивают очередь. Число заданий в очереди плюс число заданий, которые обрабатыва¬ются ЭВМ (т.е. число заданий в системе), – это характеристи¬ка состояния системы. Очередь уменьшается, как только одна из ЭВМ заканчивает обработку (обслуживание) задания. Тот¬час же на эту ЭВМ из очереди поступает стоящее впереди (или по какому-либо другому приоритету) задание и очередь умень¬шается. Таким образом, число заданий в системе растет бла¬годаря потоку заданий, а уменьшается благодаря окончанию обслуживания с помощью ЭВМ.
В этой теории поток заданий (заявок на обслуживание) характеризу¬ется интенсивностью l – средним количеством заявок, посту¬пающих в единицу времени (скажем, в час). Среднее время обслуживания (обработки) одного задания tобсл, определяет так называемую интенсивность потока обслуживания m:



т. е. m показывает, сколько в среднем заданий обслуживается системой в единицу времени. Следует напомнить, что момен¬ты появления заданий и моменты окончания обслуживания случайны, а интенсивности потоков являются результатом статистической обработки случайных событий на достаточно длинном промежутке времени и позволяют получить хотя и приближенные, но хорошо обозримые аналитические выра¬жения для расчетов параметров и показателей эффективности системы массового обслуживания.
Рассматривая модель обслуживания заданий, мы исхо¬дим из предположений того, что процессы в системе – марковские, а потоки – простейшие (пуассоновские).
Если эти предположения не¬верны, то получить аналитические выражения трудно, а чаще всего невозможно. Для таких случаев моделирование проводит¬ся с помощью метода статистических испытаний (метода Мон¬те-Карло), который позволяет создать алгоритмическую модель, включающую элементы случайности, и путем ее многократно-го запуска получить статистические данные, обработка кото¬рых дает значения финальных вероятностей состояний.
Организация очереди, поддержание ее струк¬туры возлагаются на диспетчера Д1, а передача заданий из оче¬реди на обработку в вычислительные машины, поддержание дис-циплины обслуживания в очереди (поддержка системы приори¬тетов) осуществляются диспетчером Д2. В вычис¬лительной системе диспетчеры реализуются в виде управляющих программ, входящих в состав операционных систем ЭВМ.
Появление заданий при технологическом процессе обработ¬ки данных является случайным, но при решении задачи по программе должны быть учтены и минимизированы связи ре¬шаемой задачи с другими функциональными задачами, опти-мизирован процесс обработки по ресурсному и временному критериям. Поэтому составной частью процедуры организа¬ции вычислительного процесса является планирование после¬довательности решения задач по обработке данных.

3. Организация планирования обработки вычислительных задач

Эффективность обслуживания вычислительных задач (их про¬грамм) зависит, прежде, всего от среднего времени обслужива¬ния , поэтому в вычислительной системе требуется решать проблему минимизации времени обработки поступивших в си-стему заданий. Иногда эта проблема трансформируется в за¬дачу максимизации загрузки устройств ЭВМ, являющихся но¬сителями ресурсов.
При решении вычислительной задачи ЭВМ использует раз¬личные свои ресурсы в объеме и последовательности, опреде¬ляемых алгоритмом решения.
К ресурсам ЭВМ относятся объе¬мы оперативной и внешней памяти, время работы процессора, время обращения к внешним устройствам. Естественно, что эти ресурсы ограни¬чены.
То есть, требуется найти наилучшую последователь¬ность решения поступивших на обработку вычислительных за¬дач. Процесс определения последовательности решения задач во времени называется планированием.
