Тема 1. Понятия и принципы информационных технологий. Лекция 2. Совре­менные программно-технические средства информационных технологий

ЛЕКЦИЯ 2. Совре­менные программно-технические средства информационных технологий. Задачи проектирования.

Вопрос 1. Автоматизированные рабочие места и рабочие станции.

Вопрос 2. Современные программно-технические средства ИТ.

Вопрос 3. Концепция эталонной модели взаимодействия открытых систем.

Вопрос 4. Пакетная, диалоговая, се­тевая технологии обработки данных.

Вопрос 5. Режимы реального и разделен­ного времени. Гипертекст, мультимедиа.

Вопрос 6. Классификация задач проектирования, их формализация.

Вопрос 7. Зада­чи удовлетворения и оптимизации, методы их решения.

Вопрос 8. Информаци­онные связи и системный подход.

№ п/п	Наименование раздела, темы учебной дисциплины	Вид занятия	№ недели	Формы контроля	Объем аудиторных занятий	Объем самостоятельной работы
1.	Тема 1. Понятия и принципы информационных технологий	Лекция	1,3,5	-

Вопрос 1. Автоматизированные рабочие места и рабочие станции.

В основе такой автоматизации лежат современные IT- технологии SCADA и MES. Эти системы автоматизированного оперативного управления производством связывают технологический и производственные бизнес - уровни управления предприятием в единый информационный комплекс, решая при этом множество важнейших для промышленного предприятия задач.

Получая информацию непосредственно с технологического уровня (для чего не предназначена ERP-система) MES, в частности, позволяет:

• генерировать производственные задания (ПЗ);

• планировать материальные, технологические и человеческие ресурсы, необходимые для выполнения ПЗ;

• контролировать исполнение ПЗ;

• вести статистику выполнения ПЗ – расчет времени и стоимости исполнения;

• сохранять историю ПЗ (архив);

• предавать данные о ПЗ в вышестоящую ERP-систему управления предприятием.

В итоге это позволяет оптимизировать производственные процессы, повышает эффективность производства. Одной из центральных задач проекта такой системы является создание автоматизированной системы управления технологическим процессом, обеспечивающей АРМ (ы) производственного уровня информацией, достаточной для принятия решений по централизованному управлению производственным процессом и решению задач оперативного планирования производства.

Для решения этой задачи на начальном этапе проекта следует правильно спланировать экранную информацию на каждом из АРМ. При этом возможны различные варианты ее инструментальной поддержки (например, с использованием либо экранных форм ERP, либо SCADA инструментария).

У каждого из решений есть свои достоинства.

Формы ERP - инструментария «заточены» под экранное представление шаблонов документов. Эти формы сравнительно плохо поддерживают и отражают оперативную динамику реального времени. Формы SCADA, напротив, подсоединяются к источникам исходной информации в реальном времени и отражают ее изменения в секундных временных диапазонах.

Общая схема АСУ кабельного производства представлена на рисунке 1 и включает в себя:

• АРМ диспетчера кабельного цеха, ст. мастера;

• АРМ технолога;

• АРМ диспетчера по обслуживанию оборудования;

• АРМ менеджера/ руководителя;

• АРМ администратора АСУ ТП.

Особенностью разрабатываемого проекта является использование существующей технологической автоматизации рабочих центров. Все линии как объекты автоматизации можно разделить на две группы.

Первая группа линий управляется машинными контроллерами. На этих линиях используются LCD панели оператора. Вторая группа линий, не имеющая машинного контроллера, использует простейшие модули ввода дискретных сигналов, отражающие производственные события работы линий. На этих линиях используются индикаторные панели. Хотя, потенциально, машинные контроллеры позволяют осуществлять ввод в SCADA-систему, как технологической информации, так и заданной оператором с пульта, отсутствие ОРС поддержки делают эту задачу недопустимо сложной при ручной реализации.

Дело в том, что действующее технологическое (производственное) оборудование не имеет опциального сопровождения ОРС компонентами. А

модернизация программной части действующего контроллерного оборудования не только наказуемо фирмой – поставщиком, но и чревата остановкой всей технологической линии. В результате исследования методов коммутации контроллеров со SCADA системой, были выбраны оптимальные варианты дополнительных модулей контроллеров для каждого рабочего центра.

Сеть централизованного сбора информации реализована по схеме «УСО контроллеров технологического оборудования (машинных контроллеров), Profibus, RS-485/RS-232 (в зависимости от исполнения машинного контроллера), модули дискретного ввода-вывода I-7041, контроллер связи I-7188EX, Ethernet Switch, ЛВС КИС, включающую в себя SCADA компьютер с ПП «Trace Mode», АРМы АСУТП и КИС».

Состав функциональности каждого АРМ выбирался с использованием CASE- модельного описания производственных задач. Это позволяет обеспечить необходимые и достаточные условия для оперативной визуализации и управлением производственным оборудованием. Совокупность всех АРМ образуют замкнутую систему контроля параметров всего технологического цикла производства, позволяющую управлять как отдельными рабочими центрами, так и всем технологическим циклом систематическим образом. Решения задач оперативного управления производством невозможно реализовать в полной мере без системы, обеспечивающей получение данных в режиме on-line о цеховых запасах полуфабрикатов и готовой продукции, обработки этих данных и передачи для анализа в MES-систему.

Безусловно, в любую ERP- или MES-систему есть возможность ввести подобные данные вручную с использованием клавиатуры ПК. Но минусы такого подхода очевидны: это низкая оперативность, высокая вероятность случайных и предумышленных ошибок.

Практичным решением является реализация программно- аппаратной интеграции MES-уровня со SCADA системой. В этом случае на SCADA систему возлагается не только функция управления технологическим процессом, но и функция регистрации производственных событий, обработки полученной информации, ее хранения и предоставления на верхние уровни

информационной структуры в нужном виде. Для решения этой целесообразно использовать буферную базу данных (БД SQL), которая служит для обмена данными между системой сбора технологической информации и системой оперативного анализа и управления производством.

