Управление вычислительным процессом с помощью программы находящейся в памяти эвм является
Один из принципов построения ЭВМ, предложенных Дж. фон Нейманом - наличие хранимой в памяти программы. Процессор исполняет программный код, находящийся к моменту исполнения в пространстве памяти. Программный код - это последовательность команд, или инструкций,каждая из которых определенным образом закодирована и расположена в целом числе смежных байт памяти. Каждая инструкция обязательно имеетоперационную часть, несущую процессору информацию о требуемых действиях. Операндная часть, указывающая процессору, где находится его "предмет труда" - операнды, может присутствовать в явном или неявном виде и даже отсутствовать. Операндная часть может описывать от нуля до двух операндов, участвующих в данной инструкции (есть инструкции, в которые кроме двух операндов задается еще и параметр инструкции). Здесь могут быть сами значения операндов (непосредственные операнды); явные или неявные указания на регистры процессора, в которых находятся операнды; адрес ячейки памяти (или его составная часть); регистры процессора, участвующие в формировании адреса, и разные комбинации этих компонент. Длина инструкции в семействе x86 может быть от одного до 12 байт и определяется типом инструкции. Исторически сложившийся формат инструкций х86 довольно сложен, и "понять", сколько байт занимает конкретная инструкция, процессор может, лишь декодировав ее первые 1-3 байт. Инструкции могут предшествовать префиксы (к счастью, всегда однобайтные), указывающие на изменение способа адресации, размера операнда или (и) необходимость многократного (по счетчику и условию) повторения данной инструкции. Адрес (логический) текущей исполняемой инструкций хранится в специальном регистре - указателе инструкций (Instruction Pointer, IP), который соответствует счетчику команд фон-неймановской машины. После исполнения так называемой линейной инструкции этот указатель увеличивает свое значение на ее длину, то есть указывает на начало следующей инструкции. Линейная инструкция не нарушает порядок выполнения, определяемый последовательностью расположения инструкций в памяти (по нарастанию адреса). Кроме линейных инструкций, существуют инструкции передачи управления, среди которых различают инструкции переходов и вызовов процедур. Эти инструкции в явном или неявном виде содержат информацию об адресе следующей выполняемой инструкции, который может указывать на относительно произвольную ячейку памяти. Инструкции переходов и вызовов могут быть безусловными (ни от чего не зависящими) и условными. Произойдет условный переход (вызов) или нет, зависит от состояния флагов (признаков) на момент исполнения данной инструкции. Если переход (вызов) не состоится, то исполняется инструкция, расположенная в памяти следом за текущей. Вызов процедуры характерен тем, что перед ним процессор сохраняет в стеке (стек - это область ОЗУ) адрес следующей инструкции, и на этот адрес передается управление после завершения исполнения процедуры (этот адрес извлекается из стека при выполнении инструкции возврата). При переходе в стеке ничего не сохраняется, то есть переход выполняется безвозвратно.
Последовательность исполнения инструкций, предписанная программным кодом, может быть нарушена под воздействием внутренних или внешних (относительно процессора) причин. К внутренним причинам относятся исключения (exceptions) - особые ситуации, возникающие при выполнении инструкций. Наглядным примером исключений является попытка деления на ноль. При возникновении условия исключения процессор автоматически выполняет вызов процедуры обработки исключения, после которой он может вернуться к повторному исполнению инструкции, породившей исключение или следующей за ней. Вариант поведения зависит от типа произошедшего исключения. Исключения широко используются современными операционными системами, на основе обработки исключений строится система виртуальной памяти и реализуются многие функции многозадачных операционных систем. Внешними причинами изменения нормальной последовательности инструкций являются аппаратные прерывания - вызовы процедур под воздействием электрических сигналов, поступающих на специальные выводы процессора. Эти сигналы могут подаваться совершенно неожиданно для исполняемой программы, правда, у программиста есть возможность заставить процессор (компьютер) игнорировать все прерывания или их часть. Злоупотреблять этой возможностью нельзя (да и не всегда она есть), поскольку на аппаратных прерываниях строится, например, отсчет времени и другие системные и прикладные функции компьютера. Источниками аппаратных прерываний являются контроллеры и адаптеры периферийных устройств, генераторы меток времени, системы управления питанием и другие подсистемы.
Есть еще так называемые программные прерывания, но они отнюдь не нарушают последовательность инструкций, предписанную программистом. Поэтому прерываниями они по сути не являются - это всего лишь особый способ вызова процедур, широко используемый для вызова системных сервисов BIOS и операционной системы. И наконец, последовательность инструкций может изменяться по сигналу аппаратного сброса или инициализации процессора. С этого, собственно, и начинается функционирование компьютера: процессор переводится в исходное состояние и запускается. При этом указатель инструкций совместно с другими регистрами, участвующими в формировании адреса инструкции, генерирует адрес "начального пуска". По этому адресу должна располагаться инструкция, с которой начинается инициализация компьютера.