Для того чтобы осуще¬ствить планирование, необходимо знать, какие ресурсы и в ка¬ком количестве требует каждая из поступивших задач. Анализ потребности задачи в ресурсах производится на основе ее про¬граммы решения. Программа состоит, как правило, из ограни¬ченного набора процедур с известными для данной ВС затратами ресурсов. После анали¬за поступивших программ решения задач становится ясно, ка¬кая задача требует каких ресурсов и в каком объеме. Наличие этих данных позволяет перейти к планированию вычислитель¬ного процесса. Критерии, используемые при планировании, зависят от степени определенности алгоритмов решаемых за¬дач. Крайних случаях два: порядок использования ус¬тройств ЭВМ при решении задач строго задан их алгоритмами, а порядок использования устройств ВС в задачах заранее не известен. Для первого случая приемлемым является критерий минимизации суммарного времени решения вычислительных задач, для второго - максимизации загрузки устройств ВС.
Реализация функций и алгоритмов планирования вычисли¬тельного процесса происходит с помощью управляющих про¬грамм операционной системы ВС. Программа планировщик определяет ресурсоемкость каждой поступившей на обработ¬ку задачи и располагает их в оптимальной последовательнос¬ти. Подключение ресурсов в требуемых объемах к програм¬мам выполнения задач осуществляет по запросу планировщи¬ка управляющая программа супервизор, которая тоже входит в состав операционной системы.
Таким образом, одной из важнейших процедур инфор¬мационного процесса обработки данных является органи¬зация вычислительного процесса, которая выполняет фун¬кции обслуживания поступающих на обработку заданий (очередей) и планирования (оптимизации последовательно¬сти) их обработки. На программно-аппаратном уровне эти функции выполняют специальные управляющие програм¬мы, являющиеся составной частью операционных систем, т. е. систем, организующих выполнение компьютером опе-раций обработки данных. Разнообразие методов и функций, используемых в алгоритмах организации вычислительного процесса, зависит от допустимых режимов обработки дан-ных в ВС.
В наиболее простой ВС, такой, как персональ¬ный компьютер (ПК), не требуется управление очередями заданий и планирование вычислительных работ. В ПК при¬меняют в основном однопрограммный режим работы, по¬этому их операционные системы не имеют в своем составе программ диспетчирования, планировщика и супервизора. Но в более мощных ЭВМ, таких, как серверы и особенно мэйнфреймы, подобные управляющие программы оказыва¬ют решающее влияние на работоспособность и надежность ВС.

4. Преобразование данных
Важной процедурой технологического процесса обработки яв¬ляется также процедура преобразования данных.
Данная процедура связана с процедурой ОВП, поскольку программа преобразования данных поступает в оперативную память ЭВМ и начинает исполняться после предварительной обработки управляющими программами процедуры ОВП.
Процедура пре¬образования состоит в том, что ЭВМ выполняет в принципе типовые операции над структурами и значениями данных (сор¬тировка, выборка, арифметические и логические действия, со¬здание и изменение структур и элементов данных и т.п.) в коли¬честве и последовательности, заданных алгоритмом решения вычислительной задачи, который на физическом уровне реали¬зуется последовательным набором машинных команд (машин¬ной программой).
На логическом уровне алгоритм преобразо¬вания данных выглядит как программа, составленная на формализованном человеко-машинном языке – алгоритмическом языке программирования. ЭВМ понимает только машинные ко¬манды, поэтому программы с алгоритмических языков с помо¬щью программ-трансляторов переводятся в последовательность кодов машинных команд. Программа преобразования данных состоит из описания типов данных и их структур, которые бу¬дут применяться при обработке, и операторов, указывающих ЭВМ, какие типовые действия и в какой последовательности необходимо проделать над данными и их структурами.
Таким образом, управление процедурой преобразования данных осуществляется в первую очередь программой реше¬ния вычислительной задачи, и если решается автономная за¬дача, то никакого дополнительного управления процедурой преобразования не требуется. Другое дело, если информаци¬онная технология организована для периодического решения комплекса взаимосвязанных функциональных задач управле¬ния, когда необходимо оптимизировать процедуру преобра¬зования данных либо по критерию минимизации времени об¬работки, либо по критерию минимизации объемов затрачи¬ваемых вычислительных ресурсов. Первый критерий особо важен в режиме реального времени, а второй - в мультипрог¬раммном режиме.