Один из АРМ – АРМ планирования вынесен на уровень ERP- системы управления предприятием. Благодаря двухсторонней связи между ERP, MES и SCADA, на данном АРМ доступны полный мониторинг и исполнение команд управления оборудованием. Подсистема оперативного сбора информации об остатках материалов и информации в режиме on-line о прохождении заказов может быть построена, как на базе RFID технологии, так и на использовании технологии штрихкодирования. RFID - метки могут быть зарегистрированы базовыми считывателями на расстоянии до 5 метров, причем количество одновременно регистрируемых меток может быть неопределенно велико. Однако такой вариант является бюджетно - затратным. Более простым, на сегодняшнем уровне развития автоматизации кабельного производства является штрихкодирование, как готовой продукции, так и цеховых полуфабрикатов.

Интеграция MES системы и SCADA позволяет использовать оперативную информацию в режиме on-line для решения стратегических задач предприятия. Предложенная схема АСУ кабельного производства позволяет не только достаточно легко интегрировать подсистему контроля материалов в единое целое с MES и ERP системой, а также использовать специализированные LCD панели операторов линий в качестве устройств ввода информации в любой ее уровень.

Вопрос 2. Современные программно-технические средства ИТ.

В проектировании электронных средств выделяют три направления информационных технологий, обеспечивающих соответственно решение задач схемотехнического проектирования, конструирования и электродинамического моделирования.

В настоящее время для решения задач схемотехнического проектирования электронных средств применяется большое число пакетов программ. Широкое распространение на платформе персонального компьютера находит система DesignLab, разработанная корпорацией MicroSim. Основу системы составляют следующие программные модули:

− графический редактор принципиальных схем – Schematics, он же является управляющей оболочкой системы;

− моделирование аналого-цифровых устройств Pspice A/D;

− синтез цифровых устройств на базе интегральных схем (ИС) с программируемой логикой PLD/CPLD PLSyn;

− редактор входных сигналов (аналоговых и цифровых) StmEd;

− графическое отображение, обработка и документирование результатов моделирования Probe;

− идентификация параметров математических моделей диодов, биполярных, полевых и мощных МОП-транзисторов, биполярных статически индуцированных транзисторов, операционных усилителей, компараторов напряжения, регуляторов и стабилизаторов напряжения и магнитных сердечников по паспортным данным PARTS;

− графический редактор многослойных печатных плат и программа автотрассировки SPECCTRA фирмы Cadence PCBoards и Autorouter;

− интерфейс с программой ХАСT Step 6.0, предназначенной для проектирования электрически перепрограммируемых логических интегральных схем (ПЛИС) фирмы Xilinx (поддерживаются FPGA серий ХС2000, XC3000, XC4000, XC5200 и X-BLOX, поставляется только в составе DesignLab) MicroSim FPGA.

Системы DesignLab DesignCenter имеют графический редактор печатных плат, воспринимающий информацию о соединениях в формате P-CAD. Компоненты принципиальных схем в автоматическом или ручном режиме размещаются на сторонах печатной платы, затем возможна трассировка многослойных соединений, создание командных файлов для изготовления фотошаблонов и для сверлильных станков с ЧПУ. Предусмотрена передача данных в систему AutoCAD для выпуска конструкторской документации.

Широкое распространение в схемотехническом проектировании получили следующие системы.

Система ICAP (фирма Intusoft), которая отличается возможностью работы с измерительными устройствами.

Система Super-Compact и Microware Harmonica (фирма Compact Software), в которой предусмотрено моделирование СВЧ-устройств.

Системы Serenade, Super-Spice, Microware Success, Microware Explorer (фирма Ansoft) обеспечивают моделирование и оптимизацию СВЧ и оптоэлектронных устройств, в том числе во временной области, систем радиофонии, электромагнитных полей и др. Имеются версии систем, ориентированные на Windows 95 (NT).

Системы MicroCAP, MicroLOG (фирмы Spectrum Software) предназначены для анализа и моделирования аналоговых и аналого-цифровых устройств (расчет переходных процессов, частотных характеристик, спектральный анализ и др.), а также цифровых устройств на логической основе.

Система OrCAD фирмы OrCAD System Corp позволяет решать задачи схемотехнического и конструкторского проектирования. Следует заметить, что в 1998 г. корпорации OrCAD и MicroSim объединились, это облегчает интеграцию программных продуктов OrCAD и DesignLab.

Система обеспечивает ввод и вывод на печать принципиальных схем, трассировку печатных плат, создание спецификаций, разведение проводников, шин, моделирование цифровых устройств, проектирование ПЛИС и др. Библиотека систем содержит более 2700 изображений компонентов РЭС.

Система состоит из программных модулей:

OrCAD Capture – графический редактор схем;

OrCAD Capture CIS (Component Information System) – графический редактор схем со средствами ведения баз данных компонентов, при этом через Internet возможен доступ к каталогу компонентов (более 200 000 наименований);

OrCAD Pspice Optimizer – параметрическая оптимизация и др.

Версия OrCAD 9.2 функционирует на ПК (процессор Pentium, OC Windows) с объемом ОЗУ не менее 32 Мбайт и 250 Мбайт дискового пространства.

Основным конкурентом системы OrCAD является пакет P-CAD (фирма Personal CAD System), который часто рассматривается как стандарт при выпуске конструкторской и технологической документации. Поэтому списки соединений принципиальных схем, созданных в OrCAD ранних версий, передавались в P-CAD для вывода схем на принтер или плоттер. Пакет имеет открытую архитектуру, он позволяет проектировать печатные платы, имеющие до 500 элементов и 2000 связей. Широкое применение находит также пакет AutoCAD (фирма AutoDesk), который представляет собой систему автоматизированной разработки чертежей, рисунков, схем в интерактивном режиме.

Важным достоинством пакета является возможность работы с трехмерной графикой, позволяющей строить реальные объекты (детали, дома, станки, одежду и др.), наблюдать их в различных ракурсах.

Рынок программных продуктов содержит большое число пакетов для решения разных задач моделирования. При разработке РЭС широкое применение находят следующие пакеты.

Система Microware Office (фирма AWR) обеспечивает решение задач моделирования при проектировании высокочастотных интегральных и монолитных СВЧ-микросхем, антенн, СВЧ согласующих цепей и фильтров, усилителей, смесителей и др. Модули пакета написаны на языке С++ и позволяют интегрировать в себя новые методы моделирования.

Система Genesys (фирма EAGLEWARE) обеспечивает высокоскоростное моделирование радиочастотных цепей и других элементов, по описанию моделирующего устройства позволяет синтезировать его топологию и представлять трехмерную анимационную картину распределения токов по проводникам. Пользовательский интерфейс системы полностью совпадает со стандартным интерфейсом ПО фирмы Microsoft.