В процессоре предусматривается возможность выполнения большого числа различных операций. Несмотря на то что число таких операций может быть более 100, каждая из них представляет собой простейшие арифметические либо логические действия, такие, например, как сложение, вычитание, умножение и деление чисел, пересылка кодов и т.п. При этом в каждой операции участвует не более двух операндов. В связи с этим решаемая задача должна быть предварительно представлена последовательностью таких операций, которые способна выполнять ЭВМ. Затем на каждую из этих операций должна быть составлена так называемая команда. Совокупность команд, образующая программу решения задачи, должна быть помещена в ОЗУ.
Команда должна содержать все необходимые для выполнения операции указания: вид операции, место, где хранятся операнды данной операции и куда должен быть помещен результат операции. Такая команда имеет следующий формат:
Здесь КОп -- код операции. В каждой ЭВМ предусматривается определенная система кодирования операций. Например, может быть принят следующий способ записи вида операции: 01 -- сложение, 02 -- вычитание, 03 -- умножение и т.д.; А1 -- первый адрес -- адрес ячейки оперативной памяти, в которой хранится первый операнд; А2 -- второй адрес -- адрес второго операнда; А3 -- третий адрес -- адрес ячейки оперативной памяти, в которую должен помещаться результат операции. Команда с таким содержанием называется трехадресной.
Результат операции в этом случае помещается в ячейку одного из операндов либо остается в АЛУ.
При таком формате для выполнения одного арифметического действия над двумя числами от машины может потребоваться исполнение нескольких команд. Например, для сложения двух чисел необходимо выполнить три команды:
- · ввести в АЛУ число, хранящееся в оперативной памяти (ОЗУ) по приведенному в команде адресу;
- · прибавить к принятому числу число, хранящееся в памяти по указанному в команде адресу;
- · поместить полученный в АЛУ результат в память по адресу, указанному в данной команде.
Широкое распространение получили машины с переменной адресностью. В них при выполнении операций операнды (один либо оба) могут выбираться не из оперативной памяти, а из местной (СОЗУ). Команды этих машин по существу являются двухадресными, но оба адреса либо один из них могут быть адресами не оперативной памяти, а регистров местной памяти АЛУ.
Рассмотрим взаимодействие устройств ЭВМ в процессе решения задачи. Для определенности примем, что рассматриваемая ЭВМ является трехадресной. Перед решением задачи набор команд, образующий программу решения, помещается в последовательные ячейки оперативной памяти так, что адрес ячейки, содержащей следующую команду, на единицу больше адреса ячейки, в которую помещена предыдущая команда.
Процесс реализации программы состоит в последовательной выборке из ОЗУ команд и их исполнении. Вызванная из ОЗУ в устройство управления (УУ) очередная команда хранится в нем все время исполнения операции. УУ выбирает из команды первый адрес А1, пересылает его в ОЗУ и подает сигнал считывания. Из ОЗУ выдается первый операнд. УУ подает в АЛУ сигнал отпирания входов регистра, в который должен быть принят этот операнд. Аналогично по второму адресу А2 производится передача из ОЗУ в АЛУ второго операнда. Затем УУ подает в АЛУ управляющие сигналы, под действием которых выполняется предусмотренная командой операция. После получения результата операции УУ передает в ОЗУ третий адрес А3, подает сигнал записи и открывает выход регистра АЛУ, хранящего результат операции.
Далее в ОЗУ передается адрес очередной команды, сформированной в УУ (например, путем увеличения на единицу адреса предыдущей команды), в УУ поступает следующая команда и т.д.
При изучении операционных систем необходимо определить следующие основные понятия: вычислительный процесс, ресурс, поток, прерывание, операционная система, операционная среда.
Вычислительный процесс
Под вычислительным процессом будем понимать выполнение какой-либо программы с ее данными на процессоре. Вычислительный процесс требует задания исходных данных, их обработки, записи результатов обработки и, возможно, их последующего хранения.
Вычислительным процессом может являться выполнение прикладных программ пользователей, системных программ управления выполнением программ пользователей, программ системной обработки данных и т.д. синонимом термина «процесс» служит термин «задача».
Для того, что бы программа могла выполняться она должна храниться в системе. Местом хранения программы может быть оперативная память, дисковая память, внешние устройства памяти. Если программа хранится в оперативной памяти, она называется резидентной. Если программа записана во внешней памяти на системном магнитном диске ЭВМ и загружается в оперативную память только на время выполнения, то она называется диск-резидентной.
Ресурс
Под ресурсом будем понимать некоторую характеристику средства, которая требуется для выполнения вычислительного процесса. К таким средствам, в частности, относятся:
- процессор (для выполнения вычислительного процесса важен промежуток времени, в течение которого происходит обработка данных в процессоре, производительность которого является постоянной; это время называется процессорным временем; фактически, эта характеристика и принимается за ресурс),
- оперативная, и дисковая память ЭВМ (характеризуется объемом), необходимые для обработки данных;
- каналы ввода-вывода для считывания исходных данных и записи результатов обработки;
- каналы обмена данными при работе вычислительных средств в сети (характеристикой является единица средства, т.е. само средство или количество средств).