Программа решения вычислительной задачи преобразует значения объявленных типов данных, и, следовательно, в про¬цессе выполнения программы происходит постоянная цирку¬ляция потоков значений данных из памяти ЭВМ и обратно. При выполнении программы к одним и тем же значениям дан¬ных могут обращаться различные процедуры и операции, сами операции обработки могут между собой комбинироваться раз¬личным образом и многократно повторяться и дублировать¬ся. Следовательно, задачей управления процедурой преобра¬зования данных является, с одной стороны, минимизация ин¬формационных потоков между памятью ЭВМ и операциями (процессором), с другой – исключение дублирования опера¬ций в комплексах функциональных программ.
Процедура преобразования данных на физическом уров¬не осуществляется с помощью аппаратных средств вычисли¬тельной системы (процессоры, оперативные и внешние за¬поминающие устройства), управление которыми произво¬дится машинными программами, реализующими структури¬рованную совокупность алгоритмов решения вычислительных задач.
Так же выделяют нетрадиционные методы обработки данных. К ним относится параллельная обработка и конвейерная обработка.
Необходимость ПОД возникает, когда требуется сократить время решения данной задачи, увеличить пропускную способность, улучшить использование системы.
Для распараллеливания необходимо соответствующим образом организовать вычисления:
- составления параллельных программ, т.е. отображение в явной форме параллельной обработки с помощью надлежащих конструкций языка, ориентированного на параллельные вычисления;
- автоматическое обнаружение параллелизма. Последовательная программа автоматически анализируется, в результате может быть явная или скрытая параллельная обработка. Скрытая обработка должна быть преобразована в явную обработку.
При автоматическом обнаружение параллельных вычислений различается в последовательной программе возможность явной и скрытой параллельной обработки. В обоих случаях требуется анализ программы. Различие между двумя этими видами обработки состоит в том, что скрытая параллельная обработка требует некоторой процедуры преобразования последовательной программы, чтобы сделать возможным ее параллельное выполнение.
Конвейерная обработка улучшает использование аппаратных ресурсов для заданного набора процессов, каждый из которых применяет эти ресурсы заранее предусмотренным способом.
Примером конвейерной организации сборочный транспортер на производстве, на котором изделие последовательно проходит все стадии вплоть до готового продукта. Преимущество этого способа состоит в том, что каждое изделие на своем пути использует одни и те же ресурсы, и как только некоторый ресурс освобождается данным изделием, он сразу же может быть использован следующем изделием, не ожидая, пока предыдущее изделие достигнет конца сборочной линии. Если транспортер несет аналогичные, но не тождественные изделия, то это последовательный конвейер; если же все изделия одинаковы, то это векторный конвейер.
5. Отображение данных
Процедура отображения данных – одна из важнейших в ин¬формационной технологии. Без возможности восприятия ре¬зультата обработки информации человеческими органами чувств этот результат оставался бы вещью в себе (ведь мы не ощущаем машинное представление информации).
Процедуры отображения в информационных техноло¬гиях, преследуют цель как можно лучше представить информацию для визуаль¬ного наблюдения. Конечно, в мультимедийных системах сей¬час используется и аудио, и видео, и даже тактильное отобра¬жение данных, но при управлении предприятием более важ¬ным является отображение данных в текстовой или в графи¬ческой форме. Основные устройства, воспроизводящие текст или графические фигуры, - это дисплеи и принтеры, на исполь-зование которых (особенно первых) и направлены операции и процедуры отображения.