К настоящему времени различными фирмами создано большое число программ автоматизированного проектирования в электронике (САПР-Э или ЕСАD – Electronic Computеr Aided Desing) ECAD, различающихся типами выполняемых проектных процедур и ориентацией на те или иные разновидности радиоэлектронных изделий. Динамичное развитие радиоэлектроники предъявляет все более жесткие требования к САПР по эффективности и разносторонности выполняемых функций. В результате процесс обновления состава программного обеспечения в САПР происходит весьма динамично.

Как и в других отраслях промышленности, связанных с созданием сложной продукции, в радиоэлектронике используют многоуровневые представления проектируемых систем, и соответственно имеет место специализация предприятий по номенклатуре создаваемых изделий. Одни предприятия могут специализироваться на производстве микросхем, другие – на выпуске процессорных и интерфейсных плат, третьи занимаются сборкой приборов или их встраиванием в технологические, транспортные и другие системы. Очевидно, что использование продукции одного предприятия в изделиях другого, не зависимого от первого, требует, чтобы модели изделий и языки их представления соответствовали принятым стандартам. Основными HDL (Hardware Design Language – язык программирования аппаратуры) языками, используемыми в современных ЕСAD при функционально-логическом проектировании, начиная с описания алгоритмов и кончая представлениями логических схем, являются VHDL и Verilog. Эти языки предназначены для моделирования электронных схем на уровнях вентильном, регистровых передач, корпусов микросхем. Поэтому эти языки можно назвать языками сквозного функциональнологического проектирования.

Кроме языков VHDL и Verilog в ЕСAD находит применение ряд других языков. Среди них прежде всего следует назвать форматы ЕDIF (Electronic Desing Interchange Format) и CIF (Caltech Intermediate Format). EDIF используют для описания топологии СБИС или списков цепей печатных плат. Он удобен для передачи данных, включающих списки соединений, параметры СБИС или печатных плат, спецификации тестовых наборов, результаты моделирования и т.п. Формат CIF применяют при передаче проекта, представленного на уровне геометрических примитивов и управляющих данных, в производство.

Проектирование СБИС является многоуровневым, каждый уровень характеризуется своим математическим обеспечением, используемым для моделирования и анализа схем. Выделяют уровни системный,

регистровый (RTL – Register Transfer Level), называемый также уровнем регистровых передач, логический, схемотехнический, приборно-техно-логический (компонентный). Общее название для регистрового и логического уровней – уровень функционально-логический. Преобладает нисходящий стиль функционально-логического проектирования, при котором последовательно выполняются процедуры уровней системного, RTL и логического. В этих процедурах широко используются ранее принятые унифицированные решения, закрепленные в библиотеках функциональных компонентов, например сумматоров, мультиплексоров, регистров и т.п. Эти библиотеки разрабатываются с помощью процедур схемотехнического и компонентного проектирования вне маршрутов проектирования конкретных СБИС.

Типичный маршрут проектирования СБИС включает в себя следующие процедуры.

1 Проверка корректности исходного алгоритма функциониро-вания СБИС.

2 Формирование абстрактного описания проекта для перехода к составлению расписания операций.

3 Выбор базовой технологии и типов функциональных блоковиз имеющейся библиотеки функциональных компонентов, которыми могут быть регистры, сумматоры, мультиплексоры и т.п.

4 Составление расписания операций, т.е. распределение операций по временным тактам и функциональным блокам. При этом определяются типы операционных блоков (комбинационные или последовательностные) и исходные данные для синтеза управляющих блоков.

5 Разработка модели устройства на уровне RTL, т.е. синтез схемоперационных и управляющих блоков.

6 Верификации выбранного решения, представленного на уров-не RTL.

7 Разработка логических схем путем перевода RTL-модели в модель вентильного уровня с помощью компиляторов логики и библиотек логических элементов.

8 Оптимизация и верификация логических схем.

9 Синтез схем тестирования и тестовых наборов.

10 Конструкторско-технологическое проектирование, включающее процедуры планирования кристалла, размещения компонентов и трассировки межсоединений.

11 Верификация динамических параметров схемы с учетом задержек в проведенных межсоединениях.

12 Синтез файлов с управляющей информацией для генераторов изображений.

К процедурам конструкторского проектирования относят планирование кристалла, размещение компонентов и трассировку межсоединений. Расчет задержек в межсоединениях и их использование в процедуре верификации позволяют уточнить параметры быстродействия схемы. Результаты конструкторского проектирования передаются на этап синтеза файлов с управляющей информацией для генераторов изображений.

В современных системах структурного синтеза на функционально-логическом уровне стремятся получить не просто работоспособное решение, но решение с оптимальным компромиссным удовлетворением требований к площади кристалла, быстродействию, рассеиваемой мощности, а в ряде случаев и к тестируемости схемы.

Формализация процедур структурного синтеза в общем случае затруднительна, поэтому для их эффективного выполнения обычно используют специализированные программы, ориентированные на ограниченный класс проектируемых схем. Характерные особенности технологии изготовления и проектирования имеются у микропроцессоров и схем памяти, у заказных и полузаказных СБИС (ASIC – Application-Specific Integrated Circuits), в том числе у программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Эти особенности обусловливают различия в методах проектирования схем и требуют их отражения в применяемом математическом и программном обеспечении ECAD.

В качестве ПЛИС широко используют программируемые логические схемы CPLD (Complex Programmable Logic Device) и программируемые вентильные матрицы FPGA (Field Programmable Gate Array).

В случае CPLD для отражения структуры конкретной схемы в инвариантном по отношению к приложению множестве функциональных ячеек требуется выполнить заключительные технологические операции металлизации. В случае FPGA программатор по заданной программе просто расплавляет имеющиеся перемычки (fuse) или, наоборот, создает их, локально ликвидируя тонкий изолирующий слой (antifuse). Следовательно, при использовании CPLD и FPGA необходимо с помощью САПР выбрать систему связей между ячейками программируемого прибора в соответствии с реализуемыми в схеме алгоритмами и синтезировать программы управления программатором или заключительной операцией металлизации. Ячейки могут быть достаточно сложными логическими схемами, вентилями или даже отдельными транзисторами. На производстве кристаллов ПЛИС специализируется ряд фирм, например, Xilinx, Altera, Actel и другие, зачастую эти же фирмы поставляют программное обеспечение для синтеза схем на производимых ими ПЛИС.