Вычислительный процесс запрашивает ресурс у вычислительной системы. При одновременном выполнении нескольких вычислительных процессов один и тот же ресурс может быть затребован ими. Вместе с тем ресурс может быть разделяемым или неделимым.
Если ресурс не может принадлежать разным процессам он называется неделимым. Ресурс является разделяемым, когда разные процессы могут его использовать одновременно или попеременно.
Процессорное время делится попеременно. Существует большое количество способов разделения этого ресурса. Эту функцию выполняют специальные системные программы, называемые диспетчерами процессов или диспетчерами задач.
Оперативная память может быть разделена одновременно и попеременно. Одновременное выделение памяти нескольким процессам означает, что в памяти одновременно могут располагаться несколько процессов или фрагменты процессов, стоящие в очереди на выполнение. Попеременное выделение состоит в том, что в разные моменты времени оперативная память предоставляется поочередно разным процессам.
Внешняя память и доступ к ней являются разными видами ресурсов. Разные процессы одновременно часто имеют выделенные им области внешней памяти. Однако доступ для записи или считывания информации одновременно может быть выделен только одному из процессов. Поэтому доступ к внешней памяти предоставляется процессам попеременно.
Доступ к внешним устройствам может быть одновременным или попеременным в зависимости от типа устройства.
Под программным ресурсом обычно понимают системные программы, доступ к которым требуется определенным процессам.
Программные модули могут быть однократно и повторно используемые. Однократно используемые модули в процессе их выполнения допускают стирание части своих кодов и, поэтому, могут быть выделены только одному процессу. Таким образом, они являются неделимым ресурсом.
Повторно используемые модули планируемого стирания кодов не допускают и могут быть предоставлены различным процессам. Данные модули можно разделить на следующие типы: привилегированные, непривилегированные и реентерабельные программные модули.
Привилегированные программные модули не допускают своего прерывания и при их запуске выполняются до конца. После этого этот модуль может быть востребован другим процессом. Таким образом, модули данного типа могут быть отнесены к попеременно разделяемым ресурсам.
Непривилегированными программными модулямиявляются все обычные модули, выполнение которых может быть прервано системой. Однако, при этом, если не проводить специальных действий по сохранению информации, прерывание выполнение такого модуля влечет потерю полученных результатов вычислений. Поэтому модули этого типа должны принадлежать конкретному процессу и являются неразделяемым ресурсом.
Реентерабельные программные модули допускают прерывание своего исполнения и запуск этого модуля в интересах другого процесса. Информация при этом не теряется вследствие наличия в этих модулях специального механизма динамического выделения памяти. Этот механизм обеспечивает выделение дополнительных областей памяти для записи промежуточных результатов вычислений при каждом обращении к модулю из нового процесса. Количество таких обращений ограничено свободными объемами памяти. Таким образом, реентерабельные модули могут одновременно использоваться несколькими процессами и, в связи с этим, рассматриваться как одновременно используемый ресурс.
По порядку использования ресурсов организацию вычислительных процессов разделим на последовательную, одновременную и параллельную.
Вычислительная система обязана распределять и контролировать использование своих ресурсов.
При последовательномтипе организации процессов требуемые ресурсы в необходимом порядке выделяются сначала одному процессу, затем, по окончании первого, другому, затем следующему. В этих случаях освободившиеся ресурсы «простаивают» и не могут быть заняты следующим процессом, так он не является активным.
Параллельнаяорганизация вычислительных процессов подразумевает такую последовательность распределения ресурсов, при которой освободившийся ресурс может быть востребован другим процессом. При этом типе организации вычислительная система должна иметь несколько управляемых средств, характеризуемых определенным ресурсом. В частности, для организации параллельного режима распределения процессорного времени, объема и доступа к памяти и канала ввода-вывода система должна иметь процессор, контроллер доступа к блокам памяти, контроллер управления канала ввода-вывода.
Одновременныйтип вычислительного процесса требует несколько цепочек требуемых средств. В рамках одной цепочки процесс является последовательным. Одновременное использование такого ресурса как процессорное время требует использование многопроцессорных вычислительных систем
Для программы, состоящей из команд и находящейся в памяти, в соответствии с /6/, возможны следующие альтернативные механизмы её исполнения:
1) Команда выполняется после того, как выполнена предшествующая ей команда последовательности. Этот метод соответствует механизму организации вычислительного процесса под управлением последовательностью команд (data flow computer) и характерному для вычислительных машин с классической фон-неймановской (и подобным ей) структурой. Такая модель вычислений называется традиционной.
2) Команда выполняется, когда становятся доступными её операнды. Этот механизм организации вычислительного процесса известен как управляемый данными (dataflow driven) и реализуется потоковыми вычислительными машинами. Данная модель вычислений называется потоковой.
