10. Проектирование аппаратных средств автоматизированных экономических информационных систем (АЭИС)

Скачать доклад: 10. Проектирование аппаратных средств автоматизированных экономических информационных систем (АЭИС)

Проектирование аппаратных средств автоматизированных экономических информационных систем (АЭИС); модульная структура аппаратных средств; вопросы экономики при выборе соотношения между аппаратными и программными средствами (22.1.).

К аппаратным средствам вычислительных (информационных) систем относятся средства: переработки и отображения информации, управления и передачи данных. Выбор типов элементов, их количества и их взаимосвязи в каждой группе во многом определяет эффективность АЭИС в целом. Решение задачи выбора зависит от заданных исходных требований и связано с решением задачи разработки программного обеспечения, поскольку о определенные функции могут выполняться как аппаратными, так и программными способами. Типы аппаратных средств не могут выбираться изолированно друг от друга, т.к. они должны быть совместимыми по входной и выходной информации и по физическим параметрам входных и выходных сигналов.

Информационная совместимость предполагает единые способы кодирования информации и форматы данных на входных и выходных сопрягаемых между собой устройств. Аппаратная совместимость заключается в возможности непосредственной электрической связи выходов и входов отдельных устройств. Наличие информационной и аппаратной совместимости упрощает построение системы и обеспечивает возможность ее развития и совершенствования.

Основными функциями средств переработки информации (СПИ) в составе АЭИС являются: прием информации от средств управления, а также от внешних источников сообщений непосредственно или через средства передачи данных; выполнение арифметических и логических операций в ходе реализации алгоритма управления объектом; управление процессами обмена с системами обработки информации (СОИ), системами управления и внешними запоминающими устройствами (ВЗУ); обмен информации с ВЗУ, выдача информации на СОИ или внешним потребителям непосредственно через средства передачи данных. В зависимости от исходных требований (в основном - от ограничений на допустимое время реализации алгоритма, время обмена данными и от заданной надежности и достоверности информации) структура СПИ может быть различной. В настоящее время в АЭИС используются: однопроцессорные (П)ЭВМ, многопроцессорные информационно-вычислительные комплексы, многомашинные вычислительные системы.

Большинство проектных решений для аппаратных средств связано с обеспечением интерфейса между компьютером и его внешней средой.

Теоретически персональная ЭВМ может быть приобретена не только в укомплектованном виде, но и в виде набора микросхемных модулей на отдельных кристаллах.

Состав информационной системы может изменяться в широких пределах. Базовый набор компонентов составляют: системный блок, содержащий основную аппаратную часть - микропроцессоры, контроллеры ввода-вывода, интерфейсы, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), сетевые адаптеры, обеспечивающие физическое подключение данной ПЭВМ к другим через сетевые каналы связи, а также другие электронные схемы; внешние запоминающие устройства; дисплей, служащий для отображения текстовой или графической информации в черно-белом или цветном виде; клавиатура, предназначенная для ввода в информационную систему управляющих команд и данных; печатающее устройство (принтер), обеспечивающее получение твердых (печатных) копий экрана ( в т.ч. графических и цветных).

Однопроцессорные (П)ЭВМ; общие принципы построения схем однопроцессорной системы .. Обработка данных производится арифметико-логическим устройством (АЛУ) под управлением центрального устройства управления (ЦУУ). ЦУУ вырабатывает необходимые управляющие сигналы для выборки очередной команды из памяти, дешифрации кодов команды, формирование адресов операндов, выборки операндов из памяти, передачи их в АЛУ, выполнения в АЛУ операции, предусмотренной кодом команды, передачи полученного в АЛУ результата операции в память, инициирования работы устройства обмена и организации реакции процессора на запросы прерывания.

Основные характеристики процессора, учитываемые при проектировании системы: быстродействие, состав системы команд, точность вычислений (количество разрядов машинного слова) и надежность.

Для большинства (П)ЭВМ структура памяти может быть представлена как двухуровневая система: внутренняя память (верхний уровень) и внешняя память (нижний уровень).

Все ЗУ, входящие в состав внутренней памяти, предназначены для записи, хранения и выдачи команд и оперативной информации, непосредственно участвующей в данный момент времени в процессе вычислений. Внешняя память предназначена для более длительного хранения информации. Эти ЗУ, как правило, не имеют непосредственной связи с процессором. Основной удельный вес среди устройств вешней памяти приходится на ЗУ, использующие движущий магнитный носитель: диски или ленты. К основным параметрам, характеризующим внешнюю память, относят: емкость, скорость обмена инормацией, среднее время доступа к информации по заданному адресу.

Многопроцессорные информационно-вычислительные комплексы обусловлены развитием параллелизма в работе информационно-вычислительных систем, их отличительной особенностью которых являются: - наличие двух или более процессоров с примерно равными возможностями или специализированных процессоров; - возможность доступа всех процессоров к общей памяти, к каналам устройства ввода-вывода и периферийным устройствам; - наличие единой операционной системы, осуществляющей общее управление аппаратными и программными средствами (П)ЭВМ; - возможность тесного взаимодействия элементов аппаратного и программного обеспечения (перераспределения программ между процессорами, обмен данными, прерывание).