В последнее время значительное внимание уделяется процедурам совмещенного проектирования программной и аппаратной частей СБИС (SW/HW – Software/Hardware codesing). Если в традиционных маршрутах проектирования разделение алгоритмов на части, реализуемые программно и аппаратно, происходит на самых ранних шагах, то в технологии совмещенного проектирования эта процедура фактически переносится на уровень RTL и тем самым входит в итерационный проектный цикл и может привести к более обоснованным проектным решениям. Примером подхода к совмещенному проектированию может служить методика моделирования на уровне исполнения системы команд, в соответствии с которой моделируются события, происходящие на внешних выводах таких устройств, как арифметико-логическое, встроенная и внешняя память, системная шина и т.п. Благодаря совмещенному проектированию удается не только на ранних стадиях проектирования найти и исправить возможные ошибки в аппаратной и программной частях проекта, но и отладить контролирующие тесты.

Вопрос 3. Концепция эталонной модели взаимодействия открытых систем.

Сетевая модель OSI (ЭМВОС) (базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем, англ. Open Systems Interconnection Basic Reference Model, 1978 г.) — абстрактная сетевая модель для коммуникаций и разработки сетевых протоколов. Предлагает взгляд на компьютерную сеть с точки зрения измерений. Каждое измерение обслуживает свою часть процесса взаимодействия. Благодаря такой структуре совместная работа сетевого оборудования и программного обеспечения становится гораздо проще и прозрачнее.

В настоящее время основным используемым стеком протоколов является TCP/IP, разработка которого не была связана с моделью OSI и к тому же была совершена до её принятия.

Эталонная модель

Перемещение информации между компьютерами различных схем является чрезвычайно сложной задачей. В начале 1980 гг. Международная Организация по Стандартизации (ISO) и Международный Консультативный Комитет по Телеграфии и Телефонии (МККТТ) признали необходимость в создания модели сети, которая могла бы помочь поставщикам создавать реализации взаимодействующих сетей. В тесном сотрудничестве была разработана эталонная модель "Взаимодействие Открытых Систем" (ЭМВОС). Эта модель была описана в рекомендациях Х.200 (МККТТ) и ISO 7498 (ISO).

ЭМВОС быстро стала основной архитектурной моделью для передачи межкомпьютерных сообщений. Несмотря на то, что были разработаны другие архитектурные модели (в основном патентованные), большинство поставщиков сетей, когда им необходимо предоставить обучающую информацию пользователям поставляемых ими изделий, ссылаются на них как на изделия для сети, соответствующей эталонной модели. И действительно, эта модель является самым лучшим средством, имеющемся в распоряжении тех, кто надеется изучить технологию сетей. Дальнейшее описание ЭМВОС будет базироваться на модели ISO.

Иерархическая связь.

Эталонная модель OSI делит проблему перемещения информации между компьютерами через среду сети на семь менее крупных, и следовательно, более легко разрешимых проблем. Каждая из этих семи проблем выбрана потому, что она относительно автономна, и следовательно, ее легче решить без чрезмерной опоры на внешнюю информацию.

Каждая из семи областей проблемы решалась с помощью одного из уровней модели. Большинство устройств сети реализует все семь уровней. Однако в режиме потока информации некоторые реализации сети пропускают один или более уровней. Два самых низших уровня OSI реализуются аппаратным и программным обеспечением; остальные пять высших уровней, как правило, реализуются программным обеспечением.

Справочная модель OSI описывает, каким образом информация проделывает путь через среду сети (например, провода) от одной прикладной программы (например, программы обработки крупноформатных таблиц) до другой прикладной программы, находящейся в другом компьютере. Т.к.информация, которая должна быть отослана, проходит вниз через уровни системы, по мере этого продвижения она становится все меньше похожей на человеческий язык и все больше похожей на ту информацию, которую понимают компьютеры, а именно "единицы" и "нули".

В качестве примера связи типа OSI предположим, что Система А на Рис. 1-1 имеет информацию для отправки в Систему В. Прикладная программа Системы А сообщается с Уровнем 7 Системы А (верхний уровень), который сообщается с Уровнем 6 Системы А, который в свою очередь сообщается с Уровнем 5 Системы А, и т.д. до Уровня 1 Системы А. Задача Уровня 1 - отдавать (а также забирать) информацию в физическую среду сети. После того, как информация проходит через физическую среду сети и поглощается Системой В, она поднимается через слои Системы В в обратном порядке (сначала Уровень 1, затем Уровень 2 и т.д.), пока она наконец не достигнет прикладную программу Системы В.

Хотя каждый из уровней Системы А может сообщаться со смежными уровнями этой системы, их главной задачей является сообщение с соответствующими уровнями Системы В. Т.е. главной задачей Уровня 1 Системы А является связь с Уровнем 1 Системы В; Уровень 2 Системы А сообщается с Уровнем 2 Системы В и т.д. Это необходимо потому, что каждый уровень Системы имеет свои определенные задачи, которые он должен выполнять. Чтобы выполнить эти задачи, он должен сообщаться с соответствующим уровнем в другой системе.

Уровневая модель OSI исключает прямую связь между соответствующими уровнями других систем. Следовательно, каждый уровень Системы А должен полагаться на услуги, предоставляемые ему смежными уровнями Системы А, чтобы помочь осуществить связь с соответствующим ему уровнем Системы В. Взаимоотношения между смежными уровнями отдельной системы показаны на Рис.1-2.

Предположим, что Уровень 4 Системы А должен связаться с Уровнем 4 Системы В. Чтобы выполнить эту задачу, Уровень 4 Системы А должен воспользоваться услугами Уровня 3 Системы А. Уровень 4 называется "пользователем услуг", а Уровень 3 - "источником услуг". Услуги Уровня 3 обеспечиваются Уровню 4 в "точке доступа к услугам" (SAP), которая представляет собой просто местоположение, в котором Уровень 4 может запросить услуги Уровня 3. Как видно из рисунка, Уровень 3 может предоставлять свои услуги множеству об'ектов Уровня 4.

Форматы информации.