3) Команда выполняется, когда другим командам требуется результат её выполнения. Этот метод организации вычислительного процесса называется механизмом управления по запросу (demand driven) и реализуется редукционными вычислительными машинами. Модель вычислений также называется редукционной.
Более подробно с архитектурой потоковых и редукционных машин можно ознакомиться в /6/. На практике, в т.ч., и при автоматизации производства, эти вычислительные машины пока применяются крайне редко. В подавляющем большинстве современные вычислительные машины имеют традиционную структуру, базирующуюся на концепции Дж. фон Неймана (1903-1957, венгро- американский математик), выдвинутой им во второй половине 40-х годов 20 века. Поэтому далее будут рассматриваться вычислительные машины и системы, реализующие традиционную модель вычислений.
В соответствии с этой концепцией, определена автономно работающая вычислительная машина, содержащая устройство управления (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ), память и устройства ввода-вывода (УВВ), как показано на рисунке 1.1 /1/:
Рисунок 1.1 – Структура вычислительной машины Дж. фон Неймана
Преобразование данных осуществляется последовательно под централизованным управлением от программы, состоящей из команд. Набор команд составляет машинный язык низкого уровня.
Принципы организации вычислительных машин:
1) Двоичное кодирование информации, разделение её на слова фиксированной разрядности.
2) Линейно-адресная организация памяти (N ячеек по n разрядов). Номер ячейки является её адресом. В командах программы адрес является именем переменной, хранящейся в соответствующей ячейке.
3) Представление алгоритма в виде программы, состоящей из команд. Каждая команда определяет шаг выполнения программы и содержит код операции, адреса операндов и другие служебные коды.
4) Хранение команд и данных в одной памяти.
5) Вычислительный процесс организуется как последовательное выполнение команд в порядке, заданном программой.
6) Жёсткость архитектуры – неизменность в процессе работы вычислительной машины, её структуры, списка команд, методов кодирования данных.
При работе вычислительных машин наиболее интенсивное взаимодействие осуществляется между АЛУ и УУ. С развитием элементной базы эти устройства объединили в один блок и назвали процессором. Процессор считывает и выполняет команды программы, организует об ращение к памяти, инициирует работу УВВ. Выборка команды из памяти и её выполнение циклически повторяются. Цикл включает следующие фазы: выборку, дешифрацию, исполнение.
Устройство ввода преобразует входные сигналы к виду, принятому в вычислительной машине. Устройство вывода преобразует выходные сигналы в форму, удобную для восприятия человеком (тексты, графические образы и т.д.).
Преимущество фон-неймановской структуры вычислительных машин заключается в возможности улучшения характеристик вычислительных машин за счет улучшения структуры и параметров отдельных связей между её компонентами (Рисунок 1.1). Однако до сегодняшнего момента «узким местом» этой структуры является канал передачи данных между процессором и памятью.
В настоящее время наряду с классической фон-неймановской структурой вычислительных машин применяется способ построения вычислительных машин на основе общей шины /6/. В этом случае все устройства вычислительной машины подключены к магистральной шине, служащей единственным трактом для потоков команд, данных, управления, как показано на рисунке 1.2.
Шинная архитектура получила широкое распространение в мини - и микро-ЭВМ благодаря упрощённой реализации и лёгкой замене компонентов.
Рисунок 1.2 – Структура вычислительной машины на основе общей шины
В каждый момент времени передавать информацию по шине может только одно устройство, что является основным недостатком данного способа построения вычислительных машин.
Конструктивные принципы построения вычислительных машин определяют способы конструктивного исполнения её устройств, организации пространственных механических и электрических связей между устройствами и узлами. Наиболее значимым является принцип «открытой» архитектуры, согласно которому вычислительная машина рассматривается как гибкая, легко расширяемая модульная система, способная к адаптации и совершенствованию.
Рассмотрим конструктивные принципы построения вычислительных машин на примере наиболее распространённого класса настольных моделей персональных компьютеров (ПК). ПК содержит следующие типы связанных в систему конструктивно обособленных устройств: системный блок, монитор, клавиатуру, мышь, принтер.
Системный блок одержит все основные электронные схемы, обеспечивающие запись, хранение и обработку данных, а также жёсткий диск (HDD), дисковод для гибких магнитных дисков (FDD), привод CD (DVD), блок питания. Основным узлом системного блока является материнская плата, на которой расположены процессор, оперативная память, вспомогательные схемы, разъёмы для плат расширения (модемов, сетевых карт, видеокарт, звуковых карт и др.).
Относительно вычислительных систем также можно выделить два способа их организации: вычислительные системы с общей памятью и распределённые вычислительные системы /6/.
В соответствии с первым способом, в вычислительной системе имеется общая основная память, совместно используемая всеми процессорами системы, что иллюстрирует рисунок 1.3.