В зависимости от структуры связи между всеми устройствами различают многопроцессорные (П)ЭВМ: с общей разделенной во времени шиной; с перекрестной коммутацией; матричные (векторные); с конвейерной обработкой данных.

Схема многопроцессорной системы с общей разделенной во времени шиной . представляет собой простейшую среди многопроцессорных схему и реализуется с минимальными затратами. Все устройства подсоединены параллельно к одной двунаправленной или двум однонаправленным слева) шинам. Каждый массив информации, переданный на шину, должен содержать адрес устройства, куда должны быть направлены данные, подлежащие передаче.

Схема многопроцессорной системы с перекрестной коммутацией позволяет подсоединять любой блок памяти к любому процессору или к любому устройству обмена, а через него - к любому периферийному устройству. Между любыми двумя устройствами на все время передачи информации устанавливается физический контакт, причем одновременно можно установить несколько путей передачи данных. Это позволяет уменьшить задержки при обмене по сравнению со структурой с общей шиной. В то же время увеличивается объем аппаратуры коммутации. Разновидность этого типа структур - многомашинные многовходовые структуры - также обеспечивают несколько путей одновременной передачи информации, однако в них каждый блок памяти должен иметь несколько входов.

Система с  матричной структурой . содержит несколько одинаковых сравнительно простых процессоров, соединенных друг с другом так, что образуется матрица, в узлах которой размещаются процессоры.

Все они выполняют одновременно одну и ту же команду (допускается пропуск выполнения команды в отдельных процессорах), но над разными операндами, доставляемыми процессорами из памяти несколькими потоками данных. По этой причине такие структуры называют структурами типа ОКМД (одинарный поток команд и множественный поток данных).

Система с  конвейерной обработкой . содержит цепочку последовательно соединенных процессоров, так что информация на выходе одного процессора является входной информацией для другого процессора. На вход такого "процессорного конвейера" одинарный поток доставляет операнды из памяти. Каждый процессор обрабатывает соответствующую часть задачи и ее решение развертывается последовательно в конвейерной цепочке. Это обеспечивается подведением к каждому процессору своего потока команд. Такие структуры называются системами типа МКОД (множественный поток команд и одинарный поток данных).

Многомашинные вычислительные системы ., в отличие от многопроцессорных, состоят из нескольких (П)ЭВМ, каждая из которых имеет свою внутреннюю память и работает под управлением своей операционной системы, и средства обмена информацией между машинами.

Построение многомашинных СПИ из серийных (П)ЭВМ со стандартным программным обеспечением проще, чем построение многопроцессорных систем с общим полем памяти и специальной операционной системой.

По степени связи между собой выделяют: несвязанные комплексы: нет непосредственного физического соединения между (П)ЭВМ; объединение осуществляется путем переноса машинного носителя с одной (П)ЭВМ на другую или переключения внешних запоминающих устройств; связанные комплексы:(П)ЭВМ электрически соединены между собой или совместно используют общие аппаратные средства.

В любом случае обмен информацией идет через определенную зону памяти, доступную всем машинам. Эту общую память, используемую для обмена, называют  памятью обмена .

В рассмотренной структуре все машины равноправны (имеется однородность связей по управлению). Такой вычислительный комплекс имеет децентрализованную структуру со связанными подсистемами.

Затраты на обмен информацией между машинами и конфликты при обращении машин к памяти обмена приводят к тому, что в процессе решения взаимосвязанных задач производительность многомашинных СПИ оказывается меньше суммарной производительности входящих в состав СПИ машин. В многомашинных СПИ время функционирования каждой машины используется на: исполнение функциональных программ управления и обработки информации; организацию межмашинного обмена; обмен информацией между блоками памяти обмена взаимодействующих машин; ожидание при обращении в собственную память обмена вследствие обращения к ней в это время другой машины или при обращении к памяти обмена соседней машины, занятой обменом с другой машиной или взаимодействием с собственной памятью обмена.

Другим распространенным принципом организации СПИ в виде многомашинных комплексов является централизованный. В этом случае управляющая информация, организующая совместную работу всех машин, поступает из центральной машины-диспетчера. К основным функциям машины-диспетчера относятся: разбиение программы исходной задачи на независимые участки; оптимизация распределения этих участков по машинам; организация обмена информацией между машинами; управление работой всех машин; организация вывода результата; контроль правильности работы машин и перераспределение загрузки при отказе одной из машин. Возможны два режима работы машины-диспетчера: синхронный и асинхронный. При синхронном режиме этап обмена не совмещается во времени с этапом решения и идет после того, как все машины информационно-вычислительной системы закончили работы над предшествующими частями программы.

Микропроцессором (МП) называется программно-управляемое устройство для обработки цифровой информации, реализованное в виде одной или нескольких больших интегральных схем (БИС). МП делятся на несколько классов в зависимости от особенностей их структуры и основных параметров. В зависимости от способа программирования различают МП, выполняющие определенный набор команд, и МП, выполняющие набор микрокоманд.