Каким образом Уровень 4 Системы В узнает о том, что необходимо Уровню 4 Системы А? Специфичные запросы Уровня А запоминаются как управляющая информация, которая передается между соответствующими уровнями в блоке, называемом заголовком; заголовок предшествуют фактической прикладной информации. Например, предположим, что Система А хочет отправить в Систему В следующий текст (называемый "данные" или "информация"):

The small grey cat ran up the wall to try to catch the red bird.

Этот текст передается из прикладной программы Системы А в верхний уровень этой системы. Прикладной уровень Системы А должен передать определенную информацию в прикладной уровень Системы В, поэтому он помещает управляющую информацию (в форме кодированного заголовка) перед фактическим текстом, который должен быть передан. Этот информационный блок передается в Уровень 6 Системы А, который может предварить его своей собственной управляющей информацией. Размеры сообщения увеличиваются по мере того, как оно проходит вниз через уровни до тех пор, пока не достигнет сети, где оригинальный текст и вся связанная с ним управляющая информация перемещаются к Системе В, где они поглощаются Уровнем 1 Системы В. Уровень 1 Системы В отделяет заголовок уровня 1 и прочитывает его, после чего он знает, как обрабатывать данный информационный блок. Слегка уменьшенный в размерах информационный блок передается в Уровень 2, который отделяет заголовок Уровня 2, анализирует его, чтобы узнать о действиях, которые он должен выполнить, и т.д. Когда информационный блок наконец доходит до прикладной программы Системы В, он должен содержать только оригинальный текст.

Концепция заголовка и собственно данных относительна и зависит от перспективы того уровня, который в данный момент анализирует информационный блок. Например, в Уровне 3 информационный блок состоит из заголовка Уровня 3 и следующими за ним данными. Однако данные Уровня 3 могут содержать заголовки Уровней 4, 5, 6 и 7. Кроме того, заголовок Уровня 3 является просто данными для Уровня 2. Эта концепция иллюстрируется на Рис. 1-3. И наконец, не все уровни нуждаются в присоединении заголовков. Некоторые уровни просто выполняют трансформацию фактических данных, которые они получают, чтобы сделать их более или менее читаемыми для смежных с ними уровней.

Проблемы совместимости.

Эталонная модель OSI не является реализацией сети. Она только определяет функции каждого уровня. В этом отношении она напоминает план для постройки корабля. Точно также, как для выполнения фактической работы по плану могут быть заключены контракты с любым количеством кораблестроительных компаний, любое число поставщиков сети могут построить протокол реализации по спецификации протокола. И если этот план не будет предельно понятным, корабли, построенные различными компаниями, пользующимися одним и тем же планом, пусть незначительно, но будут отличаться друг от друга. Примером самого незначительного отличия могут быть гвозди, забитые в разных местах.

Чем объясняется разница в реализациях одного и того же плана корабля (или спецификации протокола)? Частично эта разница вызвана неспособностью любой спецификации учесть все возможные детали реализации. Кроме того, разные люди, реализующие один и тот же проект, всегда интерпретируют его немного по-разному. И наконец, неизбежные ошибки реализации приводят к тому, что изделия разных реализаций отличаются исполнением. Этим объясняется то, что реализация протокола Х одной компании не всегда взаимодействует с реализацией этого протокола, осуществленной другой компанией.

Уровни OSI.

После того, как стали понятными основные особенности принципа деления на уровни модели OSI, можно приступить к обсуждению каждого отдельного уровня и его функций. Каждый уровень имеет заранее заданный набор функций, которые он должен выполнить для того, чтобы связь могла состояться.

Прикладной уровень

Прикладной уровень - это самый близкий к пользователю уровень OSI. Он отличается от других уровней тем, что не обеспечивает услуг ни одному из других уровней OSI; однако он обеспечивает ими прикладные процессы, лежащие за пределами масштаба модели OSI. Примерами таких прикладных процессов могут служить программы обработки крупномасштабных таблиц, программы обработки слов, программы банковских терминалов и т.д.

Прикладной уровень идентифицирует и устанавливает наличие предполагаемых партнеров для связи, синхронизирует совместно работающие прикладные программы, а также устанавливает соглашение по процедурам устранения ошибок и управления целостностью информации. Прикладной уровень также определяет, имеется ли в наличии достаточно ресурсов для предполагаемой связи.

Представительный уровень

Представительный уровень отвечает за то, чтобы информация, посылаемая из прикладного уровня одной системы, была читаемой для прикладного уровня другой системы. При необходимости представительный уровень осуществляет трансляцию между множеством форматов представления информации путем использования общего формата представления информации.

Представительный уровень занят не только форматом и представлением фактических данных пользователя, но также структурами данных, которые используют программы. Поэтому кроме трансформации формата фактических данных (если она необходима), представительный уровень согласует синтаксис передачи данных для прикладного уровня.

Сеансовый уровень

Как указывает его название, сеансовый уровень устанавливает, управляет и завершает сеансы взаимодействия между прикладными задачами. Сеансы состоят из диалога между двумя или более объектами представления (как вы помните, сеансовый уровень обеспечивает своими услугами представительный уровень). Сеансовый уровень синхронизирует диалог между объектами представительного уровня и управляет обменом информации между ними. В дополнение к основной регуляции диалогов (сеансов) сеансовый уровень предоставляет средства для отправки информации, класса услуг и уведомления в исключительных ситуациях о проблемах сеансового, представительного и прикладного уровней.

Транспортный уровень

Граница между сеансовым и транспортным уровнями может быть представлена как граница между протоколами прикладного уровня и протоколами низших уровней. В то время как прикладной, представительный и сеансовый уровни заняты прикладными вопросами, четыре низших уровня решают проблемы транспортировки данных.

Транспортный уровень пытается обеспечить услуги по транспортировке данных, которые избавляют высшие слои от необходимости вникать в ее детали. В частности, заботой транспортного уровня является решение таких вопросов, как выполнение надежной транспортировки данных через объединенную сеть. Предоставляя надежные услуги, транспортный уровень обеспечивает механизмы для установки, поддержания и упорядоченного завершения действия виртуальных каналов, систем обнаружения и устранения неисправностей транспортировки и управления информационным потоком (с целью предотвращения переполнения системы данными из другой системы).