Рисунок 1.3 – Структура вычислительной системы с общей памятью
Взаимосвязь процессоров с общей памятью обеспечивается с помощью коммуникационной сети, чаще всего представляющей собой общую шину. Таким образом, структура вычислительной системы с общей памятью аналогична рассмотренной выше структуре вычислительной машины с общей шиной. Вследствие этого ей присущи те же недостатки. Дополнительное достоинство таких вычислительных систем заключается в том, что обмен информацией между процессорами обеспечивается только за счёт доступа к общим областям памяти.
Рисунок 1.4 – Структура распределённой вычислительной системы
Для уменьшения недостатков традиционной структуры вычислительных машин и систем, применяются различные её модификации /9/, в частности, физическое разделение памяти на память команд и память данных. Более подробно такая структура вычислительных машин будет представлена в лекции, посвященной микроконтроллерам.
Рассмотрение подсистемы управления процессами как важнейшей части операционной системы, непосредственно влияющей на функциональность электронной вычислительной машины. Принципы разработки и построения многонитевых механизмов распределения ресурсов ЭВМ.
Рубрика | Программирование, компьютеры и кибернетика |
Вид | курсовая работа |
Язык | русский |
Дата добавления | 29.01.2011 |
Размер файла | 73,6 K |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Дисциплина: "Теория вычислительных процессов"
Тема: " Управление вычислительным процессом "- Введение
- 1. Теоретическая часть
- 1.1 Состояние процессов
- 1.2 Контекст и дескриптор процесса
- 1.3 Алгоритмы планирования процессов
- 1.4 Вытесняющие и невытесняющие алгоритмы планирования
- 1.5 Средства синхронизации и взаимодействия процессов. Проблема синхронизации
- 1.6 Тупики
- 1.7 Нити
- 2. Практическая часть
- 2.1 Критическая секция
- Заключение
- Список использованной литературы
Важнейшей частью операционной системы, непосредственно влияющей на функционирование вычислительной машины, является подсистема управления процессами. Процесс (или по-другому, задача) - абстракция, описывающая выполняющуюся программу. Для операционной системы процесс представляет собой единицу работы, заявку на потребление системных ресурсов. Подсистема управления процессами планирует выполнение процессов, то есть распределяет процессорное время между несколькими одновременно существующими в системе процессами, а также занимается созданием и уничтожением процессов, обеспечивает процессы необходимыми системными ресурсами, поддерживает взаимодействие между процессами.
Вопрос о рациональном использовании возможностей ЭВМ, заложенных в их конструкцию за счет управления вычислительным процессом, встал уже на ранней стадии их применения. Особую остроту он приобрел при создании ЭВМ третьего поколения. Появившиеся в процессе проектирования этих машин проблемы динамического распределения вычислительных ресурсов, одновременно среди многих программ стимулировали многочисленные исследования, связанные с различными аспектами теории управления вычислительным процессом. Достаточная завершенность целого ряда результатов, полученных за последние годы, делает своевременной попытку осветить основные разделы этой теории с единых позиций.
С точки зрения управления вычислительным процессом ЭВМ представляет собой совокупность ресурсов, которые подлежат распределению между программами, пользователями, процессами. Система управления распределением ресурсов ЭВМ должна регулировать их потребление программами в условиях, когда моменты времени поступления программ и количество потребляемых ими ресурсов заранее неизвестны и колеблются в широких пределах. Такие условия функционирования и наличие значительного числа регулируемых параметров позволяют отнести рассматриваемые системы управления к особому классу больших систем, соизмеримых по сложности исследования с экономическими и организационными системами.
Принципиальные трудности, с которыми приходится сталкиваться при разработке механизмов распределения ресурсов ЭВМ, вытекают из двух противоречивых требований, которым должна отвечать организация вычислительного процесса. Эффективное использование ЭВМ предполагает минимизацию простоев ее ресурсов, для чего к каждому из них необходимо создать неисчезающую очередь. Обеспечение же заданного времени решения задач определенной категории пользователей требует ускоренной обработки их программ, чему излишние очереди препятствуют. Таким образом, система управления должна, во-первых, поддерживать неисчезающие очереди к ресурсам ЭВМ, во-вторых, обеспечить обслуживание очередей с возможно большей пропускной способностью и, в-третьих, учитывать ограничения на время выполнения программ.
1. Теоретическая часть
Заключение
При рассмотрении операционных систем с точки зрения концептуальной модели, состоящей из последовательных процессов, работающих параллельно, эффект прерываний скрыт.
Процессы можно динамично создавать и завершать. У каждого процесса есть собственное адресное пространство. Для некоторых приложений удобно иметь несколько потоков управления в одном процессе. Эти потоки планируются независимо друг от друга и у каждого есть собственный стек, но все потоки одного процесса совместно используют общее адресное пространство. Потоки можно реализовать в пространстве пользователя или в пространстве ядра.
Процесс может находиться в состоянии действия, готовности или блокировки и может менять состояние в случае выполнения им примитива межпроцессного взаимодействия.