Важная характеристика МП - разрядность обрабатываемых с его помощью данных. По способу обработки многоразрядных кодов различают МП с фиксированной и с наращиваемой разрядностью. Фиксированную разрядность (обычно 8 или 16) имеют МП первого типа, выполняющие фиксированный набор команд. Операнды большей разрядности обрабатываются с помощью такого по частям, обычно байтами (по 8 разрядов). Обработка байтов выполняется последовательно, поэтому быстродействие при работе с многоразрядными кодами существенно уменьшается. МП с наращиваемой разрядностью обычно содержат 2 или 4 разряда. Для обработки многоразрядных кодов параллельно включаются несколько МП, между которыми передаются необходимые сигналы переноса, возникающие при выполнении арифметических операций, сдвигов и т.п. В МП с наращиваемой разрядностью обычно используется микропрограммное управление.

Иерархическая многоуровневая память .. В современных информационно-вычислительных системах используются запоминающие устройства разных типов, различающиеся физическими принципами запоминания, техническими и экономическими характеристиками.

Использование многоуровневой памяти позволяет снизить суммарную стоимость хранения больших объемов информации при некотором допустимом снижении производительности системы. Это достигается использованием самых быстродействующих (но и дорогих) ЗУ относительно небольшого объема для непосредственного взаимодействия с процессором (внутренняя память - сверхоперативные ЗУ, главная оперативная память, память команд и констант). Следующее устройство памяти с меньшим быстродействием и большим объемом непосредственно не связано с процессором и снабжает данными память высшего уровня (внутренняя память - большая оперативная память).

Поскольку на долю памяти приходится большая часто затрат объема и стоимости аппаратуры информационно-вычислительной системы, вопросы рационального построения иерархической структуры запоминающих устройств приобретают первостепенное значение.

Основные задачи рационального выбора системы запоминающих устройств решаются при выборе параметров и структуры средств переработки информации. Для этого должны быть сделаны (исходя из системных соображений) ориентировочные оценки общей емкости памяти. В информационно-вычислительной системе память используется для хранения следующей информации: программ решения функциональных задач и управления вычислительным процессом, данных от внешних источников, результатов решения функциональных задач, промежуточных результатов и констант.

Оценки всех объемов на начальных этапах проектирования не учитывают возможностей совмещения отдельных массивов или их частичного перекрытия, требований мультипрограммной работы, требований к надежности системы и к достоверности информации. Поэтому все они подлежат систематическому уточнению на всех этапах проектирования.

Средства отображения и управления . обеспечивают связи оператора с техническими средствами АЭИС. Функциональное назначение этих устройств различно.

Средства отображения информации (СОИ) предназначены для представления оператору информации о состоянии системы и внешней среды в удобной для восприятия (в подавляющем большинстве случаев визуальной) форме. Они подразделяются на: Средства управления . (СУ) предназначены для ввода в систему управляющего воздействия оператора. Они представляют собой одну из разновидностей устройств ввода информации. Это - устройства ручного ввода (в отличие от устройств автоматического ввода, к которым относятся устройства ввода с машинных носителей, графические устройства ввода и читающие автоматы). Преимущественное применение устройств ручного ввода объясняется постоянным составом функциональных задач и высоким постоянством констант, а также стремлением упростить действия, выполняемые оператором.

Средства передачи информации .. Для связи устройств АЭИС, удаленных друг от друга, обычно используется специальная аппаратура передачи данных (АПД). В состав АПД входят устройства: - устройство защиты от ошибок - обеспечивает кодирование отправляемой информации с помощью помехоустойчивых кодов и декодирование принимаемой информации в обычный двоичный код.

- демодуляции и модуляции (модем)  - в качестве передатчика преобразует закодированное сообщение в модулированный сигнал, соответствующий физической среде, в которой он проходит от передатчика к приемнику (такой средой могут быть провода в проводных и кабельных линиях, воздушная среда в радиолиниях, волноводы и световоды в перспективных системах).

- вызова - служит для организации связи.

Совокупность устройств и среда, обеспечивающая независимую передачу сигналов от передатчика к приемнику называется  каналом связи. Для снижения стоимости систем передачи информации и улучшения массогабаритных Для снижения стоимости систем передачи информации и улучшения массогабаритных показателей целесообразно использовать одни и те же элементы среды (линии связи) для передачи сообщений между несколькими передатчиками и приемниками. Такая связь называется многоканальной связью, а аппаратура, позволяющая на одной линии связи образовать два или более каналов, называется многоканальной аппаратурой или  аппаратурой уплотнения . 

В современных системах многоканальной связи чаще всего в качестве переносчиков используются либо синусоидальные колебания, либо последовательности импульсов. В каждом конкретном случае используются наиболее подходящие способы разделения канальных сигналов. Принцип многоканальной связи реализуется на частотном и временном разделении каналов.