Сетевой уровень

Сетевой уровень - это комплексный уровень, который обеспечивает возможность соединения и выбор маршрута между двумя конечными системами, подключенными к разным "подсетям", которые могут находиться в разных географических пунктах. В данном случае "подсеть" - это по сути независимый сетевой кабель (иногда называемый сегментом).

Т.к. две конечные системы, желающие организовать связь, может разделять значительное географическое расстояние и множество подсетей, сетевой уровень является доменом маршрутизации. Протоколы маршрутизации выбирают оптимальные маршруты через последовательность соединенных между собой подсетей. Традиционные протоколы сетевого уровня передают информацию вдоль этих маршрутов.

Канальный уровень

Канальный уровень (формально называемый информационно-канальным уровнем или уровнем звена передачи данных) обеспечивает надежный транзит данных через физический канал. Выполняя эту задачу, канальный уровень решает вопросы физической адресации (в противоположность сетевой или логической адресации), топологии сети, линейной дисциплины (каким образом конечной системе использовать сетевой канал), уведомления о неисправностях, упорядоченной доставки блоков данных и управления потоком информации.

Физический уровень

Физический уровень определяет электротехнические, механические, процедурные и функциональные характеристики активации, поддержания и дезактивации физического канала между конечными системами. Спецификации физического уровня определяют такие характеристики, как уровни напряжений, синхронизацию изменения напряжений, скорость передачи физической информации, максимальные расстояния передачи информации, физические соединители и другие аналогичные характеристики.

Важнейшие термины и концепции.

Наука об объединении сетей, как и другие науки, имеет свою собственную терминологию и научную базу. К сожалению, ввиду того, что наука об объединении сетей очень молода, пока что не достигнуто единое соглашение о значении концепций и терминов объединенных сетей. По мере дальнейшего совершенствования индустрии объединенных сетей определение и использование терминов будут более четкими.

Адресация

Существенным компонентом любой системы сети является определение местонахождения компьютерных систем. Существуют различные схемы адресации, используемые для этой цели, которые зависят от используемого семейства протоколов. Другими словами, адресация AppleTalk отличается от адресации TCP/IP, которая в свою очередь отличается от адресации OSI, и т.д.

Двумя важными типами адресов являются адреса канального уровня и адреса сетевого уровня. Адреса канального уровня (называемые также физическими или аппаратными адресами), как правило, уникальны для каждого сетевого соединения. У большинства локальных сетей (LAN) адреса канального уровня размещены в схеме интерфейса; они назначаются той организацией, которая определяет стандарт протокола, представленный этим интерфейсом. Т.к. большинство компьютерных систем имеют одно физическое сетевое соединение, они имеют только один адрес канального уровня. Роутеры и другие системы, соединенные с множеством физических сетей, могут иметь множество адресов канального уровня. В соответствии с названием, адреса канального уровня существуют на Уровне 2 эталонной модели ISO.

Адреса сетевого уровня (называемые также виртуальными или логическими адресами) существуют на Уровне 3 эталонной модели OSI. В отличие от адресов канального уровня, которые обычно существуют в пределах плоского адресного пространства, адреса сетевого уровня обычно иерархические. Другими словами, они похожи на почтовые адреса, которые описывают местонахождение человека, указывая страну, штат, почтовый индекс, город, улицу, адрес на этой улице и наконец, имя. Хорошим примером одноуровневой адресации является номерная система социальной безопасности США, в соответствии с которой каждый человек имеет один уникальный номер, присвоенный ему службой безопасности.

Иерархические адреса делают сортировку адресов и повторный вызов более легкими путем исключения крупных блоков логически схожих адресов в процессе последовательности операций сравнения. Например, можно исключить все другие страны, если в адресе указана страна "Ирландия". Легкость сортировки и повторного вызова являются причиной того, что роутеры используют адреса сетевого уровня в качестве базиса маршрутизации.

Адреса сетевого уровня различаются в зависимости от используемого семейства протоколов, однако они, как правило, используют соответствующие логические разделы для нахождения компьютерных систем в объединенной сети. Некоторые из этих логических разделов базируются на физических характеристиках сети (таких, как сегмент сети, в котором находится какая-нибудь система); другие логические разделы базируются на группировках, не имеющих физического базиса (например, "зона" AppleTalk).

Блоки данных, пакеты и сообщения

После того, как по адресам установили местоположение компьютерных систем, может быть произведен обмен информацией между двумя или более системами. В литературе по объединенным сетям наблюдается непоследовательность в наименовании логически сгруппированных блоков информации, которая перемещается между компьютерными системами. "блок данных", "пакет", "блок данных протокола", "PDU", "сегмент", "сообщение" - используются все эти и другие термины, в зависимости от прихоти тех, кто пишет спецификации протоколов.

В настоящей работе термин "блок данных" (frame) обозначает блок информации, источником и пунктом назначения которого являются объекты канального уровня. Термин "пакет" (packet) обозначает блок информации, у которого источник и пункт назначения - объекты сетевого уровня. И наконец, термин "сообщение" (message) oбoзначает информационный блок, у которого объекты источника и места назначения находятся выше сетевого уровня. Термин "сообщение" используется также для обозначения отдельных информационных блоков низших уровней, которые имеют специальное, хорошо сформулированное назначение.

Основные организации, занимающиеся стандартизацией объединенных сетей

Без услуг нескольких основных организаций по стандартизации, в области об'единенных сетей было бы значительно больше хаоса, чем его имеется в настоящее время. Организации по стандартизации обеспечивают форум для дискуссий, помогают превратить результаты дискуссий в официальные спецификации, а также распространяют эти спецификации после завершения процесса стандартизации.

Большинство организаций по стандартизации выполняют специфичные процессы, чтобы превратить идеи в официальные стандарты. И хотя у различных организаций эти процессы немного отличаются, они схожи в том, что проходят через несколько раундов организации идей, обсуждения этих идей, разработки проектов стандартов, голосования по всем или некоторым аспектам этих стандартов и наконец, официального выпуска завершенных стандартов.

Вопрос 4. Пакетная, диалоговая, се­тевая технологии обработки данных.

На выбор того или иного способа обработки данных в ЭИС влияет очень большое количество факторов, связанных как с самим объектом управления, так и управляющей системой. Количество возможных вариантов построения технологического процесса обработки данных оказывается довольно значительным. Поэтому с целью облегчения изучения и проектирования этих процессов целесообразно выделять некоторые классы процессов.