Электронная вычислительная машина (компьютер) как комплекс технических средств, построенный на электронных элементах, предназначенный для автоматизации процесса обработки информации. Понятие управления и особенности этого процесса. Место в нем ЭВМ.
Рубрика | Государство и право |
Вид | контрольная работа |
Язык | русский |
Дата добавления | 21.03.2018 |
Размер файла | 115,2 K |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Многие задачи в процессах управления требуют формирования таких сложных законов управления объектами, которые не могут быть реализованы традиционными элементами и устройствами автоматики. Так, например, в процессе управления движущимися объектами требуются сложные вычисления с преобразованием координат, решением прямоугольных и сферических треугольников, счислением пути и т. п. Эти задачи решаются с помощью современных средств вычислительной техники, вводимых в контур управления динамической системой или используемых для разнообразных расчетов и поисков оптимальных решений.
Процесс управления, в состав, который входят ЭВМ или иные устройства, осуществляющее обработку цифровой информации, принято называть цифровыми процессами автоматического управления.
Форма представления и способ обработки информации определяют основную особенность работы цифровых процессов и методов синтеза цифровых регуляторов. Дискретный характер сигналов в управляющей ЭВМ вызывает необходимость использования дискретных алгоритмов управления, которые могут быть построены преобразованием соответствующих непрерывных регуляторов. Вместе с тем использование ЭВМ в контуре обратной связи приводит к целому ряду особенностей цифровой системы, обусловленных спецификой взаимодействия ее функциональных элементов, а для построения аналитической модели цифровой системы необходимо принимать во внимание аппаратные средства системы и процессы обмена информацией между ними.
Целью написания данной контрольной работы является, рассмотрение использования ЭВМ в процессах управления.
В связи с поставленной целью в данной работе рассмотрим следующие понятия:
- Понятие ЭВМ и ее структурная организация;
- Понятие управления и процесса управления;
- Использование ЭВМ в процессе управления.
При написании контрольной работы использовались методы такие как, статистическое наблюдение, методы сравнения, анализ.
1.Понятие ЭВМ и ее структурная организация
Электронная вычислительная машина (компьютер) - предназначенный для автоматизации процесса обработки информации комплекс технических средств, построенный на электронных элементах.
Под структурой ЭВМ (компьютера) понимается совокупность входящих в ее состав устройств и связей между ними. Основными структурными составляющими являются: процессоры, память, устройства ввода и вывода данных.
Обобщенная структурная схема ЭВМ включает пять основных функциональных блоков: устройство ввода (УВв), запоминающее устройство (ЗУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ), устройство управления (УУ) и устройство вывода информации (УВыв). В ЭВМ всегда имеется не менее двух типов ЗУ: оперативное (ОЗУ) и внешнее (ВЗУ)
Рис. 3.1. Обобщенная схема взаимодействия блоков компьютера в вычислительном процессе
Программный принцип управления. В основе организации вычислительного процесса на машине лежит принцип программного управления. Для решения задачи на ЭВМ необходимо составить программу. Программа - определенная последовательность команд (инструкций), которая обеспечивает выполнение задачи. Пользователь записывает программы на каком-либо алгоритмическом языке. Однако компьютер работает под управлением программы, переведенной с алгоритмического на машинный язык, который является собственным языком программирования машины. Машинным языком принято считать способ представления программ и исходных данных в доступном для ЭВМ виде, т.е. это формальный язык, предназначенный для описания алгоритма решения задачи, содержание и правило которого реализуются аппаратными средствами конкретной машины. Машинный язык строится на базе системы команд, характерной для данной ЭВМ.
Упрощенная схема вычислительного процесса может быть описана следующим образом. По указанию устройства управления (УУ) управляющая информация (команда) считывается из запоминающего устройства, передается в УУ и расшифровывается. Она определяет, какая операция, и над какими данными должна выполняться в арифметико-логическом устройстве (АЛУ). Получив соответствующие указания и адреса, запоминающее устройство (ЗУ) выдает требуемые числа в АЛУ, где они преобразуются. Результаты обработки пересылаются в ОЗУ на хранение. Окончательная результатная информация из ОЗУ с помощью устройств вывода поступает на дисплей, печатающее устройство или на машинный носитель.
2. Понятие управления и процесса управления
Управление -- это такое входное воздействие или сигнал, в результате которого система ведет себя заданным образом. Обычно управление направлено на то, чтобы система находилась в стационарном режиме (равновесном или периодическом).
Процесс -- это динамический объект, реализующий целенаправленный акт обработки данных. Процессы разделяются на прикладные и системные.
Прикладные процессы реализуют основные функции ЭВМ, заданные прикладными программами или обрабатывающими программами ОС, и инициируются заданиям и пользователей или сигналами, поступающими в ЭВМ из внешней среды. Примеры прикладных процессов: решение прикладной задачи; редактирование, трансляция и сборка программы; сортировка набора данных и др. Системные процессы реализуют вспомогательные функции, обеспечивающие работу ЭВМ. Примеры системных процессов: системный ввод; системный вывод; перемещение страниц в виртуальной памяти; работа супервизора и др. Как правило, системные процессы существуют в течение всего периода работы ЭВМ -- от момента включения до момента выключения ЭВМ.