Для того чтобы получить на экране дисплея (или на бумаге принтера) изображение, отображающее выводимую из компью¬тера информацию, данные (машинное представление этой информации) должны быть соответствующим образом преобра¬зованы, затем адаптированы (согласованы) с параметрами дисп¬лея и, наконец, воспроизведены. Все эти операции должны вы¬полняться в строгом соответствии с заданной формой воспроиз¬ведения и возможностями воспроизводящего устройства. Со-гласование операций процедуры отображения производится с помощью управляющей процедуры ОВП (организации вы¬числительного процесса). На рис. 3 приведена вышеописан¬ная схема взаимодействия процедур при отображении данных.

Рис. 3. Схема взаимодействия процедур при отображении данных
В современных информационных технологиях при воспро¬изведении информации предпочтение отдано графическим ре¬жимам работы дисплеев, как наиболее универсальным. Графи¬ческий режим позволяет выводить на экран дисплея любую гра-фику (ведь буквы и цифры тоже графические объекты), причем с возможностью изменения масштаба, проекции, цвета и т.д. В последнее время развитие информационных технологий отно¬сительно ввода и вывода информации идет по пути создания объектно-ориентированных систем, в которых настройка сис¬тем, программирование функциональных задач, ввод и вывод информации осуществляются с помощью графических объек¬тов, отображаемых на экране дисплея (примером могут служить широко распространенный графический интерфейс Windows; объектно-ориентированные языки Delphi, Java и т.д.).
Отображение информации на экране дисплея в виде графических объектов носит название компьютерной (машинной) графики.
На логическом уровне процедура отображения используется законы аналитической геометрии, согласно которой положение любой точки на плоскости задается парой чисел – координатами. Пользуясь декартовой системой координат, любое плоское изображение можно свести к списку координат составляющих его точек. И наоборот, заданные оси координат, масштаб и список координат легко превратить в изображение. Геометрические понятия, формулы и факты относятся прежде всего к плоскому и трехмерному изображению. Основой математических моделей компьютерной графики являются аффинные преобразования и сплайн - функции.
Аффинная геометрия – раздел геометрии, в котором изучаются свойства фигур на плоскости (или в пространстве), сохраняющиеся при любых аффинных преобразованиях плоскости (или пространстве), т.е. инвариантные относительно таких преобразований.
Сплайн – функция – проведение плавных кривых.
На физическом уровне отображение производится в основном с помощью компьютерных дисплеев.
Для получения графического изображения на экране дисплея используется два основных метода: векторный (функциональный) и растровый.
Векторный метод – вывод графического изображения с помощью электронного луча, последовательно «вычерчивающего» на экране дисплея линии и кривые в соответствии с математической моделью этого объекта.
Вычерчивание- это последовательное засвечивание пикселей экрана. Так как каждый пиксель имеет свою координату (пару чисел), то этот метод преобразует последовательность чисел (вектор) в светящиеся точки. Для того, чтобы изображение было неподвижно для глаз человека луч пробегает по определенным пикселям многократно.
Растровый метод – электронный луч сканирует экран монитора (дисплея) слева на право, после каждого прохода опускаясь на одну строку пикселей, сотни раз в секунду. После прохождения нижней строки луч возвращается к первой строке (обратный ход). Чтобы при обратном ходе на экране не прочерчивалась диагональная линия, луч на это время гасится. Такое сканирование экрана проводится 25 раз в секунду. Полностью просканированный экран называется кадром. Если интенсивность электронного луча постоянна, то на экране создается равномерный фон из одинаково светящихся пикселей. При выводе на экран графического объекта в соответствующих его модели точках интенсивность луча изменится, в результате чего «прорисовывается» сам графический объект.
Вопросы для самоконтроля.
1. Охарактеризуйте основные режимы обработки данных.
2. Назовите основные черты модели обслуживания задач.
3. Для каких моделей обслуживания задач используется СМО.
4. В каких случаях применяется метод Монте – Карло.
5. Назовите основные этапы организации планирования обработки выч. задач.
6. Какие методы используются для обработки данных.
7. Какие методы используются для получения графического изображения.
8. Как взаимодействуют процедуры отображения данных.