При этом существенное влияние на классификацию оказывают возможные режимы обработки данных в вычислительных системах (ВС). Целесообразно выделять режимы работы и режимы эксплуатации вычислительных систем.

Режимы эксплуатации во многом связаны с повышением эффективности работы пользователей. Режимы работы в основном определяют эффективность работы ВС.

Эффективность работы ВС часто характеризуется ее производительностью. Большое влияние на производительность оказывает возможность совмещения в системе работы устройств ввода-вывода и центрального процессора. Такую возможность обеспечивает использование в системе многопрограммного режима работы. Наличие нескольких процессоров также влияет на повышение производительности. Такой режим работы системы именуется многопроцессорным.

Полезно рассмотреть и некоторые режимы эксплуатации вычислительной системы. К ним относится режим пакетной обработки (off-line), (объединение нескольких ПП в группу, называемую пакетом). Для данного режима характерно минимальное вмешательство оператора, высокая эффективность работы ВС, но большие затраты времени на ожидание результата. Ускорение выдачи результата возможно с использованием режима работы системы, называемого параллельной обработкой или квантованием времени для пакетной обработки. Т.е. каждой прикладной программе из группы выделяется квант времени, по истечении которого управление передается следующей программе. Это позволяет получить результаты по коротким программам до окончания обработки всего пакета.

Еще больше увеличивает скорость ответа системы пользователю возможность непосредственного доступа, осуществляемого в оперативном режиме обработки (on-line). При многопрограммном режиме работы ЭВМ с использованием квантования времени и режима непосредственного доступа получается режим, именуемый разделением времени (time-sharing).

Задачи, решаемые в АСУ можно подразделить на задачи, которые требуют немедленного ответа, и задачи, допускающие определенную задержку ответа. Для задач с немедленным ответом предназначен режим реального времени. Он характеризуется дистанционной обработкой информации, или телеобработкой. Телеобработка применима и для других режимов (например, для пакетного), позволяет передавать пакеты на обработку ЭВМ и получать результаты пользователям, находящимся на значительном расстоянии от нее. Для передачи данных часто используются каналы связи.

Выбор того или иного режима эксплуатации вычислительной системы определяется параметрами решаемых задач. Когда пользователь имеет доступ к какому-либо терминалу и в обработке участвует небольшой объем данных (что характерно для информационного поиска и обработки сообщений) целесообразно использовать непосредственный доступ с немедленной обработкой.

Для больших объемов информации и некритичности времени обработки характерен пакетный режим. Он сочетается с телеобработкой, что обеспечивает более быструю доставку результатов пользователю.

Подготовленные и введенные в ВС данные в процессе хранения располагаются, как правило, на внешних накопителях информации.

Идеология, положенная в основу организации системы хранения, во многом определяет технологию внутримашинной обработки данных. Т.е., рост избыточности информационных массивов, возрастание суммарного объема архивов данных на МН и соответственно рост машинного времени и численности работников приводят к необходимости организации хранения данных в виде банка данных, что облегчает внесение изменений в массивы.

Значительная часть информации подлежит переработке, хранению, передаче, сбору, доведению до пользователей, остальная часть информации поступает извне или вырабатывается внутри производства. Т.е. можно говорить о процессах циркуляции и переработке информации (информационных процессах).

Обще ПО состоит из операционной системы (ОС), Системы программирования, Программы технического обслуживания.

Операционная система (ОС) представляет собой программу, которая автоматически загружается при включении компьютера и представляет пользователю базовый набор команд, с помощью которых можно осуществлять общение с компьютером и ряд действий запустить программу, отформатировать дискету, скопировать файл и т. д.

Операционные системы делятся на однопрограммные, многозадачные и многопользовательские. К однопрограммным ОС относится MS DOS. Многозадачная Windows позволяет одновременно работать с несколькими приложениями. Многопользовательская ОС Windows NT обеспечивает совместную работу нескольких пользователей одновременно.

Однопрограммные ОС поддерживают пакетные технологии. Пакетная технология, или пакетный режим обработки данных, означает, что задания объединяются в пакет, а затем выполняются на ЭВМ без вмешательства пользователя. Задание – представляет собой последовательность команд операционной системы для указания нужных характеристик и имён выполняемых программ и обрабатываемых её данных.

Пакетная обработка данных — организация выполнения нескольких программ в определенной последовательности с помощью команд операционной системы. Пакетная обработка организуется с помощью пакетных файлов.

Многопрограммные ОС поддерживают как пакетную технологию, так и диалоговую технологию. Диалоговая технология или диалоговый режим обработки данных, означает обмен сообщениями между пользователем и системой в реальном времени, т. е. В темпе реакции пользователя, или в режиме разделения времени, когда процессорное время предоставляется различным задачам (пользователям) последовательными квантами.

Многопользовательские ОС поддерживают сетевую технологию. Сетевая технология обеспечивает удалённую диалоговую и пакетную технологии.

Разнообразие технических средств и операционных систем вызвало необходимость ввести понятие платформы. Платформа определяет тип компьютера и ОС, а также добавочное оборудование, на которые можно установить необходимую ИТ. Она имеет сложную структуру. Главным компонентом является тип компьютера, определяемый типом процессора: Macintosh, Atary, Sincler, Intel и т. д. Следующим компонентом является ОС, работающая на том или ином типе процессора: например операционные системы MS DOS и Windows работают на ПК оснащённых процессорами от фирмы Intel и не совместимы с процессорами Macintosh от фирмы Apple.

Многие ИТ не зависят от добавочного оборудования и наличия других программных средств. Их называют компьютерными ИТ. Например, к ним относят текстовые, графические и табличные процессоры.

Часть ИТ зависит от типа добавочного оборудования. Например, сетевые ИТ зависят от типа сетевого оборудования: модемов, адаптеров, каналов связи и т. д. и программных средств их обслуживающих.

Часть ИТ требует дополнительного оборудования и специальных программных средств его обслуживания. Например, в технологии мультимедиа используются приводы CD-ROM, видео карты, звуковые карты и т. д.

Вернёмся к рассмотрению видов программных средств общего ПО.

Системы программирования в основном используются для проектирования ЭИС и представляют язык программирования и программу перевода (компилятор, интерпретатор) с этого языка в машинные коды.