Таким образом, функционирование ЭВМ выражается в форме процессов выполнения программ. Процесс выполнения программы связан с использованием ресурсов ЭВМ, а также наборов данных и самих программ. Следовательно, характерной чертой процесса является его одновременная связь и с выполнением программ и с работой технических средств ЭВМ.
Промежуток времени, в течение которого взаимодействуют процессы, называется сеансом (сессией). Важно подчеркнуть, что в ЭВМ и комплексах взаимодействие процессов обеспечивается за счет доступа к общим для них данным (общей памяти) и обмена сигналами прерывания.
Управляющий автомат (УА) может рассматриваться как устройство, реализующее алгоритм функционирования, определяющий порядок выполнения отдельных операций или процедур по управлению некоторым объектом -- объектом управления (ОУ).
Во время работы УА в соответствии с алгоритмом функционирования, который он реализует, вырабатывает последовательность сигналов управления, воздействующих на ОУ. При этом последовательность вырабатываемых управляющим автоматом сигналов зависит от состояния самого УА и внешнего сигнала R, который может быть подан извне, например, от другого УА или от человека.
Совокупность взаимосвязанных УА и ОУ образует систему УА--ОУ. В качестве системы УА--ОУ можно рассматривать обычную ЭВМ, в которой управляющим автоматом является процессор, а объектом управления -- запоминающее устройство с хранящейся в нем обрабатываемой информацией. Если ЭВМ включена в цикл управления каким-либо объектом (например, шлюзом, судном, телефонной станцией и т. п.), то в качестве УА такой системы рассматривается уже вся ЭВМ.
Если есть необходимость более детально рассмотреть функционирование самого процессора ЭВМ в виде системы УА--ОУ, то в качестве УА рассматривается центральный блок (устройство) управления (ЦБУ), а в качестве ОУ -- арифметическо-логическое устройство (АЛУ).
Система УА--ОУ хорошо представляется моделью в виде управляющего и операционного автоматов, последний из которых соответствует ОУ.
Как правило, сложные объекты управления состоят из отдельных блоков Б. При этом каждый блок объекта управления обычно содержит один или несколько исполнительных механизмов (ИМ), которые обеспечивают прием сигналов управления от УА, и датчики (сигнализаторы), которые вырабатывают в УА сигналы о состоянии блока ОУ. Например, если в качестве блока ОУ рассматривается некоторый резервуар для жидкости, то в качестве одного исполнительного механизма ИМ1 может служить привод вентиля для подачи в резервуар жидкости, а в качестве ИМ2 -- привод вентиля для слива жидкости из резервуара. Датчиками Д1 и Д2 такого блока ОУ служат сигнализаторы соответственно верхнего и нижнего предельных уровней жидкости в резервуаре.
В свою очередь, УА может быть одноблочным и многоблочным.
В одноблочных УА обычно реализуются достаточно простые алгоритмы функционирования, а сами УА включают небольшое число логических элементов, разделение которых по каким- либо признакам на отдельные группы и выделение, таким образом, нескольких блоков нецелесообразно, а в ряде случаев и невозможно. Примерами одноблочных УА могут служить разнообразные счетчики, дешифраторы, устройства приема последовательности импульсов и преобразования ее в параллельную кодовую комбинацию импульсных или потенциальных сигналов, управляющие комплекты искателей телефонных станций и т. д.
При реализации достаточно сложного алгоритма функционирования, если УА становится довольно сложным устройством, то его по тем или иным признакам разделяют на отдельные блоки. Поэтому блоки многоблочного УА называют функциональными блоками (ФБ). В дальнейшем для простоты будем считать, что в одном ФБ реализуется одна функция, которая определяется процедурой реализуемого в УА алгоритма функционирования.
Таким образом, в многоблочных УА каждый из ФБ, выполняя одну функцию, реализует только отдельную часть алгоритма функционирования (процедуру), которую будем называть частным алгоритмом функционирования или частным алгоритмом.
Для того чтобы многоблочный УА реализовал алгоритм функционирования полностью, между ФБ должны быть управляющие связи (УС), определяющие в соответствии с заданным алгоритмом порядок работы ФБ в процессе управления.
Выполняемый в УА или АСУ процесс, обеспечивающий управление технологическим процессом, будем называть управляющим процессом или процессом управления.
Управление всегда имеет определенную цель. Обычно она формулируется как ограничение на множество возможных состояний системы, или какой-либо показатель системы, который нужно поддерживать в заданных пределах, либо максимизировать. Если известна зависимость указанного показателя от входных воздействий на систему, или ее состояния, то он называется целевой функцией.