Наиболее перспективным является объектно-ориентрованное программирование. Например большинство широко распространённого ППО написано на объектно ориентированном языке программирования Си ++.

Программы технического обслуживания предоставляют сервис для эксплуатации компьютера, выявления ошибок при сбоях, восстановления испорченных программ и данных.

Прикладное ПО определяет разнообразие информационных технологий и состоит из отдельных прикладных программ или пакетов, называемых приложениями.

Для использования части приложений требуется квалификация проектировщика. Ряд приложений могут применять все пользователи.

Прикладное ПО состоит из Средств проектирования и Средств использования.

В свою очередь Средства проектирования состоят из СУБД, систем автоматизации проектирования (САПР), системы электронного документооборота (СЭД), типовых пакетов прикладных программ (ППП).

Средства использования зависят от типа используемой информации и состоят из текстовых, табличных и графических процессоров, электронной почты, интегрированных ППП.

Из краткого обзора программно-технических средств видно, что существуют технологические цепочки проектирования и обработки данных в ЭИС. Технологическая цепочка проектирования образует технологический процесс проектирования. Состоящий из следующих основных этапов: разработка схемы данных, меню действий, схемы ресурсов системы, работы системы, взаимодействия программ, схемы программ.

Схема данных отображает путь данных при решении задач и определяет этапы обработки, а также применяемые носители данных.

Меню действий – это горизонтальный список объектов на экране, представляющих группу действий, доступных пользователю для выбора.

Схема ресурсов системы отображает конфигурацию блоков данных и обрабатывающих блоков, которая требуется для решения задач.

Схема программы отображает последовательность операций в программе, т. е. её алгоритм.

Схема взаимодействия программ – это путь активации программ и взаимодействий с соответствующими данными.

В технологическом процессе выделяют операции и этапы.

Операция – это совокупность элементарных действий, выполняемых на одном рабочем месте, которая приводит к реализации определённой обработки данных. Под операцией понимается любой процесс, связанный с обработкой данных.

Этап – это совокупность взаимосвязанных операций, которые реализуют определённую законченную функцию обработки данных.

В технологическом процессе выделяют следующие этапы: первичный, предварительный, основной и заключительный.

На первичном этапе производится сбор, регистрация и передача информации на обработку. На предварительном этапе осуществляется приём и визуальный контроль данных, регистрация, кодирование, комплектование, подсчёт контрольных сумм, перенос на машинный носитель, заполнение, формирование первичного документа, подпись.

Визуальный контроль проверяет чёткость заполнения, наличие подписей, отсутствие пропуска реквизитов и т. д. В случае ошибок предусматривается операция исправления, которую обычно выполняет источник данных.

Для сокращения объёма вводимой информации и промежуточных файлов вводится операция кодирования, т. е. присвоения кодов одному или нескольким реквизитам. Обычно кодируются наименования, для чего разработаны специальные справочники и классификаторы.

Комплектование данных – вынужденная операция. При вводе больших объёмов данных их разбивают на комплекты (пачки). Каждой пачке присваивается номер, который также вводится. Комплектование облегчает поиск и исправление ошибок, обеспечивает контроль полноты вводимых данных, позволяет прервать процесс ввода или подготовки данных на машинном носителе.

Подсчёт контрольных сумм выполняется по группам реквизитов или по всему документу (записи) для обеспечения достоверности данных.

Операция переноса на машинный носитель – это запись информации на перфоленту, перфокарту, магнитную ленту или магнитный диск, лазерный диск.

Операция вода данных – одна из основных и сложных операций технологического процесса. Данные могут быть представлены в виде бумажного документа, электронной таблицы, штрих кода, вводится с клавиатуры и т. д. Ввод обязательно сопровождается операцией контроля, так как неверные данные нет смысла обрабатывать.

Контроль безопасности данных и систем подразделяется на контроль достоверности данных, безопасности данных и компьютерных систем.

Контроль достоверности данных выполняется во время ввода и обработки. Средства безопасности данных и программ защищают их от копирования, искажения, несанкционированного доступа. Средства безопасности компьютерных систем обеспечивают защиту от кражи, вирусов, неправильной работы пользователей, несанкционированного доступа.

Сортировка используется для упорядочения записей файла по одному или нескольким ключам. Запись – это минимальная единица обмена между программой и внешней памятью. Файл – это совокупность записей.(более универсальное определение: файл – это поименованная область на диске или другом носителе информации). Ключ – это реквизит или группа реквизитов, служащих для идентификации записей. Расчёт – это операция, позволяющая выполнить требуемые вычисления для получения результатов или промежуточных данных. Формирование отчётов – это операция оформления результатов для вывода и передачи потребителю в привычном для него виде. Вывод – это операция вывода результатом на печать, в базу данных, файл, дисплей, по сети ЭВМ.

Вопрос 5. Режимы реального и разделен­ного времени. Гипертекст, мультимедиа.

Обработка данных в реальном времени, методика обработки данных при помощи прикладных компьютерных программ, реагирующих на события тогда, когда они происходят. Данные поступают, обрабатываются, и ответ выдается в течение времени, заданного внешними событиями. Иными словами, ответ фактически немедленный. Системы в реальном масштабе времени используются в службах управления воздушным движением, в автоматических банках данных, в автопилотах летательных аппаратов и во многих военных прикладных программах.

Разделение времени и многозадачность

Уже пакетный режим в своём развитом варианте требует разделения процессорного времени между выполнением нескольких программ.

Необходимость в разделении времени (многозадачности, мультипрограммировании) проявилась ещё сильнее при распространении в качестве устройств ввода-вывода телетайпов (а позднее, терминалов с электронно-лучевыми дисплеями) (1960-е годы). Поскольку скорость клавиатурного ввода (и даже чтения с экрана) данных оператором много ниже, чем скорость обработки этих данных компьютером, использование компьютера в «монопольном» режиме (с одним оператором) могло привести к простою дорогостоящих вычислительных ресурсов.

Разделение времени позволило создать «многопользовательские» системы, в которых один (как правило) центральный процессор и блок оперативной памяти соединялся с многочисленными терминалами. При этом часть задач (таких как ввод или редактирование данных оператором) могла исполняться в режиме диалога, а другие задачи (такие как массивные вычисления) — в пакетном режиме.

Дата добавления: 2014-01-07