Часто цель не может быть достигнута сразу, а необходимо пройти несколько этапов, на каждом из которых имеется локальная цель, не совпадающая с главной целью. Эти локальные цели называются задачами управления. Пример: автобус идет по маршруту. Цель - конечный пункт. Задача - проехать по данной улице. Может оказаться, что направление движения по улице сильно отличается от направления на конечный пункт.
Для осуществления процесса управления нужно наличие трех элементов:
Орган управления -- это система, на вход которой поступают сигналы о состоянии управляемого объекта и среды, а на выходе - сигнал о необходимом в данной ситуации управлении.
Исполнительный орган -- это система, на вход которой поступает сигнал о необходимом управлении, а на выходе вырабатывается управляющее воздействие на управляемый объект.
Система управления объединяет орган управления и исполнительный орган.
Системы управления бывают следующими:
1) ручные - без использования вычислительной техники;
2) автоматизированные - используется вычислительная техника, которая принимает на себя основной поток информации, однако человек остается важнейшим звеном системы управления, функцией которого является принятие решений либо утверждение решений, выработанных ЭВМ;
3) автоматические - человек не участвует в процессе управления и не входит в данную систему управления. Обычно он осуществляет контроль за правильностью функционирования объекта управления и вмешивается только при возникновении особых (например, аварийных) ситуаций. В автоматических системах управления человек является звеном другой системы управления, для которой управляемым объектом является данная автоматическая СУ с ее управляемым ею объектом.
3. Использование ЭВМ в процессе управления
Первоначально вычислительные средства использовались как вспомогательные, для выполнения отдельных, наиболее трудоемких операций обработки данных. Основной поток информации о состоянии управлемого объекта и управляющих воздействиях проходил через аппарат управления, состоящий из людей:
Затем, в процессе совершенствования вычислительной техники, последняя стала рассматриваться преимущественно как средство обработки больших объемов информации, ЭВМ теперь следует использовать для восприятия и глубокой переработки информации, поступающей с управляемого объекта.
К сожалению, многие системы управления формируются по первому способу. Они создают гораздо больше проблем, чем решают. Не высвобождают управленческий персонал и не облегчают его работу, а наоборот - требуют дополнительного персонала и ресурсов. Нужно чтобы ЭВМ состояла при человеке, а не человек при ЭВМ. Но это требует коренной перестройки методов управления, навыков, имеющегося документооборота.
Нужно добиться того, чтобы руководитель получал именно ту информацию, которая ему нужна для принятия решений. Например, директор не должен знать, какие вагоны не поступили, какой груз находится в каждом вагоне, ему нужно знать по каким выпускаемым изделиям имеется недопоставка сырья. Если же директор не соглашается отказаться от лишней информации, значит он в своей деятельности подменяет начальника отдела снабжения, не умеет правильно руководить. ЭВМ берет на себя информационные входы СУ, избавляет от них человека. Часто стараются и ЭВМ избавить от лишней информации - для этого ставят в пунктах сбора данных микро и мини- ЭВМ, которые осуществляют первичную обработку данных перед отправкой в большую ЭВМ
автоматизация управление компьютер
В мире еще не существует абсолютно совершенной технологии и полностью функциональной системы для автоматизации процесса управления. Однако не нужно ждать чуда: с теми программами, которые уже имеются, можно и нужно работать, так как это все равно эффективнее ручного учета. Выбор системы - действительно сложная и неоднозначная задача. Здесь стоит учесть все: цену и функциональность, способ поставки и качество сервисного обслуживания. Но главное при выборе - солидность и надежность фирмы-разработчика. Вероятность разорения и ухода с рынка крупных компаний существенно меньше, чем мелких, перебивающихся от заказа к заказу фирм. Вывод из этого прост: ставьте на лидеров. Совершая трудовую операцию, человек отвечает сам себе на вопрос: каков должен быть результат этой операции и как его получить? Сама трудовая деятельность, ее результаты являются ответом на все вопросы. От того, насколько верными знаниями о предмете его деятельности обладает человек и насколько он учитывает обстоятельства совершения трудовой операции, зависит его успех. Если знания с какой-то мерой объективности могут быть представлены в машинном виде, то алгоритмизировать учет обстоятельств совершения трудовой операции еще долгое время компьютеру будет не по силам. Поэтому напрасны надежды некоторой части пользователей на создание программы, которая избавит их от трех печальных необходимостей. Когда пользователь приобретает средства автоматизации, не зная, как и почему осуществляются в них те или иные операции, он постоянно будет пребывать в недоумении: почему компьютер выдал тот, а не иной результат и как он это сделал? Выход у человека только один: знать, думать и отвечать надо самому, а компьютер -- это только помощник и не больше!
1. Когаловский М.Р., "Технология баз данных на персональных ЭВМ" - М., "Финансы и статистика", 2010
2. Экономико-математические методы и модели, учебные лекции
3. Проскурин С.П.: «Десять вопросов на тему автоматизации», Бухгалтер и Компьютер, 2000;
Читайте также: