автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Теоретические основы и инструментальные средства для создания математического и программного обеспечення геофизических измерительно-вычислительных систем
- доктора технических наук
- Марков, Николай Григорьевич
- город
- Томск
- год
- 1995
- специальность ВАК РФ
- 05.13.11
Автореферат диссертации по теме "Теоретические основы и инструментальные средства для создания математического и программного обеспечення геофизических измерительно-вычислительных систем"
Томский политехнический университет
На правах рукописи Для служебного пользования Экз. №
Марков Николай Григорьевич
Теоретические основы и инструментальные средства для создания математического и программного обеспечения геофизических измерительно-вычислительных систем
Специальность 05.13.11 - математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов, систем и сетей
ДИССЕРТАЦИЯ
в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук
Томск — 1995
Список используемых сокращений
АРМ - автоматизированное рабочее место
АСНИ - автоматизированная система научных исследований АСУ ТП - автоматизированная система управления технологическими процессами
:; АЦП - аналого-цифровой преобразователь
БРК - бортовой регистрирующий комплекс
БУП - блок управления процессом
ГД - графический дисплей
ГИ - геофизическая информация
ГИВС - геофизическая измерительно-вычислительная система
ГП - графопостроитель
ГР - графический редактор
ДМ - диалоговый монитор
ИВС - измерительно-вычислительная система
ИМ - измерительный модуль
ЛПУ - локальное периферийное устройство
ЛОГ1 - локальная оперативная память
ЛЯ - локальное ядро
МВС - многопроцессорная вычислительная система
МПК - микропроцессорный комплект
ОГТ - общая глубинная точка
ООП - общая оперативная память
ОП - оперативная память
ОС - операционная система
ОСД - общесистемные структуры данных
ОУВ - отказоустойчивые вычисления
ПЗУ - постоянное запоминающее устройство
ПМП - программируемый матричный процессор
ПО - программное обеспечение
ПП - прикладная программа
ППЗУ - перепрограммируемое полупроводниковое запоминающее устройство
ППО - параллельное программное обеспечение
ПУ - периферийное устройство
РВ - реальное время
СГ - система генерации
СП - сети Петри
СУБД - система управления базами данных
ФЗР - формат заданной разрядности
ЯУП - язык управления процессами
Общая характеристика работы
Диссертационная работа обобщает результаты теоретических и прикладных исследований и разработок, выполненных под научным руководством и при личном участии автора, в области создания математического и программного обеспечения геофизических измерительно-вычислительных систем (ГИВС).
Актуальность работы. Освоение минерально-сырьевых ресурсов и их рациональное использование становится все более приоритетным направлением в развитии экономики России. Значительная роль в разработке этого направления отводится геофизическим методам исследования строения верхней части земной коры, поиска и разведки месторождений полезных ископаемых. Успехи в области разработки производительных. и дешевых средств вычислительной техники делают актуальным и перспективным создание современных ГИБС как инструментария прикладной геофизики.
Получение геофизической информации (ГИ) в прикладной геофизике связано с измерением с помощью специальных датчиков параметров различных физических полей: электромагнитного в электроразведке, гравитационного в гравиразведке, упругих волн в сейсморазведке и сейсмологии и т.д. Некоторые исследователи (Кашик A.C., Потапов O.A. и др.) считают, что существует устойчивая тенденция к усложнению систем наблюдения от измерений поля в отдельных точках к профильным, площадным и даже объемным измерениям (одновременно проводятся измерения поля на земной поверхности и в скважинах). Это ведет к созданию класса мощных компьютеризированных многоканальных и сверхмногоканальных ГИВС, называемых автоматизированными системами сбора и регистрации ГИ (в дальнейшем, для краткости, системы регистрации). Регистрируемые величины параметров полей всегда дискретны по пространству, времени и уровню и хранятся на магнитных носителях. Результаты регистрации параметров полей обрабатываются полевыми вычислительными комплексами или на ЭВМ геофизических ВЦ экспедиционного или регионального уровня и интерпретируются с целью получения информации о строении геологической среды. Наряду с классом регистрирующих систем будем. рассматривать другой большой класс ГИВС-автоматизированные системы обработки ГИ (в дальнейшем системы обработки).
Обеспечение высокой надежности и производительности ГИВС невозможно без решения проблемы создания соответствующего математического и программного обеспечения.
Анализ существующих исследований и разработок, проведенный автором и подробно изложенный в его монографии [1] и статьях [18,24,26,43], указывает на ряд нерешенных проблем и задач в области создания математического и программного обеспечения измерительно-вычислительных систем в целом и геофизических систем в частности. Отдельные из таких задач решены при создании конкретных ГИВС с использованием частных методов и проектных решений (Рапопорт М.Б. и
Васильев. В.П.. с сотрудниками при разработке ПО систем регистрации ГН, Крейсберг В.М. с сотрудниками при создании систем обработки ГИ и ,т.д.). Однако основополагающие теоретические работы, комплексный подход и развитые инструментальные средства для проектирования и программирования ГИВС и в нашей стране, и за рубежом отсутствуют. С другой стороны, методы и технологии разработки ПО проблемно-ориентированных ЭВМ и вычислительных систем, развитые в теоретических работах ряда исследователей (Штрик A.A., Осовецкий Л.Г., Липаев В.В., Россия; Gomoa R., США и др.), не учитывают специфику ГИВС и не могут решить все многообразие существующих проблем в области создания математического и программного обеспечения для них. Изложенное позволяет сказать, что актуальность данной работы определяется:
-отсутствием теории проектирования высоконадежного алгоритмического и программного обеспечения ГИВС;
-отсутствием должного набора инструментальных средств проектирования, программирования и отладки ПО специализированных ЭВМ и вычислительных^ ,сист;ем на базе современных микропроцессорных комплектов (МП К); ;
-необходимостью разработки алгоритмического и программного обеспечения для классов отечественных ГИВС, надежно и эффективно работающих;; и позволяющих реализовать современные методы геофизических исследований Земли. .
Исследования и разработки проводились в соответствии с утвержденными планами НИР Кибернетического центра Томского политехнического университета, в частности, по темам: "Развитие математического обеспечения .сейсморегистрирующих телеметрических систем", Гос. per. Jfe 01850022657 (1985-1989гг.); "Разработка структуры и создание upoipaMMHOio обеспечения компьютеризованных регистрирующих систем для промыслово-геофизическмх.исследований скважин", Гос. per. № 01860056163 (1986-1988гг.); "Развитие программных средств сейсмической обрабатывающей системы ИНГОС-1М", Гос.рег. № 01880025249 (19881990гг.); "Разработка системного и прикладного программного обеспечения полевых телеметрических модулей распределенной сейсмо-регисгрирующей системы", Гос.рег. № 01890022731 (1989-1990гг,); "Разработка системных программных средств многопроцессорной вычислительной системы", Гос.рег. № 01900025431 (1990-1992гг.); "Диалоговая подсистема управления сейсмической обрабатывающей системы", Гос.рег. № 01900027394 (1990-1992гг.) и т.д. / Прикладные исследования в 1980-1995гг. проводились в соответствии с Распоряжениями СМ.СССР № 265 от 21.03.79г. и № 343 от 12.04.79г., По-становдением ГКНТ. СМ и.Госплана СССР № 473/249 от 12.12.80г., а такж.е были включены в Целевую научно-техническую программу (НТП) О.Ц. 010' (задание 01.02), утвержденную ГКНТ СМ, Госпланом и АН СССР, включены в программу "Сибирь" и в Целевую территориально-отраслевую НТП "Нефть и газ" (задания 01.02.01 и 01.02.02).
В 1991-1995гг. исследования проводились в рамках Государственной НТП "Технологии, машины и производства будущего" (Направление 4, раздел 5) и в рамках Государственной НТП "Трансферные технологии, комплексы и оборудование" (подраздел "Программные системы").
Исследования по теме "Разработка моделей и методов проектирования программного обеспечения мультипроцессорных вычислительных систем" выполнялись в 1992-1993гг. по Гранту Миннауки РФ.
Цель и задачи исследований. Цель работы - создание и применение теоретических основ и инструментальных средств для проектирования, программирования, отладки и тестирования высоконадежного и эффективного математического и программного обеспечения ГИВС.
При достижении поставленной цели решались следующие классы задач:
-создание основ теории (принципов, методов, моделей й математического аппарата) проектирования алгоритмов и программ ГИВС:
-разработка инструментальных средств для проектирования алгоритмического и программного обеспечения ГИВС;
-создание методов и инструментальных средств программирования, отладки и тестирования ПО встроенных специализированных микроЭВМ систем регистрации ГИ;
-разработка методов и средств программирования и отладки ПО многопроцессорных вычислительных систем (МВС) в составе ГИВС;
-создание методов и инструментальных средств программирования, отладки и тестирования ПО систем обработки ГИ;
-создание высоконадежного и эффективного системного и прикладного ПО конкретных систем регистрации и систем обработки ГИ с использованием предложенных методов и разработанных инструментальных средств проектирования, программирования, отладки и тестирования ПО.
Научную новизну полученных результатов составляют: -предложенный метод двухуровневого проектирования алгоритмов и ПО, в рамках которого проектируется структура связей компонентов системы только по управлению;
-разработанный формальный аппарат, названный РБ-сехи, для описания алгоритмов и программ и исследования взаимодействия процессов; -метод унификации и последующей специализации ПО; -теоретические основы решения задач исследования корректности вычислительных процессов;
-методы пересекающихся копий ОС и базовой однопроцессорной ОС для разработай системного ПО МВС с разделяемой памятью;
-сквозная четырехэтапная технология проектирования и синтезирующего программирования диалоговых компонент ПО ГИВС;
-технология интегрированных оболочек для программирования и отладки ПО систем обработки ГИ, базирующаяся на предложенном методе создания интегрированных сред и модифицированном методе сборочного программирования;
-технология трехэтапного программирования и отладки параллельного ПО (ППО);
-средства поддержки параллельного программирования и метод логических процессоров для отладки ППО;
-созданная ОС для высокопроизводительных и отказоустойчивых МВС с разделяемой памятью;
-созданные методы, алгоритмы и ПО ряда конкретных систем регистрации ГИ, в том числе модифицированный векторный метод помехоустойчивого кодирования, способ и алгоритмы вертикального накопления сигналов с обнаружением и редактированием импульсных помех, способ регистрации геодинамических процессов и т.д.; -созданные алгоритмы и программы ряда конкретных систем обработки ГИ, в том числе алгоритмы формирования и фильтрации изображений геофизических объектов, алгоритм ввода и интерактивной коррекции статических поправок при обработке сейсморазведочных данных и т.д.
Новизна способа регистрации геодинамических процессов подтверждена авторским свидетельством на изобретение [8],
Научная ценность результатов работы. Развитые теоретические основы (методы, формальный аппарат - РБ-сети, модели на его основе и т.д.) проектирования алгоритмов и ПО, программирования и отладки ПО применимы при создании математического и программного обеспечения измерительно-вычислительных систем (ИБС) не только в прикладной геофизике, но и в других проблемных областях. Метод двухуровневого проектирования алгоритмов и ПО и средства для его реализации можно использовать для разработки алгоритмического и программного обеспечения АСУ ТП и АСНИ различного назначения.
Предложенные методы проектирования, программирования и отладки ППО, включая методы проектирования и разработки ОС МВС с разделяемой памятью, а также теоретические основы исследования корректности вычислительных процессов, являются дальнейшим развитием теорий создания ПО параллельных вычислительных систем.
Аппарат РБ-сегей и инструментальная система на его основе для описания, моделирования и анализа взаимодействующих процессов представляют интерес для решения задач проектирования сложных систем в электроэнергетике, в машиностроении с применением роботов и т.д.
Практическая ценность результатов работы. Практически значимыми являются созданные инструментальные программные средства для проектирования, программирования, отладки и тестирования ПО ГИВС. Инструментальное ПО функционирует на ПЭВМ типа 1ВМ РС АТ, ми-ниЭВМ типа СМ-1420 и микроЭВМ семейства "Электроника". Значительную ценность представляют технология проектирования и синтезирующего программирования диалоговых компонент ПО ГИВС, технология интегрированных оболочек, а также технология трехэтапного программирования и отладки ППО и отдельные средства поддержки параллельного программирования, сохраняющие свою актуальность и реализуемость в современных вычислительных системах на аппаратных
платформах фирм Intel, Sun Microsystems и т. д. Инструментальные средства "Диалоговая подсистема управления пакетами программ обработки измерительной информации" включены в ОФАП Госкомвуза РСФСР и в ГосФАП СССР (рег.№ 50910000344).
Разработанные теоретические основы и инструментальные средства были применены к проектированию и разработке алгоритмов и программ ряда конкретных регистрирующих систем: создано унифицированное системное и прикладное ПО PB для специализированных микроЭВМ нижнего уровня распределенных сейсморазведочных и сейсмологических систем; ПО для специализированных микроЭВМ автономных систем для региональной сейсморазведки и сейсмологии; создано унифицированное системное и прикладное ПО семейства бортовых регистрирующих комплексов первых отечественных сейсморегистрирующих телеметрических систем и создано ПО каротажной лаборатории ЛОЗА-01. Особую ценность представляет разработанная ОС для МВС с разделяемой памятью. Программная система "Программное обеспечение семейства сейсморегистрирующих телеметрических комплексов (ПО телеметрии)" включена в ОФАП Миннефтепрома СССР и в ГосФАП СССР (рег.№ 50890000377). С помощью разработанных методов и инструментальных средств создано системное и унифицированное прикладное ПО ряда систем обработки ГИ: интерактивной сейсмической обрабатывающей системы ИНСОС; программируемого матричного процессора ПМП для обработки данных сейсморазведки; интегрированной среды для обработки данных ЗО-сейсморазведки; центра обработки сейсмологической информации и стенда поверки параметров измерительных модулей сейсморегистрирующих систем. Прикладное ПО этого стенда метрологически аттестовано. Программные средства "Программное обеспечение интерактивной сейсмической обрабатывающей системы" включены в ОФАП Миннефтепрома СССР и в ГосФАП СССР(рег.№ 50900001067).
Совокупный объем разработанного инструмент&аьного ПО и программных средств конкретных ГИВС составляет более 34 тысяч команд Ассемблера и Макроассемблера и более 82 тысяч операторов языков Си, Паскаль и Фортран-77.
Научные положения, результаты и выводы, полученные в диссертации, использовались автором при подготовке и чтении курсов лекций для студентов Томского политехнического университета.
Реализация результатов работы. Созданные теоретические основы и инструментальные средства для проектирования и разработки ПО внедрены в НПО Космического приборостроения (г.Москва), на заводе "Казгеофизприбор" (г.Алма-Ата), в СКВ сейсмического программного обеспечения НПО "Нефтегеофизика" (г.Томск), в СибОКБ НПО "Сибгео" (г.Новосибирск), в НПО "Нефтегеофизприбор" (г.Краснодар), в Институте физико-технических проблем РАН (г.Москва), в Центральной геофизической экспедиции (г.Москва) и т.д.
Разработанные алгоритмические и программные средства конкретных ГИВС внедрены в СКТБ сейсморазведочной электронной техники ■;(г.Краснодар), в ПО "Томскнефтегеофизика" (г.Стрежевой), в СНИИГ-•Т'иМС (г.Новосибирск), в СКТБ геофизической техники (г.Томск), в Российском НИИ Космического приборостроения (г.Москва), в Институте ■ геологии и геофизики СО АН СССР (г.Новосибирск), в учебной лаборатории САПР Томского политехнического института и т.д. - Реализация результатов работы в 16 организациях подтверждена 22 актами'внедренйя. Фактический экономический эффект от внедрения составил более 1,3 млн. рублей (в ценах 1991г.).
' 'Апробация работы. Материалы диссертационной работы представлялись й обсуждались'на 5 Международных и 25 Всесоюзных, Республиканских и Региональных конференциях, семинарах и совещаниях, в том -Числе: Всесоюзной- конференции "Вибросейсмические исследования" (Новосибирск, 1981), IV Всесоюзной конференции по голографии (Ереван, 1982), IV Всесоюзной школе по оптической обработке информации (Миней, 1982), IV Всесоюзном семинаре "Моделирование дискретных управляющих и вычислительных систем" (Свердловск, 1984), Всесоюзной Конференции "Обработка изображений и дистанционные исследования ОИДИ-84" (Новосибирск, 1984), III Всесоюзной НТК "Программное, алгоритмическое Ц техническое обеспечение АСУ ТП" (Ташкент, 1985), V Всесоюзной школе-семинаре "Распараллеливание обработки информации" (Львов, 1985), Всесоюзной конференции "Проблемы совершенствования синтеза, тестирования, верификации и отладки программ" (Рига, 1986), Всесоюзной конференции "Математическое моделирование в геофизике" (Новосибирск, 1986), Всесоюзном совещании по многоволновой сейсморазведке (Новосибирск, 1986), Всесоюзной конференции "Формальные модели параллельных вычислений" (Новосибирск, 1987), I Всесоюзной конференции "Методы анализа надежности ПО на основе моделей нечеткой логики и качественных описаний" (Киев, 1987), Региональной конференции "Обработка изображений и дистанционные исследования ОИДИ-87" (Новосибирск, 1987), Региональных совещаниях по полевым вычислительным комплексам (Новосибирск, 1988, 1989), Региональных : научно-практических семинарах "Ускорение научно-технического прогресса в нефтяной и газовой промышленности" (Томск, 1988, 1989,-1990), Всесоюзной конференции "Моделирование систем информатики" (Новосибирск, 1988), II Всесоюзной конференции "Метрологическое обеспечение ИИС и АСУ ТП" (Львов, 1988), II Всесоюзной ; НТК "Микропроцессорные комплексы для управления технологическими процессами" (Грозный, 1989), II Всесоюзном совещании по автоматизированному проектированию ПО систем управления движущимися объектами ' (Рыбачье, 1989), Международной конференции "Обработка изображений и дистанционные исследования ОИДИ-90" (Новосибирск,' ; 1990), Международной конференции
"Высокопроизводительные вычислительные системы в управлении и научных исследованиях" (Алма-Ата, 1991), Международной НТК
"Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-92" (Новосибирск, 1992), Всероссийских совещаниях "Государственных банк цифровой геологической информации" (Москва, 1994, 1995), Международной конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды" (Томск, 1995), Международной конференции "Компьютерная графика, банки данных и компьютерное моделирование в нефтяной геологии" (Санкт-Петербург, 1995).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано более 60 научных работ, монография и отдельно изданный аналитический обзор. Список основных публикаций приведен ниже.
Личный вклад. Постановки рассмотренных в диссертации проблем и формулировки всех задач исследований и конкретных разработок принадлежат лично автору. Основные научные результаты работы получены также автором. Разработка инструментальных средств для создания математического и программного обеспечения ГИВС и разработка алгоритмов и программ конкретных ГИВС выполнены совместно с сотрудниками и аспирантами руководимой автором лаборатории Вычислительных геофизических систем Кибернетического центра Томского политехнического университета.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Разработанные теоретические основы, инструментальные средства и технологии проектирования, программирования и отладки позволяют значительно по сравнешпо с существующими средствами ускорить процесс создания математического и программного обеспечения ГИВС и позволяют вести его параллельно с разработкой аппаратуры ГИВС.
2. РБ-сети являются более удобным и эффективным при практическом применении формальным аппаратом для описания и исследования взаимодействующих процессов, чем сети Петри и их расширения.
3. Созданные методы и инструментальные средства позволяют при разработке математического и программного обеспечения МВС значительную часть работ вести на инструментальной однопроцессорной ЭВМ.
4. Предложенная технология интегрированных оболочек позволяет создавать системы обработки ГИ и затем формировать на их основе функционально законченные АРМ геофизика.
5. Разработанное унифицированное системное и прикладное ПО для семейств систем регистрации ГИ легко адаптируется на конкретные системы из семейств, а полученное таким образом исполнительное ПО функционирует в реальном масштабе времени.
6. Методически обоснованное применение разработанных автором методов и технологий проектирования, программирования, отладки и тестирования ПО, а также применение известных методов введения алгоритмической и структурной избыточности позволило создать высоконадежное ПО ряда современных ГИВС.
1. Проблемы создания математического и программного обеспечения ГИВС
; Процесс создания математического и программного обеспечения ГИВС будем делить на этапы: проектирования методов (способов), алгоритмов и программ, программирования, отладки, тестирования и сопровождения программ. Наиболее сложным является этап проектирования. При этом возможна обратная связь между этапами и итерационность процесса создания алгоритмов и программ.
1.1. Особенности и проблемы создания математического и программного обеспечения регистрирующих систем
Современные многоканальные (от десятков до 1000 приемных каналов) и сверхмногоканальные (свыше 1000 приемных каналов)геофизические регистрирующие системы характеризуются широким использованием микропроцессорной техники и принципа программного управления сбором и регистрацией ГИ. Общим для их структурной организации является то,что каждая система состоит из двух обязательных больших компонент: периферийной распределенной подсистемы сбора ГИ и бортового регистрирующего комплекса (БРК). Наиболее перспективным являются телеметрические регистрирующие системы [18]. Их подсистемы сбора содержат ограниченное число линий связи (телеметрических каналов), по которым обеспечивается передача на БРК цифровой информации от совокупности распределенных на местности или в скважине измерительных модулей (ИМ). Каждый ИМ представляет из себя устройство, производящее сбор (прием) от одного или нескольких датчиков, усиление, фильтрацию аналоговых сигналов, преобразование их с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) в цифровую форму и передачу сформированной телеметрической информации на БРК по общему каналу связи (проводному, оптоволоконному или радиоканалу).
В настоящее время существуют два направления в разработке телеметрических систем [18,24]. Первое предполагает наличие средств вычислительной техники только на БРК, а ИМ представляют из себя автоматические устройства, управляющая часть которых выполнена в виде блока с "жесткой" логикой, без использования МПК. С увеличением числа приемных каналов (соответственно и числа ИМ) и с уменьшением шага дискретизации принимаемых сигналов при передаче телеметрической информации в реальном времени (в темпе сбора ГИ) возникают проблемы, связанные с ограниченной пропускной способностью телеметрических каналов. Поэтому число приемных каналов у таких систем не более 200-400.
Проведенный анализ показывает, что более перспективным в разработке многоканальных и сверхмногоканальных телеметрических реги-стриующих систем следует считать второе направление создание высокопроизводительных и надежных в эксплуатации компьютезированных систем с двухуровневой иерархической структурой [10]. Причем нижний
и
уровень иерархии по управлению и обработке - это распределенная микропроцессорная подсистема сбора: совокупность разнесенных в пространстве ИМ со встроенными специализированными микроЭВМ, управляющими сбором и передачей на БРК информации, а также ведущими ее первичную (иногда говорят предварительную) обработку. БРК играет роль верхнего уровня иерархии по управлению и обработке. В его состав входит управляющая системой в целом микроЭВМ (иногда многопроцессорная вычислительная система) и в некоторых случаях спецпроцессоры для реализации функций дальнейшей обработки принимаемой от ИМ телеметрической информации.
При разработке математического и программного обеспечения регистрирующих систем, создаваемых в рамках каждого из направлений, возникает ряд проблем [18,24,26,31]. Поскольку набор функций системы, начиная со сбора, первичной обработки, контроля работоспособности и кончая регистрацией ГИ на магнитный носитель, должен выполняться в реальном времени (РВ) в течение кванта времени, равного шагу дискретизации принимаемых сигналов, то первая проблема заключается в создании специализированных операционных систем (ОС) и прикладного ПО, функционирующих в РВ, в том числе и на МВС, в условиях использования минимума вычислительных ресурсов. Вторая проблема обусловлена эксплуатацией регистрирующих систем в полевых условиях и, как следствие этого, необходимостью обеспечения надежного функционирования программных средств систем при искажении информации, сбоях и частичных отказах аппаратуры. Следующая проблема связана с необходимостью разработки и отладки ПО в связи с жесткими сроками работ параллельно с созданием аппаратуры систем или даже в ее отсутствии, Учитывая, что регистрирующие системы являются средствами измерения, возникает четвертая проблема метрологической аттестации их ПО. Наконец, пятая проблема связана с созданием унифицированного ПО и средств его адаптации на семейство регистрирующих систем как для одного геофизического метода, так и для нескольких методов. Эго должно резко сократить затраты на проектирование и разработку ПО для всех создаваемых систем.
1.2. Проблемы создания математического и программного обеспечения систем обработки
Весь процесс обработки ГИ направлен на последовательное уточнение модели строения геологической среды и представляет из себя многократное применение все более сложных процедур глубокой обработки огромных объемов ГИ для получения более полных данных об изучаемом объекте. Наряду с итерационностыо процессу обработки ГИ свойственна многоэтапное^ и тесное сочетание процедур автоматического преобразования информации с анализом промежуточных результатов геофизиком. Разбиение геофизиком процесса обработки на ряд типовых вычислительных стадий или этапов проявляется в задании на каждом из этапов соответствующего графа (схемы) обработки, в рамках которого описывается совокупность последовательно выполняющихся обрабаты-
вающих программ; после завершения и на основании оценки результатов которых геофизик должен определить дальнейшую стратегию действий.
¡Основные проблемы создания математического и программного обеспечения систем обработки - это проблемы организации эффективного управления процессами преобразования ГИ в ЭВМ или в МВС с обеспечением необходимого качества (точности) ее обработки и производительности и проблема создания для геофизика средств гибкого конструирования и изменения графов обработки и интерактивных средств работы с ЭВМ [27,44].
Для цифровой обработки ГИ характерна высокая интенсивность преобразований разнородной по структуре информации. Если на начальной стадии обрабатываются большие объемы зарегистрированной информации с относительно простой структурой, то на завершающих стадиях обработки применяются модели среды и получаются промежуточные результаты, представляющие из себя сложно структурированную информацию. В этой связи возникает проблема создания программных средств для эффективного управления в системах обработки разнородной ГИ.
Для ввода, визуализации и документирования промежуточных и окончательных результатов обработки в системах обработки применяются специализированные периферийные устройства: дигитайзеры, графопостроители, графические дисплеи. Особенно важно, чтобы в силу итерационного характера обработки в состав технических средств системы входили интерактивные графические устройства, обеспечивающие не только оперативную визуализацию, но и возможность обратной связи от геофизика к ЭВМ посредством графической редакции визуализируемых изображений. Изложенное позволяет указать на проблему создания эффективного ПО периферийных устройств и графического диалога [25].
Анализ стандартных графов обработки ГИ и ряда нестандартных методов и задач обработки позволяет считать, что существуют отдельные слабо связанные на уровне выходных данных этапы обработки, требующие активного человеко-машинного взаимодействия. Реализацию таких этапов обработки удобно осуществлять с использованием автономных функционально завершенных автоматизированных рабочих мест (АРМ). Это привело к появлению проблемы создания математического и программного обеспечения, позволяющего путем реконфигурации технических средств и соответствующей настройки программных и информационных компонент создавать из той или иной системы обработки различные практически значимые АРМы.
1.3. К постановкам задач исследований и разработок
Рассмотрение особенностей ГИВС и проблем, возникающих перед разработчиками математического и программного обеспечения для ГИВС, позволило сформулировать следующие концептуальные посылки к проводимым в работе исследованиям:
-необходима разработка теоретических основ (принципов, методов, математических моделей и т.п.) создания математического и программ-
ного обеспечения ГИВС, которые позволили бы уточнить формулировки и взаимоувязанно решить весь спектр выявленных проблем;
-теоретические исследования должны подкрепляться разработкой инструментальных программных средств для проектирования, программирования, отладки и тестирования ПО ГИВС;
-требуется единая методологическая основа для применения результатов теоретических исследований и инструментальных средств к созданию высоконадежных и эффективных алгоритмов и программ для классов (семейств) ГИВС, при этом механизмы получения (адаптации) ПО для конкретных систем или АРМов должны быть простыми.
Эти концептуальные положения учитывались при постановке задач исследований и разработок, классы которых перечислены выше в разделе "Общая характеристика работы".
2. Теоретические основы и средства проектирования математического и программного обеспечения ГИВС
Известно, что теории и методологии проектирования алгоритмов и программных систем пока не существует. Это объясняется как сложностью проблем проектирования, так и трудностью их формализации. Анализ показывает, что наиболее перспективными направлениями в теоретических исследованиях применительно к проблемам проектирования математического и программного обеспечения ГИВС являются разработка методов формализованног о проектирования и разработка методов построения и анализа алгоритмов. Именно в этих направлениях и проводились наши исследования.
2.1. Принципы и методы проектирования
Принципы проектирования - это независимые от области приложения стратегии(основания), положенные в основу проектирования алгоритмов и ПО. К базовым принципам, используемым при проектировании алгоритмов и ПО ГИВС, относятся:
-принцип модульности ПО, является краеугольным и позволяет осуществлять совершенствование и развитие программных средств;
-принцип структурированной разработки, согласно ему проектируемое ПО представляется набором отдельных более простых подсистем, каждая из которых вновь структурируется и т.д. (принцип иерархических структур). /
К дополнительным принципам относятся принцип параметрической универсальности, обеспечивающий адаптацию ПО на конкретный набор аппаратных средств ГИВС и решение конкретного набора функциональных задач, принцип локализации программных модулей, зависимых от специфики аппаратных средств ГИВС, а также принцип унификации ПО.
Анализ существующих методов проектирования алгоритмов и ПО позволяет при создании ПО для ГИВС отдать предпочтение методу проек-
тирования сверху-вниз, обосновывающему ведение разработки программ и в отсутствие ряда аппаратных средств ГИВС. При пользовании этим методом будем исходить из необходимости получить ПО с требуемыми свойствами (верхний слой) и , пользуясь принципом иерархического структурирования, последовательно разрабатывать слои ПО вплоть до аппаратуры.
В результате исследований создан новый метод, позволяющий проектировать алгоритмы и ПО на двух уровнях: на верхнем .описывается и исследуется структура управления алгоритмами или программами: структура связей по управлению (взаимодействие компонентов системы по управлению), а на нижнем уровне специфицируются внутренние детали конкретных программ. Таким образом, структура управления алгоритмов и ПО описывается и изучается отдельно от внутренних деталей программ и их информационных связей. На верхнем уровне проектирования структура управления представляется на специальном языке управления процессами (ЯУП). Этот язык предоставляет проектировщику ряд средств описания ресурсных, синхронизационных, временных и т.п. особенностей проектируемых программ. ЯУП выступает как входной язык-моделирования для системы, выполняющей моделирование и анализ корректности структуры и других характеристик ПО. В итоге после выполнения процедур верхнего уровня имеем корректные и оптимизированные структуру алгоритмов и (или) ПО по управлению и диаграммы их выполнения, удовлетворяющие заданным ресурсным, временным и другим требованиям. По мере проектирования конкретных программ на нижнем уровне и их кодирования и отладки можно вновь вернуться на верхний уровень и наполнить спроектированный вариант структуры ПО ссылками на реальные программы или их фрагменты (встроить в систему моделирования реальные программы). Полученная в результате такого итерационного процесса структура ПО еще более оптимизирована. При наличии всех созданных программных модулей итог итерационного процесса реальный образец ПО. Отметим, что система моделирования должна имегть механизм встраивания реальных программ, написанных на одном из языков программирования высокого уровня. В случае создания ПО для МВС этот язык должен быть расширен средствами межпроцессорного обмена данными.
Развитый метод не является альтернативой методу проектирования сверху-вниз, более того можно говорить об их комплексном использовании, Действительно, структура управления программами любого слоя ПО, полученного методом проектирования сверху-вниз, может быть представлена на ЯУП и проанализирована вне зависимости от уровня детализации программной системы (номера слоя). В то же время метод двухуровневого проектирования опирается на принцип иерархической структуризации и допускает, что отдельные подсистемы при моделировании ее структуры могут не детализироваться.
Для разрешения проблем создания надежных программных средств ГИВС и сокращения расходов на их разработку был предложен и развит
. метод унификации и последующей специализации ПО. Основные его положения таковы. Сначала на основе перечисленных выше принципов для . семейства ГИВС с ЭВМ (вычислительными системами) одной архитекту-, ры создаются унифицированная структура ПО, стандартные программ. ные интерфейсы и базовые наборы программных модулей. Затем применительно к ГИВС конкретной структуры и ресурсов путем функционально-параметрической и структурно-параметрической адаптации получают ПО с конкретными характеристиками и возможностями. Предложена модификация этого метода, названная методом специализации универ-.. сальных ОС. В ряде проектов по созданию специализированных ОС для микроЭВМ ГИВС экономически целесообразно использовать отдельные подсистемы (обычно ядро и т.п.) универсальной ОС, предназначенной для универсальных ЭВМ с той же системой команд, что и у микроЭВМ. Кроме функционально-параметрической и структурно-параметрической адаптации универсальной ОС к специализированной микроЭВМ метод предполагает доработку новых программных модулей (драйверов, загрузчиков и т.п.), учитывающих архитектурные особенности конкретной микроЭВМ или вычислительной системы ГИВС.
Для сокращения сроков проектирования и разработки ОС для МВС предложен метод базовой однопроцессорной ОС. Суть его в том, чтобы для некоторых классов МВС в качестве системного ядра для каждого процессора использовать базовую однопроцессорную ОС, созданную для ЭВМ с той же системой команд, что и у МВС, а подсистемы ОС, учитывающие специфику МВС, проектировать как функциональное расширение базовой ОС.
Как в методе специализации, так и в этом методе выбор универсальной или иной базовой ОС осуществляется по определенным критериям, учитывающим специфику ГИВС.
В методологическом плане проектировщик при использовании предложенных методов должен ставить и решать следующие группы задач, являющихся определенными шагами в разрешении вышеперечисленных проблем создания ПО для ГИВС:
-задачи по разработке структуры ПО реализуются его структуризацией на автономные законченные компоненты различных уровней иерархии и статическим или динамическим (в процессе моделирования) контролем комплексирования программ в группы и единый комплекс; -задачи обеспечения и контроля эффективности: проектирование эф. фективных подсистем диспетчеризации и планирования (последняя особенно важна при функционировании параллельного ПО), обеспечивающих оптимальное использование производительносги и памяти ГИВС, распределения других ресурсов ГИВС и контроля за их использованием.
Перед решением этих задач вырабатываются критерии оценки эффективности проектируемых алгоритмов и ПО. В качестве показателей эффективности используются производительность ГИВС в целом, либо время решения заданного набора функциональных задач, либо время от-
вета промежуток времени между моментом выдачи задания до получения ответа: Последний показатель особенно важен для ГИВС, работающих в РВ или интерактивном режиме "запрос-ответ", В качестве критерия эффективности используется минимальное значение первых двух показателей, либо возможность уложиться в заданный масштаб РВ (квант времени).
2.2. PS-сети - формальный аппарат для описания и моделирования ПО
Поскольку метод двухуровневого проектирования при поиске узких мест в создаваемых алгоритмах и ПО предполагает использование моделирования, то весьма важно соблюдение сходства структуры используемой модели и структуры управления ПО. Это, учитывая также сложность алгоримов и программных средств ГИВС, должно обеспечиваться процессным способом имитационного моделирования.
Известно, что эффективность использования при проектировании ПО имитационных моделей сильно зависит от применяемого формального аппарата моделирования: от его приспособленности к описанию особенностей ПО, от простоты описания и т.п. Анализ показал, что наиболее популярным формализмом, ориентированным на описание структуры ПО, являются cerra Петри (СП) и их расширения (синхронные СП, ПРОТ-сети и т.д.). Однако для адекватного описания программных средств ГИВС СП не имеют требуемой выразительной силы, а для каждого из их расширений не разрешимы многие формальные свойства аппарата СП, либо каждое из расширений не преодолевает сразу все недостатки СП. Необходим аппарат моделирования, который имеет прикладную направленность и требуемые выразительные средства и в то же время позволяет решать классические задачи анализа (живости, безопасности и т.п.) и исследовать поведенческую корректность ПО в статике (без прогона модели). Таким требованиям удовлетворяет предложенный и развитый формальный аппарат, оперирующий моделями взаимодействующих процессов и получивший название PS-сетей [30].
PS-сеть является графом, дополненным рядом отношений на множестве дуг, а также средствами описания ресурсов и имеет маркировку, определяющую состояние модели. Дуги графа PS-сети соответствуют процессам моделируемой системы. Перемещение маркера по дуге моделирует выполнение соответствующего этой дуге процесса. Начало такого перехода, то есть перемещение маркера из начальной вершины на дугу, назовем включением дуги, а перемещение маркера с дуги в конечную, вершину назовем выключением дуги. При этом включение дуги, выполнение перехода маркера по ней и ее выключение в совокупности будем называть активацией дуги.
Определение 1. Время PS-сети есть переменная, принимающая целые неотрицательные значения, называемые моментами модельного времени.
Определение 2. Единица времени PS-сети называется тактом.
Определение 3. PS-сегь N есть кортеж
• ' N={ V, D, Т, R, F, Р, A, S) ,
где У-мпожестпо вершин, V = {V¡}= 1,|У|, |\'| > 2;
О-множество дуг, О = {(!,-}, ¡ = 1,]0|, 1 <¡0) <|У| 2, и дуга есть упорядоченная пара вершин (Vу, V);
Т-множесгво длительностей активаций дуг, Т = {т/}Л = 1,Щ, и г; >0 есть число тактов от включения до выключения дуги <.},-;
Л-множество ресурсов, Я = {Г}}Л;= (^2 0;
В-множество функций использования ресурсов, Р= {Лг;у , Лг,у}, {= 1 ,|Е>|, Л = 1,, |Б| = ¡Е>[ х |Я|, причем Лг,у > 0 - число единиц уменьшения объема ресурса г^- при включении дуги <Л,\ Лг| >0 -число единиц увеличения объема ресурса г^- при выключении дуги (¡¡;
Р-множество классов предшествования, Р= {рг}, 1 = 1,|Р|, 0<(Р}<10| 2,и класс рI есть упорядоченная пара дуг (с!,<1 ¡. ) такая, что п-я активация дуги с!^ возможна, только если дуга с!у более чем п раз была активирована;
Л-множество классов альтернативы, А = {а^,\ = 1,|А|, ¡А| > 0, и класс а,- есть пара множеств дуг: множества альтернативных входов 1пг- и множества выходов Ои1/ таких, что в любой момент не более одной дуги из 1п,- может быть включено при условии, что суммарное количество активаций дуг из ¡п,• не больше суммарного количества активаций дуг из От,-, иными словами, если какой-либо из альтернативных входов включен, то пока не будет активирован один из вы ходов, включение любого из альтернативных входов запрещено;
8- множество классов одновременности (синхронного запуска),
Э = {зд-}, 1 = 1<^<|С)|, и класс в/ есть множество дуг, которые должны включаться только одновременно, причем множество Б удовлетворяет трем ограничениям:
1. Каждая дуга входит по крайней мере в один класс одновременности
2. Каждая дуга входит не более чем в один класс одновременности:
3. Никакие две дуги одного класса одновременности не входят в один класс предшествования или в одно множество альтернативных входов:
V Я; Pj еР, ак е А [в, пр^ <2 & ¡Ц п 1пк| < 2.
Определение 4. Маркировка М РБ-сети N = { V, О, 'Г, Л, И, Р, А, Б ) • есть тройка
N= { M(V), M(D), M(R)), где M(V) = {щ}, iin,- -число маркеров в вершине v(-, m{- >0;
M(D) = {qt-,g/},i =l,|Dj, q, -счетчик активаций дуги d,-, q,-äO; g,- число тактов до выключения дуги d/, причем если дуга не включена, gi =0, иначе 0< g(- < % i ;
M(R) = {¡г,-1), i = l,|R|, jr,-J>0 -обьем ресурса г,-;
Определение 5. Маркированной PS-сетью называется пара (N,M), где N - PS-сеть, М - ее маркировка.
Далее будут рассматриваться только маркированные PS-сети, поэтому специального упоминания об этом не будет.
Для нулевого момента времени начальное состояние сети задается начальной маркировкой М° согласно определению 4 следующим образом :
М 0 (V): V i = 1, jvj, m £ - начальное число маркеров в v ;
M°(D): Vi = l,jD|, g?=0, q?=0;
M°(R): Vi = l;jR|, |г,|° - начальный обьем ресурса гг-.
Введем ряд обозначений и определений, необходимых для формулировки правил функционирования PS-сети.
Пусть ArJ(s„) обозначает величину суммарного уменьшения объема ресурса i'j при одновременном включении дуг класса одновременности s„eS:Vi = rjR} Ar;(s„)= £ Дгjj
Определение 6. Назовем класс одновременности s„ возбужденным в маркировке М, если выполняется совокупность следующих условий:
1. Во всех начальных вершинах дуг класса s „ есть маркеры:
V й( = (vy, vk) es„ mj>0.
2. Никакая дуга класса s„ не включена: V d(- es„ g, =0 .
3. Для всех дуг класса &„ выполнены условия предшествования:
Vd{-6S„ 3pj=(dk, di)=>qk>qi.
4. Для дуг класса s„ выполнены условия альтернативных включений:
Vа; еA: snnInj *0 £ qj < £
dein. deOut.
J i J «
5. Включение дуг класса s„ не уменьшит обьем никакого ресурса до отрицательного значения
V г, eR Arf($n) < |r,|.
Определение 7. Фронтом возбуждения I(M) с S называется множество всех возбужденных в маркировке М классов одновременности.
... ■ ■ . . 19
Определение 8. Фронтом включения О(М) с 1(М) называется любое максимальное подмножество фронта возбуждения 1(М) такое, что для него выполняются следующие условия:
1. Суммарное потребление дугами всех классов из О(М) любого ресурса не превышает его обьем :
£Дг/-<8л) * |г,|.
5леС(М)
2. Во всех классах из С(М) нет двух дуг, входящих в одно и то же множество альтернативных входов :
Уа,- еА
и (вдШПу)
8 еО(М)1 Л
<1.
п
Если существует несколько фронтов включения, из них произвольно выбирается один.
Обозначим как в*(М) множество всех дуг, входящих в классы фронта С(М). .
Определим единичную функцию 0(х): _ И,если х>0, 01 - ~ (0, если х <0;
Выделим в момент I множество 0(М?) выключаемых через такт дуг: <2(М')= { с!;: (81 =1) V (<|; еО*(М') & (ц =1)) }
Определение 9. Пусть в момент 1 состояние РБ-сети определяется маркировкой М'. Тогда маркировка М'+1 вычисляется с помощью следующих правил, называемых правилами изменения маркировки :
{.Правило перераспределения маркеров в вершинах:
= Щ ш^1 =ш1- +■ ^Г-ЧУ/М 0(М')|) - Ц|Г С*(М')||,
где Г_1(уг) и Г (у,) - множества соответственно входящих и выходящих дуг для вершины V,-;
2. Правило изменения объемов ресурсов:
У1 = Щ|гг|'+1=|г,|'+ X Дг| - ЕАгГ(зл) ^еОСМО 5яеС(М()
3. Правило подсчета числа активаций дуг: /+1 _ если сЗг-еО(Мг),
V 1 = 1, Ц/ , ,
[я,-, в п.е.; 4. Правило перераспределения маркеров по дугам:
если ё- >0, т} -1, если (11 еС*(М'),
ё\, в п.е.;
Правило 1 определяет закон удаления и добавления маркеров в вершинах таким образом, что если несколько дуг (в частности, одна) имеют общую начальную вершину и входят в классы фронта включения, то из этой вершины удаляется один маркер (рис.1), что может привести к "размножению" маркеров, а если одна или несколько выключаемых дуг „ входят в одну вершину , то в нее добавляет-
^ 1) ся маркер (рис.2), что может привести к А "слиянию" маркеров. Правило 2 определя-0 О Г") ет> 4X0 включаемые дуги потребляют ресурсы, а выключаемые - приращивают. С Рис. 1. "Размножение" маркера помощью правила 3 подсчитывается количество активаций дуг. Правило 4 определяет динамику перемещения маркеров из вершин на дуги и продвижения их по дугам путем уменьшения "лимита времени" gJ• каждого маркера на дуге, причем уменьшение лимита до нуля автоматически означает
удаление маркера с дуги. О (Т) (7) ООО Коротко рассмотрим особенности Ч|/ ^ \Х/ 0Ш1сания и моделирования РБ-сетями у^/ алгоритмов и программных средств
^ ^ ГИВС. Множество вершин V и множе-
Рис 2."Слияние" маркеров ств0 ДУГ ° составляют граф РБ-сети. Он
является однодольным ориентированным графом с петлями и циклами. Назначение графа - описывать компоненты моделируемых алгоритмов и ПО и их самые основные взаимосвязи. В РЭ-сети компонентам моделируемых алгоритмов и ПО сопоставляются дуги, а переход маркера по дуге моделирует выполнение со-ответсвующего процесса. Компонентами ПО могут являться программные комплексы и программы, фрагменты программ и т.д. Поддерживается иерархия моделей. Выбор степени детализации описания ПО определяется прежде всего текущей стадией или итерацией его проектирования. Однако между дугами модели и компонентами ПО не обязательно существует взаимооднозначное соответствие. Например, если программа является реентерабельной и может вызываться сразу п процессорами, то в модели ей можно сопоставить п дуг. Возможно моделирование параллельного ПО, поскольку в РБ-сети вводится понятие классов одновременности (синхронного запуска дуг) и описываются условия параллельного выполнения процессов. Явное задание в РБ-сети базовых конструкций, реализующих различные виды синхронизации (одновременность, предшествование и взаимное исключение), и использование ресурсов позволяют легко описывать и моделировать взаимодействие сложных вычислительных процессов и учитывать аппаратные и программные ресурсы в ГИВС. Введение в явном виде в РБ-сеть модельного времени дает возможность изучать эксплуатационные характеристики моделей алгоритмов и ПО, связанные с понятием времени. Имитация (прогон модели) функционирования ПО представляет из себя процесс смены маркировки М' на интервале модельного времени [0,\У]: М°, М1,...М'К.
2.3. Теоретические аспекты решения задач исследования корректности вычислительных процессов
При построении ГИВС возникает проблема обеспечения корректности вычислительных процессов. Корректность определяет допустимый характер взаимодействия процессов в системе и накладывает ряд ограничений на структуру отношений между ними, тем самым исключая возможность возникновения нежелательных ситуаций, таких как взаимоблокировки (тупики или ёеШоск), вредные зацикливания и т.д. Наиболее часто зти ситуации возникают при наличии в ГИВС параллельных процессов. Условия корректности - это условия, гарантирующие требуемый ход вычислительных процессов при любых наборах исходных данных.
Исследование корректности невозможно без подходящей формальной модели. В качестве таковой предложено использовать Р5-ссть. Формальный аппарат анализа поведенческих свойств РЗ-ссти должен быть достаточно развит, чтобы можно было автоматизировать процедуры исследования на корректность создаваемое ПО. Это требование привело к тому, что было разработано не только теоретико-множественное представление РБ-сети, используемое при определении сети и правил ее функционирования, но и ее матричное представление.
РЗ-сеть N в матричном представлении - это кортеж
где
В+ =1 (Ь;
И:
тип
ГГ. О-, 1Г, 1Г, А , Л , Р+, Р , Н, Т
П1:
|Г>1. п = М,
В
к4
=ы,
% =
1, если дуга <1,-входит в \ у О, в п.е.;
(в п.с. - в противном случае); [ 1,если дуга ф выходит из \о, в п.е.;
1Птх1
Г;,- = Л Г,
+ .
1Г= г,
их/
г,7 = д Гц
■Ы
отх/
А *Г'7]тх/
Г = IА|. »,',
АЧ
Ытх/,' Р</
1, если дуга <¡1; е 4,- е а у,
0, в п.е.;
1, если дуга с5,- е ОШу, ф е а^-;
0, в п.е.;
¡1, если рj =(<1г-, <1к); |о, в п.е.;
1, если ру = (с!д., ф); О, в п.с.;
Р
S = U , c=jS|, = Pvf.0™ d*6 ^
I lJi тжс 'II' У о я п.г. •
[О, в ,п .с.; T = ft 1 fr,, если i = j;
I Vlmxm ' У ~ [ о, в п.с.
Как можно видеть, матричное представление есть совокупность матриц инциденций, определяющих взаимосвязь множеств PS-сети. Строки матриц соответствуют дугам PS-сети, столбцы - вершинам, ресурсам, классам альтернативы, классам предшествования и классам одновременности. Векторы-строки матриц, соответствующие дуге d;- и определяющие инцидентные к ним элементы множеств, обозначаются следующим образом: D^=(dn> d/2, .... d/n), ..., T-* = (ta, ti2, ..., tim). Аналогично обозначаются векторы-столбцы матриц, соответствующие j-м элементам множеств: btj ={AlJt &2j, ..., dm;),..., %j = (tiy, t2j, ..., tmj).
Кроме обычных операций линейной алгебры над векторами и матрицами введены следующие дополнительные операции. Для матриц с целочисленными элементами X и У размерностью /хш и гахп соответственно определены операции
Z = X®Y=[zyj/xn, гу = та.х(хуу^), для k = l,m;
Z = X*=U, fl-если х;у = 1;
I yj/xm' У [о, в п.с.
Пусть а и р - векторы-строки с целочисленными элементами,
а - {«J, а 2, а т }, р = {Р\,@2.....Рп Ь Определим операции
сравнения а <р , a <Р , a > р , a 2.J3 и а ~р , где
"истина", если V i: 0<i</ а{ </9,- и 3 j, 0<jS/:
a j <р j , где / = min(m,n); "ложь", в п.е.; ["истина", если V i: Qsi<,1 ai<Pi ; ["ложь", в п.е.; ["истина", если V i: 0 < i ["ложь", в п.е.;
"истина", если V i: O^i^/at и В j, 0<j</:
'ложь", в п.е.; ["истина", если V i: 0<i</ a >/?,■; 'ложь", в п.с.;.
а </? =
а <Р = а =0 =
а >Р -а >р =
Одними из основных поведенческих свойств Р5-сетсй являются свойства активности: квазиживость и живость.
Определение 1. Под квазиживостью РБ-сети понимается способность каждой ее дуги бьпъ запущенной хотя бы один раз при заданной начальной маркировке М°.
Определение 2. Под живостью РБ-сети понимается способность каждой ее дуги сохранять потенциальную возможность быть запущенной на любой стадии функционирования сети.
Нарушение квазиживости и живости ведет к появлению тупиков.
Определение 3. Локальный тупик в РБ-сети - это такое подмножество Б' ее дуг, каждая из которых обусловливает неквазиживость остальных
дуг из этого подмножества при любой маркировке Мг.
Определение 4. Потенциальный тупик в РБ-сетн - это такое подмножество Ь' дуг, каждая из которых обуславливает неживость остальных дуг из этого подмножества при некоторой маркировке м', достижимой из М°.
С использованием матричного представления РБ-сети и приведенных выше операций над векторами и матрицами, получено матричное описание правил функционирования Р8-сети и решена задача сведения всех отношений РБ-ссти к отношениям предшествования (Р-отношения) и одновременности (Б-отношения) с целью облегчения анализа ее поведенческих свойств. Следствием решения такой задачи является возможность получения матрицы смежности
где Г- знак транспонирования.
Эта матрица является наиболее удобной для анализа Р5-сстн на наличие в ней локальных и потенциальных тупиков.
Показано, что локальный тупик - это подмножество отношений Р', заданных на множестве классов Б', которое образует направленный цикл ожидания одного класса из 5' другим. Показано также, что потенциальный тупик - это подмножество отношений Р', заданных на подмножестве классов 8', которое образует направленный цикл ожидания одного класса из Б' другим при маркировке М', достижимой из М. Это означает, что одним из основных условий корректности вычислительных процессов в РБ-сетях является отсутствие циклов ожидания.
С учетом того, что РБ-сеть - ориентированный граф, разработан алгоритм поиска направленных циклов в РБ-сетях, являющийся модификацией известного алгоритма поиска фундаментальных циклов в неориентированном графе. Исходными данными для разработанного алгоритма является матрица смежности. Этот алгоритм позволяет исследовать модели ПО на корректность без их прогона, т.е. в статике.
2.4. Язык и инструментальная система моделирования и анализа взаимодействующих процессов
Язык описания модели соответствует формальному аппарату РБ-сетей. Этот язык, названный с учетом его сути ЯУП, является входным языком
= 8Т
инструментальной системы моделирования и анализа взаимодействующих процессов (в дальнейшем система моделирования). Отличительная особенность ЯУП наличие собственной системы компиляции, что является наиболее перспективным решением [50].
Представление модели на ЯУП осуществляется в виде совокупности описателей:
<Модель> ;;=<Рссурсм> <Структура> <Предшествование><Одновременностъ>
<Альтернатава><Маркеры> <Останов> <Ресурсы> ::= ^resources' {<ресурс>} <Структура> 'Estructure' <дуга> {<дуга>} <Предшествованне>:::= '#precedance' {<класс Р>} <Одноврем£нность>::= '#syiichronism' {<класс S>} ' <Альтернатива> ::= '#alternative' {<классА>} <Маркеры> ::= '^marking' < маркер> {<маркер>} <Остаиов> ::= '#stop' 'time' '=' <число> ';'
< ресурс > ::= <имя> < число > ';'
< дуга > ::= 'arc' < число > <пара> ['is' < имя >]'{' 'time' —' < число > ';' <функцня>}
< функция > ::= < имя > '=' < пара > ';'
< класс Р > < пара > ';'
< класс S> ;:= <список дуг>
< класс А> ::= '(' < список дуг > ',' < список дуг > ')'';'
< список дуг >::- '{' < число > {',' < число > } '}'
< пара > ::= '(' < число > ',' < число >')'
< маркер > ::= 'vertex' < число > ';'
Система моделирования предоставляет проектировщику следующие основные возможности автоматизированного моделирования:
-описание модели на ЯУП и ввод его в инструментальную ЭВМ с помощью текстового редактора; -трансляция описания модели во внутримашинное представление; -построение по введенному описанию текстово-графического представления модели в виде графа на экране монитора ЭВМ, дополненного текстовой информацией;
-редактирование графического представления модели с помощью специализированного графического редактора; -обнаружение в статике в модели локальных и потенциальных тупиков; -наличие механизма встраивания в модель реальных программ; -запуск прогона модели в непрерывном и пошаговом режиме; -визуальное представление информации в ходе моделирования в виде временных диаграмм выполнения процессов и диаграмм использования ресурсов с возможностью изменения масштаба времени; -анализ диаграмм проектировщиком;
-генерация отдельных длительностей активаций дуг из множества Т по случайным законам.
Программы системы моделирования написаны на языке Си для ЭВМ типа СМ-1420 без графических средств. Полная версия системы реализована на языке С++ и функционирует на ПЭВМ типа IBM PC AT.
2.5. Методы и инструментальная среда для исследования и проектирования алгоритмов и программ
С целью разрешения проблемы повышения точности регистрации и обработки ГИ и проблемы повышения надежности функционирования систем регистрации в условиях помех, а также для проведения метрологической аттестации алгоритмов и программ ГИВС был предложен ряд методов и создана инструментальная среда, позволяющая исследовать предлагаемые методы и алгоритмы и проектировать алгоритмы и программы. Был разработан метод заданной точности вычислений. Он базируется на введении нового формата представления чисел с плавающей запятой, названного форматом заданной разрядности (ФЗР). Число, представленное в ФЗР, может иметь произвольное количество разрядов, отведенных под порядок и мантиссу. При этом имеется возможность задавать требуемую точность вычислений. Был разработан комплекс программ для реализации четырех арифметических действий над числами в ФЗР, для ввода/вывода их с дисплейного устройства и вывода на устройство печати.
Разработана модификация метода, позволяющая оперировать длинными целыми числами, представляющими из себя цепочки байтов. Создан комплекс программ для реализации арифметических действий над ними. В основу алгоритма умножения положен алгоритм быстрого умножения Тоома-Кука, а в основу алгоритма деления - этот же алгоритм и алгоритм нахождения обратного числа по методу Ньютона . Разработана программа перевода длинных целых чисел в ФЗР.
Предложен и разработан метод нестандартных форматов представления ГИ. Он основывается на формате представления данных с фиксированной запятой в дополнении до двух. Для четырехбайтного и трехбайт-ного формата быт? разработаны программы, реализующие арифметические действия над числами с фиксированной запятой в дополнение до двух.
Влияние внешней среды на системы регистрации проявляется, в основном, в виде помех, регистрируемых наряду с полезными сигналами. Это позволило предложить метод имитации внешней среды, суть которого сводится к имитации помех в рамках моделей принимаемых сигналов. Например, в качестве модели регистрируемого сейсмического сигнала от отдельного возбуждения волн используется аддитивная модель, представляющая совокупность N отсчетов {Х(Ш)}, 1 = 1, М, А1 - шаг дискретизации сигнала. Каждый из отсчетов является результатом сложения полезной детерминированной составляющей Р(Ш) (в виде импульса Бер-лаге, импульса Пузырева и т.п.) и шумовой составляющей С (¡Д1)
Х0Д1) = Р(1Д0 + С(1Д1) (2.1)
Для метода отраженных волн, наиболее часто используемого в сеймо-разведке, в общем случае в (2.1) полезная составляющая Р(Ш) представляет из себя сумму М однократно отраженных волн от М отражающих горизонтов
М
РОАО^А^Ф^ЛЬ^), (2.2)
к=1
где Ак, Фк и 1к - амплитуда, форма и время вступления (прихода в точку приема) к-й волны соответственно.
Отсчеты шумовой составляющей С(1А1) формируются как сумма отсчетов регулярной помехи С(Ш) и нерегулярной (импульсной) помехи
С(\М) = в(Ш) + 8(Ш) (2.3)
В методе отраженных волн компонента в(1Л0 объединяет все остальные, кроме однократно отраженных волн, классы волн. Среди них встречаются многократные Яч^АО, поверхностные и иизкоскоростные волны п.чОАг) и микросейсмы пс0Д1). СОМ) представляет из себя суперпозицию таких волн
С(1Л1) = пмаЛ0 + ПпОДО + ПсОАг) (2.4)
Если дополнительно ввести в выражения (2.1)—(2.4) зависимость принимаемых сигналов от координаты х профиля и удаления 4 приемника от источника волн, то получаем модель совокупности сейсмических сигналов, принимаемых несколькими разнесенными по х сейсмоприемниками - многотрассовую сейсмограмму
рЛ(1Д1,£) = [Рх0Л1,г^)]8пов(Ш-©£х)+Хп„)А. 0Д1-ггай) +
} (2.5)
где т £ - кинематический сдвиг волны (т ?=0 при £,=0); х т - кинематический сдвигу'-й многократной волны; Ац / - кинематический сдвиг 1-й низкоскоростной волны; Бпс^Ш-в^) - функция, описывающая свойства
толщи выше линии приведения в виде фильтра с задержкой Щк, равной сумме времени пробега волны от линии приведения до источника и до приемника. Функция Бпоа (¡ДьО^х) является мультипликативной помехой.
Обобщенная модель многотрассовой сейсмограммы после преобразования сигналов в тракте приема сейсморегистрирующей системы выглядит так:
р,ада) = а^[р*ода)]Бй„ , (2.6)
где произведение коэффициентов интенсивности источника упругих волн и чувствительности сейсмоприемника; - функция, описывающая фильтрующие свойства аналоговой части тракта приема.
Для исследования алгоритмов формирования и обработки изображений геофизических объектов разработаны цифровые модели изображений таких объектов, представляемые в виде суперпозиции точечных переизлучателей (т светящихся точечных источников, каждый из которых излучает монохроматическую волну частоты озо- Формируемое ими волновое поле в приемной плоскости (цОу) имеет вид
»1, , i((pP+A<p .) 1 ir.—® /л \ ico t c(A/,v,t)= S|Q^je J 1 j-c ¡ * cos(ñj,fj)Mje 0 , (2.7)
где v - скорость распространения волн в геологической среде, Л1у -элемент поверхности объекта, j-й переизлучатель находиться на расстоянии Tj от точки Р(ц,у). Выражение (2.7) описывает поле как зеркальных объектов, у которых фаза фу коэффициента отражения (пропускания) Q\¡ постоянна, так и поле диффузно-рассенвающих объектов (имеется случайная добавка к фазе <ру).
^ Величины и моменты появления помех в (2.1)-(2,6) и добавка A(p¿ к фазе в (2.7) имитируются с помощью датчиков псевдослучайных чисел с равномерным и (или) нормальным законами распределения.
При создании систем обработки запросов в ОС предложено использовать также имитационный подход. В этих случаях при проведении исследований генерируются подаваемые tía вход подсистемы обработки запросы в виде пуассоновского потока. С этой целью были программно реализованы соответствующие датчики псевдослучайных чисел.
Все созданные комплексы программ написаны на языках Макроассемблера и Фортран-77, объединены с помощью диалогового монитора и образуют на миниЭВМ СМ-1420 инструментальную среду, позволяющую исследовать предлагаемые при создании ГИВС методы, подходы и алгоритмы, а в некоторых случаях и проектировать алгоритмы и программы ГИВС. Для работы в среде создан проблемно-ориентированный язык, описывающий множество типов и видов моделируемых сигналов и множество операций над ними. Унарные и бинарные операции имеют соответственно вид
<имякоманды> <операнд>, <результат>
<имя команды> <операнд 1 >, <операнд 2>, <результат> (2.8)
Реалгаован ряд специальных операций цифровой обработки сигналов: сдвиг элементов сигнала SDVIG <сдвиг>, <сигнал>; инверсия сигнала INVERT <сигнал>, <результат> и т.п.
3.Методы, модели ц инструментальные средства для программирования, отладки и тестирования ПО ГИВС
3.1. Метод отладочного монитора и средства для его реализации
При разработке и отладке программных и аппаратных средств специализированных встроенных микроЭВМ систем регистрации такие микроЭВМ обеспечиваются дисплеем с клавиатурой для связи с разработчиком. При этом применение стандартных отладчиков не представляется возможным из-за требования большого объема занимаемой ими ОП. Поэтому был предложен и реализован метод отладочного монитора, "прошиваемого" в ПЗУ (ППЗУ) или загружаемого в ОЗУ специализиро
ванной микроЭВМ с НМЛ или ГМД и позволяющего выполнять раз- . личные операции управления отладкой программных и аппаратных компонент непосредственно на микроЭВМ (занесение адреса, считывание данных, запуск программ и т.д.) [28].
Инструментальные средства, реализующие метод представляют из себя собственно монитор отладочный и ряд программ, обеспечивающих загрузку монитора и подлежащих отладке программ в ОП специализированной микроЭВМ с НМЛ или ГМД и обрабатывающих ситуации, связанные с включением питания микроЭВМ, со сбоями в цепи питания и т.д.
Основные команды монитора делятся на зри группы: -команды для просмотра на экране дисплея и изменения содержимого памяти и регистров микроЭВМ;
-команды выполнения программ пользователя (передача управления по адресу ХХХХХ, выполнить подпрограмму, находящуюся по адресу ХХХХХ, возврат в программу пользователя после вызова монитора как подпрограммы и т.д.); -команды для размещения программ, включая монитор, в ОП. В мониторе отладочном реализован алгоритм перехвата прерываний, возникающих из-за ошибок в отлаживаемой программе. При этом на экране дисплея высвечивается символ, обозначающий наличие ошибки в выполняемой программе, и адрес команды, вызвавшей ошибку.
Для отладки ПО специализированных микроЭВМ на основе МПК К1801 и К588 созданы две версии инструментальных средств. Одна из них ориентирована на использование в процессе отладки в составе микроЭВМ обычного дисплейного устройства, а другая - интеллектуального терминала в виде ПЭВМ 1ВМ РС АТ, соединенного со специализированной микроЭВМ линией связи. Последняя версия отличается от первой тем, что монитор отладочный позволяет загружать отлаживаемые программы из ПЭВМ и обрабатывать различные ошибки при обращении к каналу ПЭВМ.
Созданы также инструментальные средства для отладки программ и аппаратуры специализированных микроЭВМ на основе МПК К580 и К1821, Для каждой из трех версий инструментальных средств монитор отладочный реализован на языках Ассемблера и занимает менее 2 Кбайт памяти микроЭВМ.
3.2. Модели, методы и инструментальные средства для отладки ПО
Для проведения комплексной (динамической) отладки ПО ГИВС предложен и разработан метод имитационного моделирования. Основные его положения: комплексная отладка программ ведется на технологической ЭВМ, система команд которой совпадает с системой команд специализированной микроЭВМ ГИВС, при этом вместо отсутствующих нестандартных периферийных устройств (ПУ) микроЭВМ используются их имитационные модели. Учет влияния внешней среды на ГИВС производится на технологической ЭВМ с использованием описанного выше ме-
тода имитации внешней среды и реализующих его инструментальных | программных средств.
Моделирование нестандартных устройств на технологической ЭВМ проводится следующим способом. Во-первых, создается модель специализированной микроЭВМ на уровне программно-доступных регистров, причем ячейки ОП, имитирующие регистры нестандартных ПУ, объединяются в специальную секцию ЯСБЕК. Во-вторых, разрабатываются программные модули, имитирующие функционирование нестандартных устройств. Команды вызова программных модулей-имитаторов встраиваются в отлаживаемую программу перед обращением к регистрам устройств. В каждом модуле-имитаторе присутствует секция ¡ЮБЕК, что обеспечивает доступ к одним и тем же ячейкам ОГ1 технологической ЭВМ разным программным модулям. В отлаженном таким образом ПО перед поставкой его на реальную ГИВС требуется только удалить строки обращения к модулям имитаторам и в заголовках программ заменить мнемонические обозначения регистрова нестандартных устройств истинными адресами последних [28,35].
Для тестирования драйверов отсутствующих устройств ГИВС был предложен и разработан метод тестирования драйверов виртуальных устройств [19]. Суть его в том, что функции того или иного устройства, отсутствующего в составе ГИВС, выполняет в диалоге снабженный тест-таблицей человек. Последний, руководствуясь тест-таблицами для каждого устройства, в диалоговом режиме подает на вход тестируемого драйвера верный или ошибочный код и тем самым имитирует любую из возможных ситуаций проведения операций обмена управляемыми сигналами и данными между тестируемой программой и обслуживаемым ею устройством. Проверяемая программа должна правильно отреагировать на созданную ситуацию засылкой соответствующих кодов в регистры устройства и выдачей диагностического сообщения.
Для поддержки разработанных методов отладки и тестирования ПО и реализации имитационных моделей нестандартных устройств ГИВС для ЭВМ типа СМ-1420 ("Электроника 60Д" и т.п.) на языке Ассемблера созданы соответствующие инструментальные программные средства. Программа, обеспечивающая диалоговый режим работы в методе тестирования драйверов, позволяет разработчику визуально контролировать ход выполнения обменов между драйверами и виртуальными устройствами. Если при комплексной отладке требуется моделировать работу специализированной микроЭВМ в РВ, то дополнительно применяется таймер, разработаны средства оценки времени выполнения программ и средства их синхронизации.Созданная библиотека программных моделей функционирования нестандартных устройств ГИВС в случае необходимости может пополняться программами, разработанными в соответствии с заложенными требованиями.
В большом числе встроенных микроЭВМ и МВС в составе ГИВС в качестве устройств хранения программ и данных используются перепрограммируемые полупроводниковые запоминающие устройства (ППЗУ).
Для записи информации в ППЗУ и ее контрольного чтения разработан технологический комплекс на базе микроЭВМ "Электроника-60" с НМД СМ 5400. Программные средства комплекса позволяют оператору в диалоге работать с ППЗУ в следующих режимах: запись файла с различных внешних устройств в ППЗУ с каталогом и по абсолютному адресу, чтение содержимого ППЗУ в ОП технологической микроЭВМ и т.п. Реализованы также ряд дополнительных функций и библиотека сервисных программ.
Изложенные в пп.3.1. и пп.3.2. методы, модели и описанные инструментальные программные средства позволяют решить проблему создания ПО ГИВС параллельно с разработкой аппаратуры таких систем. Более того, методически обоснованное их применение позволяет также разработать высоконадежные программные средства ГИВС.
3.3. Метод и средства генерации ПО
Средства генерации, во-первых, должны позволить реализовать спроектированное в рамках метода специализации универсальных ОС семейство специализированных ОС для встроенных микроЭВМ. С их помощью ведется функционально-параметрическая адаптация универсальной ОС с учетом особенностей специализированной микроЭВМ и специфики применения ГИВС.
Во-вторых, средства генерации необходимы для получения системного и прикладного ПО для конкретной ГИВС из унифицированного ПО, созданного для семейства (класса) ГИВС. Разработка этих средств упрощается, если на стадии проектирования ПО применены принципы параметрической универсальности и принцип унификации ПО.
Наконец, в-третьих, средства генерации необходимы для получения всего спектра конкретных вариантов ОС МВС: от инструментальных вариантов с большим набором сервисных функций до бортовых исполнительных ОС МВС с минимальными потребляемыми ресурсами и ограниченным набором модулей, пригодных для "прошивки" в ПЗУ бортовых МВС.
В качестве метода генерации выбран метод условного ассемблирования и условной компоновки как наиболее точный метод подгонки созданного ПО под требования к конкретной ГИВС (конкретного пользователя). По мнению академика А.П.Ершова генерация ПО на основе такого метода относится к технологии синтеза программ из готовых компонентов, названной конкретизирующим программированием.
Реализация такого метода предполагает создание системы генерации (СГ), включающей мощный макропроцессор и ряд сервисных программ, в том числе позволяющих вести диалог разработчика с СГ. В качестве макропроцессора использовался макроассемблер, включающий макропроцессор и ассемблер для ведения условного ассемблирования. Язык генерации, на котором проходит диалог с СГ, является языком "выбор из меню". В процессе генерации пользователь имеет возможность видеть, в каком месте дерева генерации он находится в данный момент времени,
сколько байт памяти занимает добавленный программный модуль и каков общий объем памяти, занимаемый сгенерированными программами.
В случаях, когда в качестве универсальной ОС для создания семейства специализированных ОС или когда в качестве базовой однопроцессорной ОС для ОС МВС применялась ОС РАФОС, СГ разрабатывалась на основе средств генерации ОС РАФОС. Для этого использовался макропроцессор ПА ГЕН, причем стандартные ПАГЕН-программы генерации были расширены директивами, запрашивающими значения параметров программных модулей, выполняющих мультипроцессорные функции, или функции, специфичные для той или иной однопроцессорной ОС.
Генерация ПО, "прошиваемого" в ПЗУ (ПО для встраиваемых микроЭВМ, исполнительные ОС для бортовых МВС и т.п.), отличается от генерации инструментальных ОС наличием дополнительного этапа. На этом этапе специальная программа "просматривает" загрузочный модуль, подготавливаемый к "прошивке" в ПЗУ, и составляег для него таблицу системных функций, для которых требуется ОС. Затем эта таблица передается СГ и ведется генерация необходимой ОС.
Созданные СГ позволяют также включать в состав ранее разработанного ПО новые программы, имеющие статус пользовательских.
3.4. Метод пересекающихся копий ОС и метод логических процессоров
Анализ показал , что при решении задач, стоящих перед современными ГИВС и требующих как повышенной производительности, так и отказоустойчивости, наиболее подходящими являются МВС М1МО-архитектуры (классификация по Флинну). Причем самые перспективные из них - МВС, имеющие разделяемую область ОП за счет использования локальных и/или общих модулей ОП. Среди них в качесгве целевой системы выбрана МВС, включающая процессоры с локальной ОП (ЛОП), локальными периферийными устройствами (ЛПУ) и системой команд микропроцессора МПК типа К1801; модули общей ОП (ООП) и разделяемые общие устройства (ОПУ).
В развитие метода базовой однопроцессорной ОС для целевой МВС предложен способ организации ее ОС, названный методом пересекающихся копий ОС. ОС МВС будет состоять из размещенных в ЛОП копий базовой однопроцессорной ОС, расширенных мультипроцессорными функциями и названных локальными ядрами (ЛЯ) ОС. В ООП эти копии будут пересекаться, т.к. там будут размещены используемые ими общесистемные структуры данных (ОСД), необходимые для выполнения указанных функций.
Высокая сложность создания МВС обусловливает важность проведения разработки ОС параллельно с разработкой аппаратных средств. Ввиду отсутствия опытных образцов аппаратуры МВС было предложено для отладки ОС использовать только инструментальную однопроцессорную ЭВМ, совместимую по системе команд с целевой МВС. При этом возникает задача создания таких методов и инструментальных средств,
которые бы позволяли представить среду МВС на однопроцессорной ЭВМ.
Для решения этой задачи был предложен метод, в соответствии с которым создавалась иллюзия наличия многих процессоров (логических процессоров (ЛП)), каждый из которых имеет свою ЛОП, а также доступ к ООП. Каждому ЛП периодически сопоставляется физический процессор и для каждого ЛП поддерживается свой набор регистров и PSW [38]. Создание и использование ЛП состоит в выделении ЛОП и ООП в памяти инструментальной ЭВМ, загрузке ЛОП и ООП программами, в том числе ЛЯ, и данными и переключением физического процессора с выполнения кодов из ЛОП одного ЛП на другой. Аппаратным средством организации ЛОП и ООП является диспетчер памяти (ДП) инструментальной ЭВМ типа ДВК-ЗМ, а программным программа-диспетчер. С помощью ДП физическое адресное пространство делится на равные логические адресные пространства-разделы (рис.3,). Младшая часть раздела будет представлять ЛОП, а старшая - ООП.
Кб Фиигкскос npoci'paiicmo Виртуальные iipoapamcma (разделы) Кб
Рис. 3. Пример реализации метода логических процессоров
В ЛОП раздела загружаются ЛЯ и задачи, а в ООП - ОСД и программа-диспетчер, которая переключает физический процессор между разделами. Для реализации метода также внесен ряд изменений при генерации используемой базовой ОС, учитывающих наличие разделов.
3.5.Технология проектирования и синтезирующего программирования для разработки диалоговых компонент ПО ГЙВС
При создании любой ГИВС, являющейся человеко-машинной системой, значительное место отводится вопросам организации диалогового интерфейса с системой. В ряде случаев эффективность диалоговых ГИВС
определяется в значительной степени эффективностью диалоговых подсистем управления.
С целью теоретического обоснования и решения ключевых вопросов разработки технологии программирования диалоговых компонент ПО ГИВС и с целью проектирования эффективных алгоритмов функционирования конкретных диалоговых подсистем управления ГИВС была поставлена задача исследования эффективности различных структур и языков ведения диалога в ГИВС в зависимости от уровня подготовки геофизика. При решении задачи а качестве моделей человеко-машинного взаимодействия в ГИВС использовались РБ-сети. Одним из взаимодействующих процессов являлось формализованное поведение геофизика. Формализация последнего сводилась к выделению выполняемого геофизиком процесса изменения состояния данных и к нагрузке соответствующих дуг РБ-сети определенными значениями ресурсов 11, причем эти значения зависели от уровня подготовки К пользователей (К=0 - неопытные, К= 1 - опытные) ГИВС. Учитывалось также время Чн, затрачиваемое геофизиком на каждую ыо операцию: визуальное восприятие, анализ выходного сообщения системы и принятие определенного решения, а также время ввода геофизиком в ЭВМ информации, зависящее от уровня его подготовки и от операционной сложности работы в рамках выбранного типа диалога, другими словами - от количества КБ набираемых на клавиатуре дисплея символов. В силу зависимости времен 1:,I и 12 от множества разнородных и не поддающихся формальному описанию человеческих факторов, определяемых индивидуальными психофизиологическими особенностями геофизика, его профессиональным уровнем и опытом работы на ЭВМ, конкретизация их значений для каждой модели диалога проводилась на основании эмпирических данных ') с учетом основных принципов эргономики2). Задавались значения <п и Ь из определенных временных интервалов, выбор минимального, максимального и среднего значений из которых имитирует неформализуемые особенности геофизика в пределах заданного К.
Каждая модель диалога состоит из двух компонент: первая описывает стадию формирования, ввода и анализа запроса, а вторая стадию диалога по параметрам вызываемых программ. В качестве моделей первой компоненты с номером II1 в результате анализа выбран командный тип диалога (111=1) и диалог типа иерархического меню (и 1=2). Для второй компоненты с номером 112 использовались три типа диалога: командный (Ш=1), "вопрос-ответ" (112=3) и заполнение шаблона (172=4). Тогда совокупная модель имеет составной номер и=ШиШ, где Ш = {1,2}, и2={0,1,3,4}, причем 0 - отсутствие диалога по параметрам.
На рис. 4 приведены основные результаты моделирования в виде зависимости времени I формирования, ввода и анализа запросов и значений параметров программ от типа диалога для случаев опытных (К=1) и не-
'>Диалоговые системы. Современное состояние и перспективы развития / А.М.Довгялло и др. - Киев: Наукова думка. 1987.-248 с.
2>Введение в эргономику / Под редакцией В.П.Зинченко .- М.: Сов.радио, 1974.-352 с.
к=о
опытных (К=0) пользователей-геофизиков. Значения 1 получены с вероятностью 0,95. Пунктиром относительно средних значений I (сплошные линии) указаны границы доверительных интервалов.
Анализ результатов моделирования, проведенного с помощью системы моделирования взаимодействующих процессов, позволил сделать следующий вывод: практически интересными являются варианты организации диалогового интерфейса в ГИВС, описываемые моделями 10, 20 (последняя незначительно проигрывает модели 10 по времени обработки запроса, но более рационально использует ОП) и 14 для опытных геофизиков и варианты, описываемые моделями 20 и 24 для неопытных геофизиков. Это означает, во-первых, что создаваемая технология программирования диалоговых компонент ГИВС обязательно должна содержать инструментальные средства для разработки диалога на языках выбор из меню и заполнение шаблона. Во-вторых, при разработке эффективных алгоритмов функционирования диалоговых подсистем управления конкретных ГИВС для опытных геофизиков необходимо исходить из общей квазидинамической структуры диалогового взаимодействия на основе
использования командного языка формирования запросов с реализацией отдельных жестко структурированных диалоговых фрагментов (диалог по параметрам), а для неопытных - полностью ориентироваться на жесткую структуру диа-
1-1-1-!-1-1—» лога.
ю 20 13 14 23 24 и Для создания средств ведения Рис< 4 диалога типа меню и типа заполне-
ния шаблона была разработана сквозная технология проектирования и синтезирующего программирования. На первом и втором этапах этой технологии, являющихся подготовительными, разработчик формирует сценарий диалога и представляет его в виде графа (диаграммы состояний), а затем разрабатывает спецификации класса задач для реализации этого сценария. На третьем этапе он с помощью инструментальных средств, названных конструктор диалога, реализует сценарий: строит логическую схему иерархических меню (указывает связи), набор элементов каждого меню и шаблона и описывает назначение каждого элемента с учетом спецификаций задач. На четвертом этапе ведется "наполнение" диалога, т.е. на основе спецификаций задач выбираются требуемые программные модули из Конструктора диалога и ведется их настройка для обслуживания диалога и выполнения управляющих сервисных функций, например, просмотра, ввода и редактирования пользователем значений параметров, передачи их в прикладные программы и т.п. Суть последних двух этапов близка к идеям синтезирующего программирования по А.П.Ершову, что и отражено в названии созданной технологии.
Ч 121086420-
По этой технологии разработчик диалогового интерфейса имеет возможность с помощью любого текстового редактора задать на специальном языке, являющимся входным языком Конструктора диалога, всю необходимую для организации диалога информацию. Разработано несколько Конструкторов диалога. Для миииЭВМ типа СМ-1420 и микроЭВМ семейства "Электроника" созданы два таких инструментария: первый позволяет разрабатывать диалоговые подсистемы управления ГИВС для работы с программами, написанными на языке Паскаль, а второй - на языке Макроассемблера. Соответственно интерпретатор первого Конструктора диалога переводит программы на входном языке в программы на языке Паскаль, а транслятор второго - на язык Макроассемблера. Для ПЭВМ типа IBM PC AT также разработан Конструктор диалога, имеющий транслятор и позволяющий создавать диалоговые подсистемы, управляющие программами, написанными на языках Си, Фортран-77 и Паскаль.
3.6. Технология интегрированных оболочек
Проведенный в п. 1.2. анализ специфики и проблем создания математического и программного обеспечения систем обработки ГИ позволил сформулировать следующие принципы, закладываемые при разработке таких систем:
-система должна позволять путем ее реконфигурирования и адаптации формировать семейство АРМов вплоть до АРМа для конкретного пользователя-геофизика;
-ПО каждого АРМа - это программы для поддержки интегрированной среды (наличие взаимоувязанных средств хранения и оперирования значениями параметров программ, текстовых и графических редакторов и т.п.) и комплекс программ обработки ГИ для выполнения того или иного этапа ее обработки.
Для реализации этих принципов были предложены и разработаны метод создания интегрированных сред и модифицированный метод сборочного программирования. Суть первого в том, что система обработки ГИ создается как интегрированная оболочка и из нее формируются интегрированные среды АРМов. Отметим, что существующие интегрированные (иногда говорят операционные) оболочки, используемые для создания интегрированных сред на ПЭВМ, не могут служить основой для систем обработки ГИ в силу отсутствия ряда требуемых функций, а существующие интегрированные среды (Lotus 1-2-3, Framework и т.п.) не могут применяться в АРМах из-за их закрытости и ограниченности функций. Основными компонентами создаваемой интегрированной оболочки являются:
-Конструктор диалога типа меню и заполнения шаблона;
-средства поддержки специализированной БД значений параметров программ обработки ГИ;
-средства поддержки специализированной БД архивных наборов использованных значений параметров программ обработки ГИ;
-средства протоколирования запусков программ обработки в текущем сеансе работы пользователя и ведения архива и протоколов;
-встроенный в оболочку текстовый редактор, а также возможность подключения при необходимости стандартных текстовых редакторов и процессоров;
-встроенный графический редактор и средства подключения стандартных графических редакторов;
-средства, включая язык, для формирования, редактирования и хранения графов обработки ГИ (по сути это средства формирования самим пользователем диспетчера для управлением процессом обра ботки ГИ);
-средства для организации интерфейса со стандартными СУБД, оперирующими ГИ;
-средства построения программного интерфейса между оболочкой (или интегрированной средой) и программами обработки, включая формирование пользователем для любой программы окна на экране дисплея и вывод в него информации из этой программы;
-средства поддержки интерактивного режима, дают возможность пользователю вмешаться в процесс выполнения отдельной программы или графа обработки с последующим их снятием с выполнения, рестартом и т.д.;
-средства настройки внешнего вида АРМ под индивидуальные потребности пользователя (перемещение окон, изменение их размера, изменение цвета окон и фона, изменение символов и т.п.).
Эти компоненты путем генерации и адаптации оболочки, а в случае разработки диалога и путем применения средств его создания позволяют формировать интегрированные среды для конкретных АРМов.
Предложенный модифицированный метод сборочного программирования отличается от известного метода сборочного программирования, во-первых, тем, что включение программ обработки ГИ в среду конкретного АРМа выполняется только на уровне значений параметров этих программ, размещаемых в специализированных БД. После внесения на НМД имени файла, содержащего включаемую в комплекс программ АРМа программу, в БД вносятся для каждого из параметров программы его имя, тип, конструируется правило для описания области допустимых значений, начальное значение параметра и комментарий к нему. Второе отличие заключается в том, что сборка программ для запуска на обработку осуществляется не программистом, а конечным пользователем путем описания на специальном языке графов обработки из включенных программ и корректировки значений параметров программ, входящих в граф. Допускаются случаи, когда результаты работы одной или нескольких программ служат значениями параметров, подаваемыми на вход другой программы (программ) этого же графа. Однако и в таких случаях обмен значениями параметров осуществляется через специализированную БД.
Для реализации разработанных методов созданы инструментальные средства, представляющие из себя комплекс программ на языке Си для
ПЭВМ типа IBM PC AT, образующий интегрированную оболочку, комплекс программ для генерации из нее интегрированных сред АРМов и средств включения новых программ [48], Коротко остановимся на некоторых их особенностях. Средства для включения программ позволяют формировать параметры программ 6 типов: 1NTEGER*2, INTEGER*4, REAL*4, REAL*8, ТЕХТ(символьный) и Р1ЬЕ(файл). Для конструирования правил при описании области допустимых значений параметров разработан специальный язык. Он позволяет задавать эту область как функционал от значений других параметров и констант соответствующего типа, формировать правила как сложные арифметические выражения с заданием различных уровней вложенности выражений и с использованием различных условий типа: =, <=, >=, <, > и т.д. Правила могут включать несколько условий, объединенных логическими операциями OR (ИЛИ) и/или AND (И). После завершения конструирования правила осуществляется его синтаксических анализ. Другой особенностью инструментальных средств включения является реализация режима включения новых программ по эталону (прототипу).
Инструментальные средства, поддерживающие специализированную БД, позволяют обмениваться значениями параметров включенным в среду АРМов программам обработки, написанным на языках Си, Паскаль и Фортран-77.Эти средства, представляющие из себя набор функций библиотеки ITL_F.LIB, позволяют работать с программами на языках Фортран-77 и Паскаль, а набор функций библиотеки ITL_F,LIB, выполненной в LARGE-модели, работать с программами, написанными на языке Си. Для реализации операций обмена программы обработки компонуются с этими библиотеками.
Для осуществления гибкого управления набором программ, включенных в граф, создан специальный язык. Он состоит как из группы простых операторов типа STOP (задает точку останова графа), GOTO <имя метки> (передает управление на метку) и т.д., так и ряда сложных операторов: FOR-ENDFOR (операторы цикла), IF-ELSE (операторы ветвления) и т.п. Унарные и бинарные операции над цифровыми сигналами имеют вид (2.8), Этот язык совместно со средствами создания новых графов и редактирования уже существующих позволяет использовать АРМы не только как инструмент пользователя-геофизика для обработки ГИ, но и как инструментальную среду для комплексной отладки программ.
Разработанные принципы, методы и инструментальные средства, а также методика их рационального применения позволяют говорить о новой технологии программирования и отладки ПО для обработки ГИ, получившей название технологии интегрированных оболочек.
3.7. Средства поддержки параллельного программирования
При проектировании и разработке ПО для МВС, входящих в состав некоторых ГИВС, к традиционным трудностям добавляется ряд новых проблем, связанных со взаимоблокировками (тупиками), образованием слишком большого числа параллельных процессов и т.д. При проектиро-
вании параллельного ПО (ППО) приходится решать новые задачи, связанные,с выбором типа синхронизации, степенью "дробления" ПО на .параллельно выполняемые фрагменты и т.п. При программировании и отладке программ для МВС также возникают значительные трудности, что связано, например, с трудностью проведения на МВС традиционной трассировки, с возможностью восприятия программистом некоторых нежелательных эффектов параллелизма как логических ошибок программы и т.д.
; Анализ указанных проблем позволяет сделать вывод о том, что средства проектирования и разработки ППО, полностью базируется на традиционных подходах, часто оказываются неэффективными. Так, например, при применении языков параллельного программирования, а также в случае применения традиционных алгоритмических языков, расширенных параллельными операторами, использование программистом средств описания параллелизма и синхронизации ничем не ограничено. Это и приводит к написанию некорректных параллельных программ. Все изложенное указывает на актуальность разработки новых подходов к созданию ППО, которые бы позволяли как можно раньше проводить анализ корректности и эффективности ПО, повышали его надежность и быстродействие.
В п.2.1 изложен оригинальный метод двухуровневого проектирования ПО, область применения которого, как нетрудно видеть, распространяется и на проектирование ППО. Именно представление на ЯУП структуры управления ППО - это первый этан проектирования ПО на верхнем уровне - позволяет легко в последующем моделировать с помощью описанной в п.2.4. инструментальной системы разбиение ПО на параллельно выполняемые фрагменты, анализировать с помощью этой системы синхронизационные, временные и ресурсные особенности выполняемых параллельных программ, а также анализировать их на корректность. Нижний уровень проектирования в методе - это уровень проектирования конкретных программ, можег выполняться с использованием традиционных методик, но с учетом результатов проектирования ППО (оптимизированной структуры параллельно выполняющихся программ и т.п.) на верхнем уровне.
, Для стадии программирования и отладки программ для МВС в развитие метода двухуровневого проектирования ППО предложена технология трехэтаиного программирования и отладки ППО. Основные ее положения таковы [51]. На первом этапе ведутся программирование, автономная отладка и тестирование конкретных программ, специфицированных в результате проектирования ПО на нижнем уровне. На втором этапе для комплексной отладки по управлению созданных программ используются результаты проектирования ППО на верхнем уровне и система моделирования взаимодействующих процессов, имеющая механизм встраивания реальных программ. Наконец, на третьем этапе, учтя недостаточность комплексной отладки программ только по управлению и необходимость отладки и тестирования ППО в отсутствии аппаратных
средств реальных МВС, для комплексной отладки и тестирования программ применяется исполняющая система, функционирующая на однопроцессорной ЭВМ и позволяющая осуществлять запуск реальных программ с учетом временной диаграммы выполнения процессов, полученной при проектировании ППО с использованием РБ-сетей. Система моделирования со средствами встраивания реальных программ и исполняющая система составляют основу инструментария технологии. Разработан ряд методических указаний по эффективному их применению.
Исполняющая система должна реализовывать алгоритм секвенсориза-ции, т.е. преобразования параллельно-последовательной структуры запусков программ в соответствии с временной диаграммой, полученной при моделировании ППО РБ-сетями, в строго последовательную структуру запусков на однопроцессорной ЭВМ. Причем это преобразование должно быть таково, что результаты вычислений при той и другой структуре запусков потенциально должны совпадать. Алгоритм разработан на основе теории семантики параллельных программ Хоара-Овицки-Гриса. В частности, учтено, что одна из аксиом теории гласит: результат выполнения любого из операторов Оь Ог, Оп в параллельном операторе
соЬедо О1ЦО2Ц...ЦОП соеп<1 тот же, что и в случае его изолированного выполнения при условии, что эти операторы разделены. Последнее означает, что эти операторы или не имеют общих переменных, или наличие общих переменных у операторов не влияет на ход вычисления параллельного оператора. При соблюдении этих условий операторы О1, Ог, ...,Оа в параллельном операторе можно выполнять как параллельно, так и последовательно в любом порядке. Различия в вычислительных результатах при выполнении параллельного оператора и смене порядка выполнения операторов 01 указывают на нарушение указанных условий корректности распараллеливания. Учитывая изложенное и представляя каждый фронт включения в (см.п.2.2.) как параллельный оператор теории Хоара-Овицки-Гриса, а программные компоненты ППО, сопоставляемые дугам с!ГО, описывая операторами 01, было дано теоретическое обоснование возможности отладки и тестирования ППО на однопроцессорной ЭВМ по результатам его моделирования РБ-сетями. Критерием отсутствия ошибок в ППО, связанных с некорректным распараллеливанием, является неизменность результатов вычислений при выборе любого порядка запуска программ на параллельных участках.
Для сокращения числа переборов вариантов запуска программ разработан ряд оригинальных алгоритмов. Например, один из них основан на операции инвертирования порядка запуска программ, осуществленного перед инвертированием, поскольку такая операция значительно повышает вероятность обнаружения ошибок, если они существуют.
Исполняющая система реализована на языке Си++ для ПЭВМ типа 1ВМ РС АТ.
Коротко.остановимся на инструментальных средствах создания ППО для встраиваемых МВС [45]. Разработка надежного ППО для таких МВС, используемых в системах регистрации ГИ, в сжатые сроки является крайне сложной задачей и немыслима без эффективных инструментальных средств. В качестве таких средств предложено использовать ПЭВМ типа IBM PC с соответствующим ПО как интеллектуальный терминал по отношению к МВС. Для реализации этого подхода необходима аппаратная связь ПЭВМ с МВС и наличие ее системной программной поддержки как у МВС, так и у ПЭВМ. Такой инструментальный комплекс должен позволять программисту вести отладку и тестирование программ для встраиваемых МВС в удобной и привычной ддя него среде на ПЭВМ (с использованием стандартных редакторов, отладчиков и т.п.) и затем передавать их в среду ОС МВС, где они обрабатываются компилятором Си. Единственное условие - программы для МВС должны быть написаны на языке Си, соответствующем стандарту ANSI.
Инструментальный комплекс создан на базе ПЭВМ IBM PC AT и двухпортового устройства МС 4102, обеспечивающего связь любых двух процессоров МВС через порты COMI и COM2 с ПЭВМ IBM PC АТ/286/386. Он предназначен для программирования МВС с системой команд ЭВМ семейства "Электроника" и с ОС МВС, совместимой с однопроцессорными ОС РАФОС или ОС RTI1SJ. На период разработки ППО МВС снабжается НМД типа Винчестер. Оригинальная системная программная поддержка комплекса включает в себя программы в среде ОС МВС и MS DOS ПЭВМ для управления операциями межмашинного (ПЭВМ-МВС) обмена, драйверы портов COMI и COM2 и программы поддержки пользовательского интерфейса. Эти средства также обеспечивают возможность работы программисту с интегрированной файловой системой. Программист, находясь в среде MS-DOS, имеет доступ через устройство МС 4120 к любому из двух процессоров МВС. Имеется также возможность выполнения команд MS-DOS, подобных командам ОС МВС (COPY, FORMAT, DIR, PRINT и т.д.) без ключей и функциональных расширений, в ОС МВС. В среде MS-DOS воспринимаются адаптированные к ней сообщения ОС МВС, а также интерпретируются диагностические сообщения компилятора MULTI-C. Использование таких возможностей значительно ускоряет процесс разработки 11 ПО.для МВС.
4. Алгоритмическое и программное обеспечение нижнего уровня распределенных сейсмических ИБС
Этот и Последующие два раздела посвящены применению созданных и описанных в разделах 2. и 3. теоретических основ и инструментальных средств для проектирования и разработки алгоритмического и программного обеспечения конкретных ГИВС. В сейсморазведке и сейсмологии по сравнению с другими методами прикладной геофизики реги-
стрируется наибольший объем информации, а алгоритмы ее обработки наиболее сложны. Это позволяет результаты практического опробования на сейсмических системах развитых методов и инструментальных средств распространить на ГИВС, используемые для реализации других геофизических методов.
В разделе 1 сделан вывод о перспективности телеметрических двухуровневых распределенных систем регистрации с программным управлением на каждом уровне иерархии. Ниже приводятся результаты создания алгоритмов и ПО нижнего уровня таких систем для сейсмических исследований, представляющих из себя распределенные микропроцессорные системы - совокупность разнесенных на местности измерительных модулей (ИМ) со встроенными специализированными микроЭВМ.
4.1. Системное ПО специализированных микроЭВМ ИМ
Основное требование к вычислительным средствам ИМ - обеспечить в РВ сбор, предварительную обработку и передачу сейсмических данных в сейсмический канал, а также контроль работоспособности блоков ИМ. Квант РВ определяется шагом дискретизации принимаемых сейсмических сигналов и изменяется в зависимости от методики работ от 0,25мс до 4мс для сейсморазведочных систем и от 10 мс для сейсмологических. Соответственно специализированная ОС микроЭВМ ИМ, создающая среду для прикладных программ, также должна функционировать в РВ. Анализ, учитывающий жесткие требования к мощности, потребляемой каждым ИМ, и, как следствие этого, учитывающий жесткие требования к объему ОП и производительности микропроцессора ИМ, отнесенных к потребляемой ими мощности, показал, что получить специализированные ОС с требуемыми характеристиками методом специализации универсальных ОС невозможно и тогда необходимо "с нуля" создавать такие ОС для микроЭВМ ИМ на нове микромощных МПК К588 и К1821.
Анализ результатов, полученных с помощью системы моделирования, показал, что специализированные ОС, во-первых, должны обслуживать прикладные процессы в ИМ и внешние воздействия в зависимости от величины кванта РВ (от величины шага дискретизации сигнала сЗО как "по готовности", так и "по прерыванию" и, во-вторых, должны реализовы-вать, как наиболее рациональную из существующих приоритетную дисциплину диспетчеризации без переключений [17,28]. Суть последней в следующем. Диспетчер ОС для исполнения выбирает процесс, находящийся в состоянии готовности и имеющий наивысший приоритет. Процесс, получивший процессор, владеет им до тех пор, пока сам не приостановит свою работу, даже если для выполнения готов процесс с более высоким приоритетом. Исключением служит обработка прерываний от устройств ввода/вывода. Диспетчер осуществляет управление прикладными процессами на основе анализа состояния каждого процесса, которое отображается в блоке управления процессом (БУП). Все БУП связаны в кольцевой список. Процесс, БУП которого находится в начале списка,
имеет наивысший приоритет. Тот факт, что ввод/вывод сейсмической информации в/из ИМ осуществляется в регулярные интервалы времени, позволяет разработать прикладные процессы и назначить им приоритеты так, чтобы они успевали закончить обработку одного данного в известный квант времени.
В состав, каждой специализированной ОС кроме упомянутого диспетчера процессов могут входить программа начального пуска, программы обслуживания очередей, обработки прерываний от ввода/вывода и программы поддержки службы времени. Созданы унифицированные ОС на языке Макроассемблера для микроЭВМ на основе МПК К588 и на языке Ассемблера (Intel) для микроЭВМ на основе МПК К1821 [28]. Из них с помощью СГ (см.и.3.3.) генерируются и записываются в ПЗУ (ППЗУ) исполнительные ОС для нижнего уровня конкретных систем регистрации.
4.2. Прикладные алгоритмы и программы сейсморазведочных ИМ
Автономное функционирование ИМ, находящихся в случае использования в телеметрических системах проводных и оптоволоконных линий связи на растояиии нескольких километров, а в случае радиоканала - на расстоянии до десятков километров от БРК, обусловливает необходимость обеспечения надежного выполнения их программных средсгв нри искажении информации, сбоях и частичных отказах аппаратуры. Применялась следующая совокупность принципов, способов и методов обеспечения и повышения надежности ПО ИМ. Во-первых, применялись принципы иерархического многоуровневого модульного проектирования и программирования, позволяющие более тщательно специфицировать, кодировать и отладить программы, что ведет к надежному их функционированию. Во-вторых, велась разработка, в том числе с использованием принципа алгоритмической избыточности, алгоритмов, нечувствительных к различного рода нарушениям вычислительного процесса. В-третьих, применялось резервирование программ или их частей, а также использовались другие методы введения структурной избыточности, включая помехоустойчивое кодирование данных. Наконец, должное внимание уделено программному контролю работоспособности аппаратной части ИМ.
Повышение надежности ИМ в целом, а их ПО в частности, производилось также путем правильного выбора формата представления в микроЭВМ сейсмических данных, позволяющего ограничить в соответствии с заданными требованиями к ИМ ошибки округления и накопления при выполнении арифметических операций [28]. Результаты исследования позволили считать, что для микроЭВМ на основе МПК К588 эти операции следует выполнять, используя целочисленную арифметику с достаточным размером мантиссы. Причем применение четырехбайтного формата с фиксированной запятой позволяет в РВ выполнять требуемое число накоплений сейсмических сигналов для всех типов невзрывных источников возбуждения упругих волн. Использование трехбайтного формата с фик-
сированной запятой в дополнение до двух уменьшает на четверть размер памяти ИМ для временного хранения данных в ЗУ по сравнению со случаем четырехбайтного форматам, но позволяет использовать сейсмо-разведочные системы только с ударным источником возбуждения. Как эти результаты, так и часть результатов исследований применимости вышеизложенных принципов, способов и методов повышения надежности ПО получены с использованием инструментальной среды, описанной в п. 2,5,
Решение проблемы повышения достоверности сейсмической информации по телеметрическим каналам от ИМ к БРК можно достичь, применяя помехоустойчивое кодирование данных в ИМ перед их передачей. Анализ показал, что блочные коды ведут к повышенной избыточности передаваемой телеметрической информации, что неприемлемо для сейсморе-гистрирующих систем. Кроме того, такие коды недостаточно хорошо справляются с исправлением пачек ошибок, с другой стороны методы непрерывного кодирования вообще недостаточно развиты. Проведенные исследования позволили предложить модифицированный векторный метод, который сохраняет основные достоинства векторного метода (Скотт Э., Гетшель Д., США): один контрольный бит на слово, простую схему кодирования и возможность непрерывного кодирования данных. Наряду с этим модифицированный векторный метод включает в себя [41]: надежный способ декодирования, позволяющий не только обнаруживать все комбинации ошибочных бит, но и исправлять двойную ошибку или значительную часть многобитовых ошибок, включая пачку размером не более 17 бит, и весьма простое правило построения систем кодирующих векторов. Кодирование данных с его помощью основано на взаимосвязи вертикального (по слову) и двумя перекрестными (по нескольким словам) контролю по четности. Каждый контрольный бит, передаваемый вместе с информацией, получается суммированием по модулю 2 информационных и контрольных бит согласно системе из трех векторов. Например, для кодирующей системы, исправляющей пачку ошибок размером 17 бит, уравнение вычисления контрольного бита имеет вид
8 8 8
С(т+37,0)=о£С(т + 37,0 ® о£С(т + 18 + Я,8-1) ® о£С(т + 2и) , I о о
где С(т,Г) - ьй бит т-го слова; ® и _ знаки суммы по модулю 2.
Для обнаружения ошибочных бит следует пользоваться выражением 8
К(т+37)= [С(т+37,0 ® С(т +18 + Я,8 - й ® С(т + Я, 0], 1
Бит признака ошибки К(т) заносится в вектор признаков ошибок. Наличие в последнем единиц указывает на присутствие ошибочных бит в принятом элементарном блоке данных. Размер элементарного текущего корректирующего блока, определяемый длиной параллельного слова и схемой расположения друг относительно друга трех кодирующих векторов, равен количеству слов, покрываемому трехвекторной системой. По-
лучено правило построения рациональной системы расположения векторов.
Решен ряд задач контроля работоспособности аналогового тракта ИМ, которые сводятся к определению значений следующих основных параметров (Стандарт СЭВ 748-77): амплитудно-частотная характеристика, фазовая неидентичность,каналов, взаимное влияние между каналами, фазовая нёидентичность каналов, коэффициент нелинейности, уровень шума,крутизна фильтра низких частот, (ФНЧ), крутизна фильтра верхних частот (ФВЧ), глубина подавления режекторного фильтра, частота среза ФНЧ и частота среза ФВЧ. В результате обработки отклика ИМ на стандартный гармонический синусоидальный или импульсный сигнал определяются значения каждого из этих параметров. Выход значения параметра за допустимые пределы означает неисправность соответствующего блока аналогового тракта ИМ. При разработке алгоритмов и программ контроля параметров использовались выбранные в результате численных экспериментов базовые алгоритмы оценки характеристик отклика ИМ [33].
Разработка алгоритмов и программ контроля работоспособносги специализированных микроЭВМ ИМ велась с учетом жестких требований на время выполнения тестов и объем занимаемой ими памяти микроЭВМ. Создан тест ЗУ большого объема и адаптированы известные тесты ОП и ППЗУ.
Выбранные на основе исследований форматы представления сейсмических данных и все описанные выше подходы и алгоритмы повышения надежности ПО реализованы не только для сейсморазведочных ИМ, но и для ИМ сейсмологических регистрирующих систем.
Рассмотрим алгоритмы и программы, ориентированные на микроЭВМ ИМ только сейсморазведочных систем. Уменьшение объема передаваемой на БРК сейсморазведочной информации достигается благодаря выполнению микроЭВМ ИМ предварительной (первичной) обработки данных, которая, в частности, заключается в синхронном вертикальном накоплении (суммировании) значений отсчетов сейсморазведочных сигналов в одном и том же временном сечении. Предложен и разработан оригинальный способ вертикального накопления сигналов с обнаружением и редактированием импульсных помех, свободный от недостатков существующих способов [34]. По этому способу отсчеты сигнала от первого возбуждения записываются в память ИМ без предварительной обработки. При приеме сигналов от второго возбуждения вычисляется разность отсчетов второго и первого возбуждений и последняя усредняется на достаточно большом временном интервале. Результат усреднения характеризует уровень регулярных помех и используется затем для анализа сейсмосигналов от последующих возбуждений с целью обнаружения и редактирования импульсных помех. Важным преимуществом предложенного способа и реализующих его алгоритмов по отношению к существующим является снижение требования к объему памяти ИМ: объем ОП определяется лишь числом отсчетов принимаемых сейсмосигналов.
В результате проведенного с использованием выражений (2.1)-(2.6) численного моделирования с вероятностью 0,95 установлено, что для разработанных алгоритмов отсчет сигнала с импульсной помехой уверенно распознается для значения нормирующего коэффициента V > 2,3+0,11. Исследования позволили также получить простое решающее правило при обнаружении импульсной помехи без потери точности вычислений и алгоритм редактирования выявленных помех. Более подробно эти результаты изложены в работах [21,34].
Моделирование показало, что программная реализация всего набора разработанных прикладных алгоритмов возможна в режиме РВ, причем с учетом производительности микроЭВМ на базе МПК К588 при и 4мс каждый ИМ может функционировать в РВ с использованием механизма обработки прерываний от устройств ввода/вывода, а при Дг=0,25; 0,5; 1мс - по готовности [28].
Разработанное по этим алгоритмам, на языке Макроассемблера прикладное ПО и сгенерированная из описанной в п.4.1. унифицированной ОС для микроЭВМ на основе МПК К588 специализированная ОС использованы в ИМ телеметрической сейсморазведочной системы УКВ АРС, созданной в СНИИГиМС (г.Новосибирск).
4.3. Алгоритмическое и программное обеспечение сейсмологических ИМ
ИМ, входящие в состав нижнего уровня сейсмологических систем, должны обеспечивать ждущий режим регистрации, смысл которого заключается в обнаружении и регистрации только полезных сигналов из всего потока поступающей от естественных источников упругих колебаний (землетрясений) сейсмологической информации. При этом весьма сложные алгоритмы обнаружения сигналов (сейсмособытий как результата геологических явлений) могут быть реализованы как аппаратным (Лебедев К.А.и др. Россия), так и программным (Райзман В.И., Казахстан) способом. Каждый ИМ оснащен микроЭВМ и ЗУ большого объема и представляет из себя сейсмологическую мини станцию,которая наряду со сбором информации от группы сейсмометров обеспечивает обмен данными и командами по телеметрическому каналу с БРК. Передача данных от ИМ инициируется в строго заданные моменты времени соответствующей теле-жомандой с БРК. В отличие от ИМ, применяемых в сейсморазведке, шаг дискретизации сейсмологических сигналов ск>=10мс.
Проведенные с использованием системы моделирования (см.п.2.4.) исследования показали, что вычислительной мощности одной микроЭВМ на базе МПК К588 в составе ИМ недостаточно. Для реализации всего набора функций ИМ в РВ необходимо применение двухмашинного комплекса из таких микроЭВМ. Связь между ними можно обеспечить через дуплексные регистры, что является наиболее простым, но вполне достаточным схемотехническим решением для получения требуемой скорости обменов между микроЭВМ, Ведущая микроЭВМ поддерживает работу с БРК и управляет второй микроЭВМ, называемой ведомой. Функции,
выполняемые ведущей микроЭВМ: прием, распознавание телеметрических команд от БРК, передача управляющих команд ведомой микроЭВМ, прием данных от нее, их помехоустойчивое кодирование и передача в телеметрических канал, контроль работоспособности своих блоков и телеметрического канала. К функциям, возлагаемым на ведомую микроЭВМ, относятся: сбор сейсмологической информации от сейсмометров в ждущем режиме и кольцевая запись оцифрованных данных в одну из зон ЗУ, анализ данных на предмет обнаружения сейсмособытия, сбор сейсмоинформации в рабочем режиме (сейсмособытие возникло) и запись ее последовательно в свободные зоны ЗУ, формирование каталога событий, прием команд от ведущей микроЭВМ и передача ей данных и результатов их предварительной обработки, а также контроль работоспособности аналогового тракта, ЗУ и блоков самой микроЭВМ.
Разработан и программно реализован на языке Макроассемблер ряд алгоритмов обнаружения полезных сейсмологических сигналов, включая предложенный нами оригинальный способ анализа геодинамических процессов [8]. Реализованы описанные модифицированный векторный метод помехоустойчивого кодирования и алгоритмы контроля работоспособности аналогового тракта ИМ, а также тесты ЗУ, ОП и ППЗУ.
Для каждой из микроЭВМ двухмашинного комплекса сгенерирована своя специализированная ОС из описанной в п.4.1. унифицированной ОС. Эти ОС отличаются тем, что диспетчер каждой из них работает со своим БУП, поскольку набор прикладных процессов и их приоритеты для ведущей и ведомой микроЭВМ различны. В ОС ведомой микроЭВМ работа с ведущей микроЭВМ и с блоком ввода сеймологических сигналов осуществляется по прерыванию и процессы выполняются в режиме РВ. ОС ведущей микроЭВМ также обеспечивает среду для выполнения в РВ прикладных процессов, ведет обработку прерываний от ведомой микроЭВМ и отслеживает работу с телеметрическим каналом по готовности.
Созданное системное и прикладное ПО внедрено для двухмашинных ИМ сейсмологической системы "Пассат" с телеметрическим радиоканалом, разработанной в ИГиГ СО АН СССР (г.Новосибирск).
4.4. Алгоритмы и программы автономных ИМ для региональной сейсморазведки и сейсмологии
В последние годы при проведении региональных геофизических исследований и в сейсмологии все чаще находят применение автономные ИМ со встроенными микроЭВМ, расставляемые на местности на больших расстоя ниях друг от друга и работающие в ждущем режиме. Регистрируются только обнаруженные полезные сигналы. Такие ИМ в отличие от ИМ, описанных выше и составляющих нижний уровень регистрирующих систем, обладает некоторыми функциями верхнего уровня систем, в частности, функцией регистрации (консервации) полезной сейсмоинформации на магнитную ленту, в твердотельную память большого объема или на НМД типа Винчестер. Отбор зарегистрированной таким образом информации осуществляется оператором путем сбора заполненных кассет с магнитной лентой или путем периодического подключения вози-
мого компьютера к ИМ и перекачки в него зарегистрированной информации. В случае автономных ИМ необходимость в БРК отпадает,а зарегистрированная информация поступает сразу в центр обработки.
Разработанные и описанные в пп. 4.2, 4.3 алгоритмы обнаружения полезных сигналов и предварительной обработки сейсмических данных, алгоритмы контроля работоспособности аналогового тракта и цифровых блоков и т.п. использовались и для автономных ИМ. Однако необходимость в помехоустойчивом кодировании сейсмоинформации и в реализации функций приема, отработки и передачи команд телеуправления ввиду отсутствия связи по телеметрическим каналам с БРК отпала.
Созданные алгоритмы программировались на языке Ассемблера для микроЭВМ на основе МПК К1821. Программы внедрены на комплекс аппаратуры ждущего режима регистрации КАРС-1А-ЖУ-01, разработанный на заводе "Казгеофизприбор" (г.Алма-Ата). Комплекс представляет из себя совокупность ИМ, названных разработчиками "полевые сейсмические станции записи первичной информации", и возимый блок полного контроля и настройки таких ИМ. Каждый ИМ и блок контроля имеет встроенную микроЭВМ на базе микромощного МПК К1821. Программы ИМ реализуют перечисленные выше функции в РВ, причем квант РВ определяется шагом дискретизации принимаемых сигналов и равен 4,6,8 или 10 мс. Каждый ИМ имеет регистратор - низкоскоростной НМЛ, ведущий регистрацию только обнаруженных полезных сигналов. Генерация специализированных ОС для ИМ и блока контроля осуществлялась из унифицированной ОС, описанной в п.4.1.
5.Алгоритмическое и программное обеспечение бортовых регистрирующих комплексов
Ниже рассматриваются алгоритмы и программы для БРК различных телеметрических регистрирующих систем. При проектировании алгоритмов и программ учитывалось, что БРК могут иметь различное число функций в зависимости от того, входят ли они в состав регистрирующих систем, у которых ИМ с "жесткой" логикой управления, или БРК являются верхним уровнем иерархии по управлению и обработке в случае систем с ИМ со встроенными специализированными микроЭВМ, образующими нижний уровень иерархии.
Весьма перспективными в настоящее время являются сейсмические регистрирующие системы с магистральной структурой БРК и централизованным управлением с использованием микроЭВМ. Наиболее широко распространенной среди этих структур можно считать структуру БРК с интерфейсом "общая шина" (ОШ). Такой интерфейс характеризуется коллективной (магистральной) системой шин управляющей микро-ЭВМ.Все периферийные устройства БРК сопряжены с помощью контроллеров с этой магистралью. МикроЭВМ дополняется пультом оператора, в качестве которого используется обычно дисплейное устройство. Данные, пришедшие по телеметрическим каналам, поступают в БРК
через коммутатор каналов и через устройство приема телеметрической ицформации в буферное запоминающее устройство (БЗУ)большого объема (1,5 Мбайт и более). Управляющие, сигналы для ИМ подсистемы сбора создаются в устройстве формирования телеметрических команд и через коммутатор передаются в телеметрические каналы. К ОШ также подалючаются устройство синхронизации возбуждения для управления источником упругих волн и блок управления энергопитанием системы.
В.тех регистрирующих системах, в состав ИМ которых не входят микропроцессоры и в которых не ведется предварительная обработка сейсмических данных по алгоритмам, рассмотренным в п.4.2, обработка выполняется на БРК, причем для этого обычно используется спецпроцессор. Этот же спецпроцессор выполняет в РВ и корреляционную обработку сейсмических данных в случае вибросейсмических источников возбуждения. Визуализация и документирование сейсмических сигналов осуществляются с использованием графического дисплея и, часто, электростатического плоттера. Экспресс-обработку подлежащей визуализации и документировашпо информации осуществляет в РВ другой спецпроцессор или управляющая микроЭВМ. Признанные годными для консервации сейсмические данные представляются форматором в требуемом формате и записываются на магнитную ленту магнитным регистратором.
Аналогичный набор устройств могут иметь БРК регистрирующих систем для других видов разведки.
5.1.Унифицированная ОС для управляющих микроЭВМ семейства БРК
Анализ требований к системному ПО для семейства БРК, имеющих управляющие микроЭВМ единой архитектуры и одну систему команд, позволил считать, что при проектировании унифицированной ОС для этого семейства можно воспользоваться методом специализации универсальной ОС.
Исследования времени реакции ряда универсальных ОС показали, что выбор следует остановить на отечественной ОС РАФОС или зарубежной ОС 11Т-11, позволяющих создать на их основе унифицированную ОС РВ для семейства БРК, в состав которых входит управляющая микроЭВМ с магистралью ОШ и системой команд ЭВМ семейства "Электроника" (Электроника 60М, Электроника МС1212, СМ 1300, СМ 1300.01 и т.д.).
Унифицированная ОС была создана на основе монитора ЯМОК ОС РАФОС [26,43]. Программы верхнего уровня ОС получили название ядра. Основные функции ядра: обработка программных и аппаратных прерываний, работа с таймером, обслуживание дисплейного устройства и т.п. Входной информацией для программы-диспетчера служат значения параметров из системных таблиц, заполненных оператором перед началом работы регистрирующей системы, и информация о сформированном оператором графе работы (технологической цепочке). Для режима РАБОТА системы характерны несколько основных видов работ: оценка готовности подсистемы сбора, съем и оценка микросейсм, собственно
сбор и регистрация сейсмической информации и т.д. Каждый из видов работ обслуживается отдельной подпрограммой диспетчера. При генерации учитывается, будет ли производиться этот вид и выбирается соответствующая подпрограмма. Перед генерацией ядра исполнительной ОС (ОС для конкретного БРК) СГ сначала просматривает исходные модули всего сгенерированного исполнительного ПО и составляет таблицу макрокоманд, которые будут обрабатываться исполнительным ядром. В соответствии с ней из унифицированного ядра СГ при генерации автоматически выбирает те модули, которые обрабатывают требуемые макрокоманды.
Нижний уровень унифицированной ОС образуют разработанные программы-драйверы, Эти программы совместно с контроллерами управляют периферийными устройствами (ПУ) БРК. Наряду с подходом "одно устройство - один драйвер", применен другой подход - использование векторных драйверов, обслуживающих несколько устройств БРК. Их еще называют драйверами технологических цепочек, поскольку одна программа управляет работой нескольких обменивающихся информацией устройств и позволяет реализовать определенный подрежим работы системы, например, запись информации па магнитную ленту (задействованы БЗУ, форматор и магнитный регистратор). Такой подход к созданию драйверов позволяет снизить время реакции конкретной ОС РВ при обслуживании устройств БРК. Для ПУ, входящих в состав многих БРК рассматриваемого семейства сейсморегистрирующих систем, создан большой набор драйверов. Если при включении в состав БРК нового устройства не окажется соответствующего драйвера, то он разрабатывается в соответствии со стандартом унифицированной ОС и включается при генерации ПО на конкретную регистрирующую систему.
Особое место в унифицированной ОС занимает набор программ для загрузки ПО с различных устройств хранения программ (ППЗУ, кассетный накопитель на магнитной ленте типа РК-1 и т.д.) в ОП управляющей микроЭВМ. При генерации в состав исполнительной ОС включается программа загрузки, соответствующая используемому в этом БРК устройству хранения программ. Отличительная особенность ряда программ загрузки - наличие при загрузке начального диалога, во время которого оператор обязан ответить на ряд вопросов, В зависимости от его ответов программа-загрузчик считывает с устройства хранения в ОП только требуемые компоненты исполнительного ПО. Такой прием весьма эффективен в БРК, имеющих управляющую микроЭВМ с небольшм объемом ОП.
В качестве СГ унифицированной ОС использовалась система, созданная на основе СГ ОС РАФОС и описанная в п.3.3. Из унифицированной ОС сгенерированы и внедрены исполнительные ОС для первой отечественной сейсморегистрирующей телеметрической системы СТС-1, созданной в СКТБ сейсморазведочной электронной техники (г.Краснодар), и для сейсморегистрирующей системы "Горизонт-ТМ" в СКБ сейсмического программного обеспечения (г.Томск). Исполнительные ОС сгенерированы и внедрены также для бортовой ЦВМ робототех-
ндческого комплекса, созданного в Институте физико-технических проблем РАН (г.Москва) и для ряда вычислительных комплексов НПО Космического приборостроения (г.Москва).
5.2. Унифицированное прикладное ПО БРК семейства регистрирующих систем для сейсморазведки
Ниже рассматривается унифицированное прикладное ПО для семейства БРК для ведения сейсморазведки, имеющих управляющие микроЭВМ с системой команд ЭВМ семейства "Электроника", но отличающихся набором ПУ [24,29]. Такое ПО создано на языке Макроассемблера и состоит из диалогового монитора, программ предварительной обработки сейсмической информации, программ контроля работоспособности системы, программ поддержки визуализации и документирования информации и программ для поиска неисправностей устройств БРК и подсистемы сбора.
Диалог оператора с управляющей микроЭВМ БРК осуществляется в режиме подготовки регистрирующей системы к работе. Оператор должен иметь возможность задать в диалоге последовательность из нескольких подрежимов, организуя тем самым в рабочем режиме различные технологические цепочки, задать значения параметров системы, получить помощь в виде информации о работе с системой и т.д. На основе результатов моделирования диалога в регистрирующих системах при проектировании принято, что в качестве языка общения для неопытного оператора следует использовать язык "выбор из меню", а для опытного оператора язык директив (команд) и заполнение шаблонов. Разработка программ поддержки диалога на языке "выбор из меню" и заполнения шаблонов велась с помощью Конструктора диалога. Созданный унифицированный диалоговый монитор позволяет сгенерировать исполнительный монитор для ведения диалога на одном из этих языков или использовать оба языка. При генерации можно также исключить любой из параметров меню, включить новый параметр, изменить границы любого из них и т.д. Имеется возможность при генерации формировать набор команд языка директив.
Если предварительная обработка сейсмических данных в ИМ отсутствует, то она осуществляется в БРК. Чаще всего алгоритмы такой обработки реализуются на микропрограммном уровне с помощью спецпроцессора. Однако при наличии в составе БРК высокопроизводительной управляющей микроЭВМ эти функции возлагаются на нее. Кроме описанных в и.4.2. алгоритмов программно реализованы различные алгоритмы оценки уровня микросейсм и корреляционной обработки вибросейсмических сигналов. При генерации в состав исполнительного прикладного. ПО включаются программы, реализующие алгоритмы, наиболее подходящие к условиям эксплуатации регистрирующей системы.
Визуализация сейсмических сигналов осуществляется с целью оперативного контроля их качества и сводится не только к одновременной визуализации нескольких сигналов, но и к визуализации разного рода гистограмм (уровни микросейсм, значения контролируемых параметров
системы и т.п.). Документирование предполагает вывод сейсмических сигналов на плоттер. Формирование сигналов для визуализации и (или) документирования ведется по довольно сложным алгоритмам: полосовой поканальной фильтрации,'цифровой регулировки усиления и подготовки к построчному выводу с линейной интерполяцией недостающих отсчетов. Только последний алгоритм учитывает специфику используемых устройств визуализации и документирования. При генерации ведется настройка программы, реализующей этот алгоритм, на работу с конкретным устройством. В некоторых БРК для формирования сигналов при визуализации и документировании используются спецпроцессоры.
Программы для контроля работоспособности регистрирующих систем делятся на программы, осуществляющие его в рабочем режиме, когда наряду с выполнением устройствами БРК своих функций ведется проверка их работоспособности, и осуществляющие контроль в режиме подготовки системы к работе. В первом случае программа-диспетчер отслеживает выполнение технологической цепочки и инициирует работу программ контроля, когда устройства на некоторый период времени становятся свободными.
В режиме подготовки системы к работе в начале осуществляется контроль работоспособности ПУ БРК и управляющей микроЭВМ. Он является более полным, чем в рабочем режиме: ему подвержены все устройства БРК и в качестве алгоритмов используются алгоритмы функциональной диагностики. Затем ведется оценка работоспособности телеметрической подсистемы сбора. При этом контролируется целостность проводных или оптоволоконных телеметрических каналов, проверяется число ИМ на достаточность, осуществляется контроль настройки ИМ и ведется контроль аналогового тракта каждого ИМ, описанный в п.4.2. Отклики ИМ на стандартный тестовый сигнал в случае отсутствия встроенных в ИМ микроЭВМ обрабатываются управляющей микроЭВМ БРК. Созданное унифицированное ПО для контроля работоспособности семейства систем регистрации для сейсморазведки является только вым, поскольку для новой системы с появлением в составе БРК ПУ, отличающихся от программно обеспеченных, следует разрабатывать для них в соответствии с принятым стандартом программы функциональной диагностики.
Для реализации алгоритмов поиска и локализации неисправностей устройств регистрирующих систем используются программно-аппаратурные средства диагноза. Задача создания унифицированных программных средств при поиске неисправностей устройств семейства регистрирующих систем может быть решалась в части создания унифицированного диалогового монитора, управляющего процессом поиска неисправностей. Такой монитор разработан с помощью Конструктора меню.
Генерация исполнительного прикладного ПО для конкретного БРК из созданного унифицированного ПО осуществляется с помощью СГ, описанной в п.3.3. ПО внедрено на телеметрическую систему СТС-1, разра-
52''' ' " " ""
ботанную в СКТБ сейсморазведочпой электронной техники (г.Краснодар).
5.3. ОС для МВС с разделяемой памятью
В последние годы при разработке регистрирующих систем наметилась тенденция к отказу от использования в составе БРК спецпроцессоров. При этом признано, что принципиальным решением проблемы повышения производительности является применение в БРК МВС. На второй ЦП предлагается, например, возложить функции диагностического ядра, на третий ЦП предварительной обработки телеметрической информации и т.п. Наличие отказоустойчивых МВС также позволяет решать актуальную, особенно в полевых условиях, проблему повышения надежности регистрирующих систем. Наиболее перспективным классом МВС, позволяющим решать названные проблемы, как сказано в п.3.4., являются вычислительные системы, имеющие как ЛОП и ЛУП, так и ООП и ОПУ. В качестве целевой из этого класса выбрана МВС, имеющая систему команд семейства микроЭВМ "Электроника" (микропроцессоры К1801, Н1806ВМ2 и т.п.).
Для целевой МВС создана ОС [37,45], которая обеспечивает эффективное управление параллельным вычислительным процессом, организацию отказоустойчивых вычислений и возможность максимального использования существующего ПО однопроцессорных ЭВМ. При ее проектировании и разработке использованы метод базовой однопроцессорной ОС и метод пересекающихся копий ОС, изложенные в п.п. 2.1. и 3.4. В качестве базовой однопроцессорной ОС на основе анализа, учитывающего необходимость работы регистрирующих систем в реальном масштабе времени и ограниченность объема ОП БРК, выбрана ОС РАФОС (ОС RT-11). При этом ОС МВС наследует все компоненты базовой ОС, отвечающие за управление вводом-выводом, файлами, процессами, выполняющимися в процессорном узле, и т.п. Базовые функции были дополнены новыми функциями и модифицированными некоторыми функциями базовой ОС. К таким функциям относятся: ■ -объявление общих ресурсов и управление доступом к ним;
-взаимное исключение процессов, например, при доступе к общим ресурсам;
-синхронизация параллельных процессов; ■: -обнаружение и устранение взаимоблокировок (тупиков); -распределение работ по процессорам; -организация отказоустойчивых вычислений (ОУВ). Коротко остановимся на тех функциях, при реализации которых разработаны оригинальные способы и алгоритмы. Поскольку средств базовой ОС не достаточно для управления конкуренцией процессов, расположенных в различных ЛОП, то дополнительно к ним были разработаны средства, позволяющие объявлять, захватывать и освобождать так называемые абстрактные разделяемые ресурсы. Для последних в их статусе может быть задана привязка к конкретным физическим ресурсам, кото-
рые в таких случаях считаются объявленными в качестве разделяемых ресурсов МВС. Тогда в ЛЯ после захвата ресурса обычными средствами базовой ОС проверяется не является ли он разделенным ресурсом МВС. Если такая связь есть, то соответствующий абстрактный ресурс захватывается средствами ОС МВС, иначе - средствами базовой ОС. Т.о., конкуренция за разделяемые ресурсы МВС сводится к конкуренции за соответствующие им абстрактные ресурсы, а фактически за дескрипторы последних, размещенные в ООП, Тогда в принципе любому объекту можно поставить в соответствие абстрактный ресурс и управлять конкуренцией за этот объект, используя средства захвата и освобождения собственного абстрактного ресурса. Причем, если объект не существует, то получается удобное средство взаимоисключения и синхронизации процессов.
Разработаны средства для обеспечения удаленного выполнения команд и распределенного выполнения командных файлов, что позволяет легко управлять распределением работ по процессорам. Предложен и реализован алгоритм быстрого перемещения ЛЯ по ОП без перезагрузки.
Анализ особенностей подсистемы управления ресурсами позволил в качестве адекватной модели для обнаружения и устранения тупиков использовать граф распределения ресурсов (ГРР)3'. Эта модель дополнена возможностью описывать не только принадлежность ресурсов процессам и требования процессов на ресурсы, но и такие связи процессов, при которых снятие одного из них приводит к снятию других. В рамках такой расширенной модели ГРР разработаны алгоритмы обнаружения и устранения тупиков. Алгоритм обнаружения тупиков основан на поиске всех простых циклов в ГРР. При разработке алгоритмов выхода из тупикового состояния доказана и использована следующая теорема.
Теорема. Для алгоритмов выхода из тупика, построенных с учегом особенностей расширенной ГРР-модели, справедливо неравенство
п, , ,
Ы 5=И=2 ]
где Иа - количество подмножеств процессов, просматриваемых на предмет снятия; кс - количество простых циклов, выявленных в структуре тупика при его обнаружении; п - общее количество процессов во всех кс циклах; Бу - количество процессов, образующих ;)-й цикл. Эта теорема позволяет оценивать сложность проектируемых алгоритмов.
Разработан алгоритм выхода из тупика, сводящийся к поиску подмножества процессов с минимальной ценой снятия, который отличается от существующих тем, что учитывает не только собственные стоимости снятия каждого процесса, но и стоимости снятия связанных с ним процессов.
Разработан базовый набор средств поддержки ОУВ. Эти средства предоставляются пользователю для организации им различных способов обеспечения ОУВ на МВС. В качестве основных средств контроля дан-
3>Singhal М. Deadlock Detection in Distributed Systems //Computer-1989. Vol.22, №11. PP. 37-48
54 ......
ных и порядка вычислений созданы средства образования и сравнения контрольной информации (точек контроля), а для восстановления вычислений - средства установки точек восстановления и отката к ним. С использованием указанных средств разработан алгоритм организации ОУВ в двухпроцессорной системе, предполагающий дублирование вычислений с откатом при рассогласовании результатов и сравнение как новых, так ранее полученных точек контроля,
Для повышения надежности МВС предложен и реализован оригинальный способ резервирования ПУ на уровне операций ввода-вывода, позволяющий резервировать ПУ как целиком, так и отдельными участками на других, в некоторых случаях и разнотипных ПУ или их участках [38].
ОС МВС реализована на языке Макроассемблера.Генерация версий ' Инструментальных и исполнительных ОС МВС осуществляется с помощью СГ, описанной в п.3.3. Сгенерированы и внедрены инструментальный и бортовой варианты ОС для двухпроцессорных вычислительных систем в Российском НИИ космического приборостроения (г.Москва). Сгенерирована ОС для двухпроцессорной системы каротажной лаборатории ЛОЗА-01, созданной в СКТБ геофизической техники (г.Томск).
5.4. ПО каротажной лаборатории ЛОЗА-01
Наиболее перспективным направлением автоматизации промыслово-геофйзических исследований скважин признано создание возимых полевых каротажных лабораторий на базе микроЭВМ. Одной из первых отечественных лабораторий является "ЛОЗА-01". Используемая в ее составе двухпроцессорная вычислительная система с системой команд семейства микроЭВМ "Электроника" управляет в РВ процессом сбора и регистрации данных каротажа и осуществляет их предварительную обработку, а также функциональную диагностику ПУ. Исследование скважин ведется с помощью спускаемых скважинных приборов (СП), тип которых зависит от типа каротажа. Лаборатория "Лоза-01" работает с СП 18 типов,включая каверномеры и профилемеры. Спуск СП и датчиков технологической информации в скважины ведется каротажным подъемником.
В.состав наземной части (аналог БРК сейсморегистрирующих систем) лаборатории "Лоза-01" входят следующие ПУ: графический и системный дисплеи, графический регистратор каротажных кривых на электрохимическую бумагу (устройство документирования), магнитный регистратор, блок функциональных преобразований (БФП) и блок подключения всех СП (БПСП). Наиболее сложным и многофункциональным устройством является БФП: он содержит как аналоговый тракт приема сигналов от СП, АЦП, так и цифровую часть, включая программно-управляемые преобразователи цифровых сигналов. Основная функция БФП - преобразовывать информационные сигналы от СП и датчиков технологической информации в цифровой код. БПСП обеспечивает передачу электропитания и сигналов управления к СП и датчикам технологической информации, а также выделение информационных сигналов,
приходящих от СП к наземной части лаборатории по телеметрическому каналу.
Для управления ресурсами каротажной лаборатории использовалась ОС для двухпроцессорной системы с набором драйверов СП, разработанных в отделе АП Кибернетического центра ТПУ. Особенностью этой версии ОС является наличие программы-загрузчика ПО с предварительным диалогом, в результате которого в ОП каждого процессора считывается с НМЛ типа СМ 5300 или из ППЗУ только требуемые программные модули. Контроль работоспособности вычислительных средств лаборатории производится как при подготовке лаборатории к работе, так и во время ее работы с использованием второго ЦП [35,38].
Функциональная диагностика нестандартных устройств каротажной лаборатории проводится перед началом ее работы. Для этого в ОП вычислительной системы с помощью упомянутой программы-загрузчика последовательно загружаются тесты. Наиболее сложными являются тесты БФП и БПСП. Тесты построены по принципу проверки функциональных возможностей этих устройств в различных режимах работы: электрического каротажа, акустического каротажа и т.п. Роль того или иного СП выполняет соответствующая программа-имитатор. Используется также программа имитации движения СП в скважине.
Диалоговый монитор реализует диалог с пользователем на языке выбор из меню. Программы поддержки визуализации и документирования данных каротажа учитывают специфику используемых в лаборатории графического дисплея и графического регистратора.
Созданное ПО написано на языке Макроассемблера и введено в состав каротажной лаборатории, выпущенной малой серией опытным производством СКТБ геофизической техники (г.Томск).
6- Алгоритмическое и программное обеспечение систем обработки ГИ
6.1. Системное ПО интерактивной сейсмической обрабатывающей системы ИНСОС
В техническом отношении созданная система ИНСОС представляет из себя специализированную вычислительную систему с набором ПУ, построенную на базе миниЭВМ СМ-1420 и одного или нескольких спецпроцессоров. К системной магистрали через контроллеры подключены как стандартные (НМЛ СМ-5300, НМД СМ-5400 и СМ5408, АЦПУ СМ-6315, ряд алфавитно-цифровых дисплеев и т.п.), так и нестандартные ПУ: -кодировщик графической информации КГИ-1; -графический дисплей (ГД) СМ-7316 векторного типа; -трехцветный графопостроитель (ГП) барабанного типа АТЛАС-5; -электростатический плоттер ЭСПУ-2М; -два или три НМЛ типа ЕС-5012 (ЕС-5017); -программируемый процессор ПМП и т.д.
Такие технические средства позволяют создавать обрабатывающие системы для решения задач обработки и интерпретации ГИ на экспедиционном уровне.
Системное ПО ИНСОС проектировалось с использованием метода специализации универсальной ОС. В качестве базовой ОС с учетом требований к создаваемой обрабатывающей системе выбрана ОС РАФОС-2. Ряд программ этой ОС, не обеспечивающих необходимой эффективности :и требуемого времени реакции системы на интерактивные запросы, был .заменен или модифицирован. Так, полностью заменены средства общения ОС с пользователем, включая клавишный монитор и интерпретатор .командной строки. Модификации подверглись драйвер системного терминала, программы обработки внутренних прерываний, а также модули, отвечающие за перехват внешних прерываний от графических ПУ.
Наличие в составе системы ИНСОС разнообразных ПУ для ввода/вывода графической информации и для интерактивного взаимодействия определило необходимость и значимость разработки эффективных алгоритмов управления этими ПУ и потоками графических данных. С помощью системы моделирования взаимодействующих процессов исследовались два; варианта драйверов: взаимодействующих с прикладными программами (ПП) по стандартному протоколу ОС РАФОС-2 через ядро ОС либо имеющих непосредственный контакт с ПП за счет совместной компоновки драйверов и ПП или за счет их совместной загрузки в ОП. Результаты моделирования показали, что второй вариант' предпочтительнее [44}. Особенно он эффективен при реализации интерактивных процедур с использованием графического дисплея СМ-7316: реактивность системы ИНСОС увеличивалась в 2,6 раза. По второму варианту реализованы драйверы для ПУ: ГД СМ-7316, КГИ-1 и ЭСПУ-2М. Решена также задача оптимальной организации управления графическими данными и обмена ими мевду ПП. Предложены принципы унификации внутрисистемного формата представления графических данных, который реализован путем введения таких структур как метафайлы.. .. -..
Учитывая ограниченные ресурсы миниЭВМ СМ-1420, с помощью системы моделирования исследованы четыре наиболее подходящих способа межмодульной передачи значений параметров ПП, заданных геофизиком, от диалогового монитора (ДМ) системы к ПП. Результаты моделирования позволили остановиться на способе, использующем представление ПП в виде загрузочного модуля в определенном формате, и разработать алгоритм динамической загрузки ПП в ОП с произвольного ее адреса. Необходимость такой загрузки ПП определяется тем, что при обработке данных сейсморазведки состав графа обработки и последовательность обрабатывающих процедур не являются априорно заданными, а формируются геофизиком в диалоге с ЭВМ.
Функция динамической загрузки программ с предварительной настройкой их позиционно-зависимых кодов в общем случае на произволь-
ный стартовый адрес осуществляется разработанной и включенной в состав ОС программой-диспетчером. На нее возложены также функции:
-планирование и динамическое распределение ОП миниЭВМ для загрузки в нее программ;
-обеспечение интерфейса между ДМ и ПП по диалоговым данным (параметрам ПП).
Механизм интерактивного взаимодействия геофизик - ЭВМ базируется на системе прерываний от устройств интерактивного ввода символьной и графической информации и двухзадачной схеме организации вычислительного процесса, подразумевающей выполнение ПП в оперативном разделе, а модулей обработки интерактивных прерываний - в фоновом [27]. Интерактивной редакции могут подвергаться различные графические изображения: временные и глубинные разрезы, линии опорных горизонтов и т.д.
Системное ПО реализовано на языке Макроассемблера.
6.2. Прикладные алгоритмы и ПО системы ИНСОС
В состав прикладного ПО системы входят ДМ и ряд комплексов ПП для обработки, визуализации и документирования сейсморазведочной информации. При разработке языков ведения диалога и алгоритма функционирования ДМ учитывались результаты моделирования диалогового взаимодействия "геофизик-ЭВМ", изложенные в п.3.5. При реализации ДМ применялась технология проектирования и синтезирующего программирования.
ДМ состоит из интерпретатора диалоговых запросов и резидентного ядра. Это позволяет достичь высокой реактивности при обработке запроса при минимально требуемом объеме ОП. Резидентное ядро представлено головным модулем, управляющим всеми компонентами монитора и осуществляющим связь его с диспетчером, а также модулями терминального ввода/вывода, реализующими функции обмена информацией между геофизиком и ЭВМ. Нерезидентная часть ДМ состоит из модулей лексического, синтаксического и семантического анализа поступающих запросов, сервисных диалоговых подпрограмм, модулей поддержки словаря входных и выходных сообщений и внутренних таблиц со сценариями диалога. ДМ реализован на языке Макроассемблера.
Анализ известных СУБД для миннЭВМ типа СМ-1420 позволил остановиться на реляционной СУБД МИКРОС, обеспечивающей геофизику удобное оперирование хранимыми в сейсмической и графической БД данными.
Созданы комплексы программ для стандартной кинематической обработки сейсмических данных в рамках метода общей глубинной точки (ОГТ), включая процедуры препроцессинга, и комплекс программ динамической обработки данных площадной сейсморазведки методом цифровой голографии (продолжение волновых полей).
Укажем на оригинальную сторону первого комплекса программ, выделяющую его из уже существующих комплексов, реализующих граф стан-
дартной обработки сейсмической информации. Процедура ввода и последующей коррекции статических поправок (СтП), исключающих влия-.(•■:■ >•■ ние верхних неоднородностей (зоны малых скоростей) и рельефа дневной и поверхности, является одной из ключевых процедур графа стандартной ,!■. обработки. Учитывая дефицит априорной информации, существующие процедуры автоматической коррекции СтП, применяемые в известных ; • комплексах ПП, в ряде практических важных случаев не позволяют гарантировать требуемую точность определения кинематических пара-
• . метров сейсмических сигналов. Разработанный и реализованный ориги-. .'. надыши алгоритм ввода и интерактивной коррекции СтП с активным (¡и . -привлечением к выполнению этой процедуры геофизика дает требуемую
:>' -■= точность результатов.
; В состав второго комплекса входят программы формирования, филь-: -грации и обработки изображений. Разработка оригинальных алгоритмов и программ этого комплекса велась с использованием результатов численного моделирования процесса формирования и фильтрации модельных изображений геофизических объектов, полученных на основе выражения (2.7). Так, в [3,6] показано, что для улучшения качества сформированных топографических изображений е(^,г!.г;оэо), где - продольные координаты, г - поперечная координата точки геологической
• "среды, в качестве метода построения фильтра в условиях неточного за-•. дания передаточной функции Н среды следует использовать метод регуляризации А.Н.Тихонова. Передаточная функция такого фильтра имеет
• вид
Н
; .,„. IIй—---г, (6.1)
' где * - знак комплексного сопряжения; а - параметр регуляризации;«)^^ - пространственные частоты; п, р - призвольные положительные числа. Это позволило провести ряд численных экспериментов по оценке эффективности алгоритма фильтрации на основе (6.1) в рамках задачи восстановления изображений двух плоских зеркальных объектов, лежащих в параллельных плоскостях на различных расстояниях ъ от дневной поверхности [7]. Изображения каждого из них осложнены шумом от соседнего объекта вследствие конечной разрешающей способности голо-графической системы по г. Критерием качества изображений являлось
' 7
среднее квадратичное отклонение (среднеквадратичная ошибка) сЕ полученного в результате фильтрации изображения интенсивности Е=е2 от исходного, интенсивность Ео которого известна. Анализ семейства кри-
1 1
вых (рис.5), описывающих зависимость о|=п|(а) при различных рас" ' стояниях Аг между объектами, показал, что существует оптимальное ' значение а=ао « 10\ при котором искажения изображений после фильтрации минимальны. Величина о £ мало отличается от минимальной
а1 i 1,0 0,9 0,8 0,7 0,60,50,4 0,30,20,1-
10-510410'10210' 1 а
1-дг=50м; 2-д 2= 100м; 3- Д z= 150м; 4- д z=200m; S- дг=250м;
Рис. 5
ошибки <тЕ(ао) для довольно большого диапазона значений ае[5.10-4,5.10'3]. Последнее имеет огромное значение для обработки топографических изображений объектов в среде с априори неизвестными параметрами.
Аналогичные исследования проведены при разработке других оригинальных алгоритмов восстановления изображений объектов [11-13]. С помощью созданного комплекса программ проведена обработка уникальных данных площадных вибросейсмических измерений и по полученным топографическим изображениям среды выявлен сложный геологический объект - узел пересечения тектонических нарушений. Наличие этих нарушений в изучаемой толще среды подтверждено традиционным сейсморазведочным методом OIT.
Для проведения геологической интерпретации сейсмических материалов необходимо вводить, строить, визуализировать для оценки качества и документировать структурные карты строения геологической среды, сейсмические временные и глубинные разрезы и т.д.
В системе для ввода графической информации используется кодировщик КГИ-1 с соответствующим ПО, позволяющим геофизику работать в диалоге. Программы построения структурных карт, включая карты изолиний, являются развитием известного пакета программ машинной графики СМОГ-СМ. Построенные карты сначала визуализируются на экране ГД СМ-3716 для оценки их качества, а затем документируются с помощью ГП АТЛАС-5. Документирование временных и глубинных сейсмических разрезов ведется с использованием электростатического плоттера ЭСПУ-2М с созданным ПО.
Прикладное ПО написано на языке Фортран-77, отдельные программы на языке Макроассемблер. ПО может генерироваться с помощью СГ на различным образом реконфигурироваииые технические средства системы ИНСОС. Это позволяет создавать на базе системы функционально-законченные автоматизированные рабочие места геофизика (АРМ-Г)-Два таких АРМ-Г: "Ввод и интерактивная коррекция СтПп и "Картопостроениё" эксплуатировались в режиме производственной обработки ГИ и подтвердили их высокую эффективность и удобство в работе.
Системное и прикладное ПО системы ИНСОС внедрено в П/О "Томскнефтегеофизика" (г.Стрежевой), где система эксплуатировалась в производственном режиме. Отдельные программные средства внедрены в СКВ СПО НПО "Нефтегеофизика" (г.Томск) и в НПО "Нефтегеофизприбор" (г.Краснодар).
60 I: • .......
'; 1 • i 6.3. Алгоритмическое и программное обеспечение ПМП
Эффективное проведение производственной обработки многоканальных сейсмических данных, особенно полученных при площадных наблюдениях, с использованием систем экспедиционного уровня возможно только при усилении вычислительного ядра (обычно это миниЭВМ) специализированными процессорами, обеспечивающими пиковую производительность при решении отдельных времяемких задач обработки (временная и частотная фильтрация, свертка, корреляция и т.п.). В системе ИНСОС в качестве такого процессора выступает ПМП, разработанный в СКТБ СЭТ (г.Краснодар) и подключаемый к ОШ миниЭВМ СМ-1420 через контроллер КШ.
ПМП представляет из себя многопроцессорную вычислительную систему архитектуры МКМД и функционирует под управлением миниЭВМ СМ-1420. Последняя загружает в ПМП программы управления и обработки, -написанные на языке Ассемблер-ПМП, и массивы данных в буферную память (БП), производит его инициализацию и обрабатывает возникающие прерывания. Модульность построения ПМП позволяет использовать в конкрегном варианте ПМП в зависимости от решаемых задач обработки от 1 до 4 обрабатывающих блоков (БО). При этом производительность ПМП меняется от 2,4 до 9,6 млн. операций/с.
Все процессоры ПМП работают параллельно в асинхронном режиме по программам, загружаемым из БП в их ОП процессором-диспетчером магисрали (ПДМ). Этот процессор осуществляет общее управление ПМП, отрабатывает возникающие при обработке ГИ особые ситуации (ошибки, завершение такта вычислений и т.п.). Адресный процессор (ПА) выбирает данные из БП и размещает их в стековой памяти типа FIFO бункера .загрузки (БЗ). Откуда они распределяются ПДМ по буферам данных (БД) отдельных процессорных элементов (ПЭ), называемых вычислителями и входящих в каждый БО. БО могут выполнять различные программы обработки. Каждый из БО, в свою очередь, представляет из себя также МВС, но архитектуры ОКМД. Такая вычислительная система, имеющая один исполнительный процессор (ПИ) и четыре ПЭ, может правильно выполнять однотипные команды ПИ над четырьмя независимыми потоками данных. Полученные в БО результаты обработки ГИ передаются ПДМ в бункер выгрузки, откуда с помощью ПА попадают в БП. Из БП по сигналу прерывания от ПМП они могут быть переданы в миниЭВМ, либо могут использоваться на дальнейших этапах обработки в случае итерационных алгоритмов вычислений.
> ОС ПМП располагается в ПЗУ ПДМ и ПА, причем общая часть (ядро) ОС доступна каждому процессору. ОС берет на себя значительное число :функций.по синхронизации процессов в ПМП. Программирование ПМП заключается в создании как управляющих, так и обрабатывающих программ. На стадии инициализации эти программы загружаются в ОП ПДМ, ПА и каждого ПИ. Рассмотренные архитектурные особенности ПМП допускают различные способы и алгоритмы организации параллельных вычислений.
С помощью системы моделирования взаимодействующих процессов проведен значительный объем исследований эффективности проектируемых способов и алгоритмов параллельных вычислений [32,49]. При этом в качестве минимизируемого параметра выбиралось совокупное время Тс выполнения одного цикла обработки ГИ на ПМП, т.е. время обработки эез дополнительных обменов БП - миниЭВМ. Во-первых, исследовались важные вопросы страничной организации БД, поскольку страничный режим является удобным при программировании и обеспечивает параллельное выполнение функций загрузки, обработки и выгрузки данных из БД. Количество п и размер ш страниц БД непосредственно определяют эффективность параллельных вычислений. Моделировались случаи а=1,2,3,4 страниц при размерах каждой из них т=32, 16, 8 и 4 32-разрядных слова. За один такт модельного времени принято время пере-:ылки (загрузки или выгрузки) в страницу одного слова, а через Липе
обозначено среднее время обработки 4 слов в странице обработки (учтено, что одновременно работают 4 ПЭ). На основании результатов проведенных экспериментов для различных шип рассчитывался коэффициент полезного действия КПД ПМП как отношение времени Тобр работы ПЭ к общему времени работы ПМП Тс в одном цикле КПД = Тобр/Тс На рис.6 приведены основные результаты моделирования. Из их анализа следует, что КПД при возрастании сложности алгоритмов рис. в обработки также воз-
растает. Для п>2 при уменьшении размера страницы т КПД растет, что свидетельствует о по-зышении эффективности конвейеризации. Однако это не распростра-гяется на 1-страничную организацию.4-страничная организация полностью эквивалентна 3-страничной, т.к. при ней одна страница 'простаивает" даже для самых быстрых алгоритмов обработки Типс=1,2). Для наиболее сложных алгоритмов (1ипс=8) при ш=4,8 эффективность 2- и 3-страничной организации практически одинакова, однако
кпд
предпочтение следует'отдать 2-страничной как более простой в программировании.
Анализ вычислительных процедур стандартного графа обработки сей-сморазведочных данных позволил выявить ряд базовых (используемых многими процедурами графа) время емких алгоритмов обработки, допускающих параллельное выполнение на ПМП. К числу наиболее сложных из них относятся алгоритмы прямого и обратного одномерного и двумерного быстрого преобразования Фурье (БПФ), алгоритмы решение систем линейных алгебраических уравнений методом Левинсона и т.п. Не нарушая общности, при разработке параллельных базовых алгоритмов предполагалось, что в состав ПМП входит один БО. На основе оценок вычислительной сложности алгоритмов и результатов моделирования страничной организации БД, выбирались число и размер страниц, делающие максимальным КПД (минимальное Тс). Например, для алгоритма одномерного БПФ выбрано n=2, т=8. Эти исходные данные позволили'с помощью системы моделирования исследовать все предложенные варианта параллельных базовых алгоритмов. Так, для прямого одномерного'БПФ таких вариантов рассматривалось три, а выбран вариант, когда одна выходная сейсмотрасса распределяется на два ПЭ. Это позволяет всем ПЭ на "каждой итерации (кроме последней) выполнять операции БАБОЧКА одинаковых сортов, что упрощает программы загрузки сейсмоданных из БП в БД и соответственно сокращает время загруз-ки.Эффективные варианты выбраны и для других базовых алгоритмов. Все параллельные алгоритмы исследованы на корректность. Программы, реализующие разработанные алгоритмы на языке Ассемблер ПМП, вместе с программами, осуществляющими их связь, оформлены в виде пакета программ. Последний входит как составная часть в ПО системы ИНСОС.
6.4. Интегрированная среда для системы обработки данных ЗО-сейсморазведки
В последние годы интенсивно развивается метод трехмерной (3D) сейсморазведки.' Возбужденные сейсмические волновые поля в этом методе измеряются в расположенных двумерным образом точках земной поверхности (площадные наблюдения). Детали строения трехмерной среды могут уточняться- по результатам измерений волновых полей в скважинах;
В Центральной геофизической экспедиции (г.Москва) в 1990-1992г.г. на основе графической станции на базе компьютеров фирмы IBM разрабатывалась и находилась в опытной эксплуатации система обработки данных ЗГ)-сейсморазведки. Интегрированная среда для геофизика создавались с использованием в полном объеме технологии интегрированных оболочек (см.п.3.6.). Особо важную роль для функционирования системы .
обработки представляют средства интегрированной среды, позволяющие управлять в диалоге процессом подготовки к обработке и собственно обработки данных (формирование, редактирование и запуск графов обработки, задание точек останова при обработке и ввод промежуточной информации, интерактивные запросы и т.п.). Геофизик в диалоге может оперировать хранимыми в специализированных базах данных значениями параметров программ обработки. Более подробно описание среды дано в [27,48].
Инструментальные средства по включению в систему программ обработки, написанных на языках Си и Фортран-77, позволили легко довести их число в системе до нескольких десятков. Программы обработки созданы сотрудниками ЦГЭ под руководством Кивелиди В.Х. и позволяют вести обработку данных как по алгоритмам стандартной кинематической обработки, так и по оригинальным алгоритмам динамической обработки, включая миграционные преобразования.
Технология интегрированных оболочек и созданная с ее помощью интегрированная среда внедрены со значительным экономическим эффектом в ЦГЭ (г.Москва).
6.5. Алгоритмическое и программное обеспечение центра обработки сейсмологической информации
Сейсмологическая информация от расставленных на местности ИМ (см.п.4.) поступает по радиоканалу, через магнитные носители или иными способами в сейсмологические центры для ее обработки и архива-ции.Современный центр представляет из себя рабочую станцию и ряд АРМов сейсмолога на основе ПЭВМ типа 1ВМ РС АТ, объединенных в локальную сеть.
Каждый из АРМов сейсмолога, разработанных на заводе "Казгеофизприбор", учитывает специфику ИМ, описанных в п.4.3. Аппаратная часть АРМа кроме ПЭВМ включает специализированное устройство считывания информации с магнитных лент, снятых с ИМ, устройства визуализации и документирования (графический дисплей, различные плоттеры) и устройство архивации. Последнее представляет из себя НМЛ с высокой плотностью записи. При разработке алгоритмического и программного обеспечения такого АРМ использовались принципы, методы и технологии, изложенные в пп.2 и 3. Так, при создании интегрированной среды АРМ применялась технология интегрированных оболочек [44]. Интегрированная среда позволяет сейсмологу в диалоге управлять процессом обработки (формировать, редактировать и запускать графы обработки, отдельные программы и т.д.), визуализировать и документировать сейсмологическую информацию. Созданные алгоритмы и программы предварительной обработки сейсмологических данных позволяют осуществлять-.
-приведение времен регистрации сейсмособытий (землетрясений)
различными ИМ к единой шкале времен;
-автоматический выбор (сортировку) сейсмособытий, подлежащих перезаписи на архивную ленту и формирование последней;
-идентификацию событий, записанных в ИМ с нелинейным ходом часов и т.п.
¿ ¡Для проведения работ с графическими образами сейсмологической информации (сейсмотрассы, сводные сейсмограммы по компонентам X, У и Z упругих колебаний и т.п.) набора функции графического редактора (ГР), входящего в состав интегрированной оболочки, оказалось недостаточно, поэтому набор был дополнен функциями из библиотеки графической системы НА1Х)'88. ГР позволяет дополнительно вести: вертикальный и горизонтальный скроллинг сейсмотрасс; масштабирование сейсмотрассы (сейсмотрасс); изменять полярность сейсмотрассы и т.д.;
Документирование проводилось с помощью системы НАЬ0'88, часть программ которой была встроена в среду АРМ. Эта система выбрана в связи с тем, что имеет большое число драйверов различных плоттеров и принтеров и поддерживает три системы координат в стандарте ОКБ.
ПО написано на языке Си и внедрено в центре обработки сейсмологической информации завода "Казгеофизприбор"(г.Алма-Ата).
6.6. Программные средства автоматизированного стенда поверки ИМ
Обязательным этапом работ при создании современных сейсмореги-стрирующих систем как средств измерения является этап контроля их параметров (поверки системы) с целью метрологической аттестации систем или их отдельных устройств. Этот этап выполняется с помощью автономных автоматизированных стендов проверки (контроля) при выпуске систем с завода и затем периодически при их эксплуатации. Проверка представляет из себя совокупность более времяемких и сложных процедур, чем чем процедуры контроля работоспособности систем при подготовке их к работе и во время работы в полевых условиях. Сложность любого стенда определяется видом источника(ов) воздействий количеством и сложностью вычисления проверяемых параметров устройств (блоков) системы. Контролю должны подлежать, в первую очередь, параметры ИМ, являющихся в сейсморегистрирующих системах основными устройствами измерения волновых полей.
Нами разработаны алгоритмические и программные средства стенда САП-1 для контроля параметров ИМ сейсморегистрирующей телеметрической системы СТС-1 [31,40]. Стенд имеет регистрирующую подсистему, повторяющую по ряду устройств и функций систему СТС-1, и развитую подсистему обработки откликов ИМ на тестовые воздействия. Проверяемый ИМ подключается к стенду и на него подаются тестовые сигналы от метрологически аттестованного генератора. Может использоваться либо генератор гармонических синусоидальных, либо генератор импульсных сигналов. ИМ управляется по командам поступающим от устройства формирования телеметрических команд. Отклики ИМ на тестовые воздействия поступают в РВ через устройство приема телеметрической информации на НМД или в ОП микроЭВМ СМ 1300.01.
Исполнительная ОС стенда сгенерирована из унифицированной ОС (см. п.5.1.). В ее состав кроме нескольких драйверов ОС системы СТС-1
входят драйверы генераторов. Программа-диспетчер управляет аппаратурой и программами стенда во время собственно поверки ИМ (рабочий режим). При подготовке стенда к работе оператор может задать в диалоге режимы и подрежимы работы на языке выбор из меню. При задании значений параметров генератора и контролируемых параметров ИМ применяется заполнение шаблонов. Программы диалогового взаимодействия разработаны с использованием Конструктора диалога. Системное ПО и программы ведения диалога написаны на языке Макроассемблера.
Комплекс программ обработки откликов ИМ написан на языке Пас-каль-2 и состоит из программ, реализующих алгоритмы первичной обработки откликов (БПФ, цифровая фильтрация, корректировка смещения нуля и т.п.), программ вычисления требуемого набора параметров ИМ и программ статистической обработки результатов контроля. Наиболее сложными являются программы обработки при использовании в качестве тестовых воздействий на ИМ импульсных сигналов [46]. Результаты поверки каждого ИМ находятся в базе данных и выдаются в виде протокола. Комплекс программ наряду с аппаратурой стенда САП-1 проходил метрологическую аттестацию. Аттестация программ проводилась на основе разработанной методики с применением инструментальной среды для исследования алгоритмов и программ (см. п. 2.5.). Отклики реальных ИМ моделировались на ЭВМ с учетом разрядности их выборок и подавались на вход программ комплекса. Расчет погрешностей проводился относительно результатов, полученных с помощью комплекса программ в случае имитируемых на ЭВМ откликов ИМ, выборки которых представлены 32-разрядными числами с плавающей запятой. Погрешности вычисления основных контролируемых параметров с установленной вероятностью 0,95 в диапазоне изменения величин этих параметров приведены в таблице 1. На комплекс программ обработки в базовой организации по стандартизации Миннефтепрома СССР получен соответствующий метрологический аттестат.
Таблица 1
№п/п Наименование параметра Единица измерения Погрешность
1 Неравномерность АЧХ дБ ±0.01
2 Уровень шумов при максимальном усилении в полосе частот 3-250 Гц мкВ эф. ±0.07
3 Глубина подавления РФ дБ +0.1
4 Частота среза ФНЧ Гц ±0.05
5 Крутизна среза ФНЧ дБ ±0.25
б Частота среза ФВЧ Гц ±0.03
7 Крутизна среза ФВЧ дБ ±0.08
8 Амплитудная неидентичность % ±0.03
9 Взаимные влияния между кана-
лами дБ ±0.5
10 Коэффициент нелинейности % ±0.06
11 Фазовая неидентичность между
каналами мс ±0.01
Созданы программы оценки работоспособности стенда, включающие программы контроля работоспособности устройств стенда и оценки достоверности передачи информации между устройствами.
Разработанное ПО стенда САП-1 внедрено в НПО "Нефтегеофизприбор" (г.Краснодар).
Основные результаты диссертационной работы
На основании исследований, проведенных автором, разработаны теоретические основы и инструментальные средства для создания математического и программного обеспечения ГИВС. При этом получены следующие основные результаты:
1.Предложены метод двухуровневого проектирования и метод унификации и последующей специализации ПО, позволяющие проектировать алгоритмы и ПО ГИВС.
2.Разработан формальный аппарат, названный PS-сети, для описания и исследования алгоритмов и программ. Созданы теоретические основы решения задач исследования корректности вычислительных процессов.
3.Создаиы инструментальная программная среда для исследования и проектирования алгоритмов и программ и система моделирования взаимодействующих процессов.
4.Созданы сквозная четырехэтапная технология проектирования и синтезирующего программирования диалоговых компонент ПО ГИВС и технология интегрированных оболочек для программирования и отладки ПО систем обработки ГИ. Инструментальные средства этих технологий включены в ОФАП Госкомвуза РСФСР и в ГосФАП СССР (Per. № 50910000344).
5.Предложены метод пересекающихся копий ОС и метод базовой однопроцессорной ОС для разработки ОС МВС с разделяемой памятью.
6. Разработана технология трехэтапного программирования и отладки ППО. Созданы средства поддержки параллельного программирования и предложен метод логических процессоров для отладки ППО.
7.Разработаны унифицированные ОС для специализированных микроЭВМ нижнего уровня семейств сейсморазведочных и сейсмологических телеметрических систем регистрации и унифицированная ОС для БРК семейства сейсморегистрирующих систем. Создана ОС для отказоустойчивых МВС с разделяемой памятью.
8.Разработаны методы и инструментальные программные средства, позволяющие вести отладку и тестирование ПО параллельно с созданием аппаратуры ГИВС.
9.Созданы оригинальные методы и алгоритмы для ряда конкретных систем регистрации и систем обработки ГИ, в том числе алгоритмы обработки ГИ для программируемого матричного процессора ПМП.
Ю.Разработано унифицированное прикладное ПО для специализированных микроЭВМ нижнего уровня телеметрических сейсморазведочных и сейсмологических регистрирующих систем и прикладное унифицированное ПО для БРК семейства сейсморазведочных систем и каротажной
аборатории "Лоза-01". Системное и прикладное ПО для семейства сей-:морегистрирующих систем включено в ОФАП Миннефтепрома СССР и а ГосФАП СССР (per. № 50890000377).
11.Создано ПО интерактивной сейсмической обрабатывающей системы ИНСОС, для обрабатывающего сейсмологического центра, ПО тля ПМП, интегрированная среда для системы обработки данных 3D-хйсморазведки, а также ПО стенда поверки параметров сейсморегистри-эующих систем. Программные средства системы ИНСОС включены в ЭФАП Миннефтепрома СССР и в ГосФАП СССР (per. № 50900001067).
12.Разработанпые теоретические основы и инструментальные средства зроектирования, программирования, отладки и тестирования ПО и созванное с их помощью алгоритмическое и программное обеспечение конфетных ГИВС внедрены в 16 организациях, что подтверждено 22 актами знедрения. Совокупный объем созданного ПО составляет более 34 тысяч соманд Ассемблера и Макроассемблера и более 82 тысяч операторов 13Ыков Си, Паскаль и Фортран-77.
Список основных публикаций по теме
1. Марков Н.Г. Автоматизированные системы сбора и регистрации :ейс мической информации. - М: Недра, 1992. 220 с.
2. Бурлаков В.Н., Евчатов Г.П., Марков Н.Г. и др. Алгоритмы и неко горые результаты обработки данных площадной съемки вибросей-:мического поля // Тез. докл. Всесоюзн. конф. "Вибросейсмические исследования", г.Новосибирск, ВЦ СО АН СССР, 1981. С.55-56.
3. Бурлаков В.Н.,Елисеев Т.П., Марков Н,Г. и др. Вопросы оптического восстановления сейсмических голограмм // Труды IV Всесоюз. сонф. по голографии, т. 1, Ереван: ВНИИРИ. 1982. ДСП.
4. Бурлаков В.Н., Марков Н.Г. Математическое моделирование голо-'рафического процесса в сейсмике // Методические рекомендации по геофизической голографии. - Томск: ТФ СО АН СССР. 1982. С. 92-100.
5. Бурлаков В.Н., Иванова М.В., Марков Н.Г. О программной реали-1ации алгоритмов голографической обработки данных площадных измерений в сейсмике//Там же. С. 146-155.
6. Бурлаков В.Н., Марков Н.Г. Линейная фильтрация топографических вображеиий геологических объектов //Тез. докл. IV Всесоюзн. шко лы ю оптич. обработке информ., ч. II. - Минск: ИТК АН БССР.1982.С. 4214.
7. Бурлаков В.Н., Марков Н.Г. Алгоритмы и некоторые численные ре ¡ультаты формирования изображений в задачах площадной вибрацион юй сейсморазведки // Проблемы сбора и обработки геофизической информации. - Новосибирск: ВЦ СО АН СССР. 1982. С. 15-23.
8. А.с.№ 1088508 Способ регистрации геодинамических процессов В.В.Воробьев, Л.А.Защинский, Н.Г.Марков и др. // 1983. ДСП.
9. Марков Н.Г., Погребной В.К., Устинов С.Н. Моделирование циф-)овых систем параллельной обработки геофизической информации /Тез.докл. IV Всесоюзн.семинара "Моделирование дискретных управ-
лающих и вычислительных систем".- Свердловск: УНЦ АН СССР. 1984. С. 129-130.
10. Алексеева Н.В., Гущина И.Г., Марков Н.Г"., Погребной В.К. Моделирование полевых сейсмических информационно-вычислительных систем // Там же. С.89-90.
11. Бурлаков В.Н., Марков Н.Г, Разработка алгоритмов восстановления изображений геологических объектов // Тез. докл. всесоюз. Конф. "Обработка изображений и дистанционные исследования ОИДИ-84". ч.Ш. Новосибирск: ВЦ СО АН СССР. 1984. С.23-24.
12. Бурлаков В.Н., Марков Н.Г. Восстановление изображения геологи ческих объектов по данным площадной съемки сейсмического поля //Там же С.52-54.
13. Бурлаков В.Н., Марков Н.Г. Некоторые вопросы формирования топографических изображений геофизических объектов // Цифровые и опти ко-цифровые методы обработки изображений.- Томск: ТПИ. 1985. С.106-110.
14. Марков Н.Г., Погребной В.К., Устинов С.Н. Автоматизация параллельных вычислений в среде технологии модульного проектирования АСУ ТП // Тез. докл. 111 Всесоюзн. НТК "Программное, алгоритми ческое и техническое обеспечение АСУ ТП" ч.Ш.- Ташкент: ТашПИ. 1985. С.4-5.
15. Бурлаков В.Н., Марков Н.Г., Маркова Г.Н. Проблемы разработки мультипроцессорных систем сбора и регистрации сейсмической инфор мации // Тез. докл. V Всесоюзн. школы - семинара "Распараллелива ние обработки информации". ч.Ш. - Львов: ФМИ АН УССР. 1985. С.208-209, ;
16. Марков Н.Г., Погребной В.К., Устинов С.Н. Автоматизация проектирования систем параллельной обработки информации в среде ЭФ-технологйи//Там же, ч.1: С.161-162.
... 17. Марков Н.Г., Погребной В.К., Устинов С.Н. Моделирование геофизических систем для сбора и обработки сейсмической информации //Проблемно-ориентированные вычислительные комплексы.-Ново-сибирск: ВЦ СО АН СССР. 1985. С. 124-130.
18. Грачев Е.М., Крапивников В.В., Марков Н.Г. Состояние и тенденции развития математического обеспечения сейсморегистрирующих комплексов. -М.: ВИЭМС. 1985. 37с.
19. Бурлаков В.Н., Марков Н.Г. и др. Диалоговая система тестирования программных средств аппаратно-программных комплексов // Тез. докл. Всесоюзн. конф. "Проблемы совершенствования синтеза, тести ро-вания, верификации и отладки программ", тД, - Рига: ЛГУ им. П. Стучки. 1986. С.53-54.
. 20. Марков Н.Г., Маркова ,Г.Н.; Устинов С.Н. Вопросы кодирования и последующей обработки многоканальных сигналов //Известия АН УзССР.СТН. 1986. № 2. С.13-15.
21. Ивин В.А., Марков Н.Г. Специализированная миниЭВМ для сбора и предварительной обработки сейсмической информации // Анализ и
синтез элементов и структур управляющих ЭВМ. - Омск: ОмПИ. 1986. С.55-60.
22. Любчик А.И., Марков Н.Г. и др. Унифицированная операционная система реального времени семейства бортовых вычислительных ком-плек сов// Тез. докл. I Всесоюзн. НТК "Методы анализа надежности прог раммного обеспечения на основе моделей нечеткой логики и качест венных описаний". - Киев: КИИ Г А. 1987. С.71.
23: Марков Н.Г., Маркова Г.Н., Смирнов А.Ю. Программное обеспечение отказоустойчивого бортового вычислительного комплекса // Там же. С.72.
24. Бурлаков В.Н., Марков Н.Г., Маркова Г.Н. Особенности разработки семейства регистрирующих комплексов для многоволновой сейсмораз ведки // Многоволновые сейсмические исследования. - Новосибирск: Наука. 1987. С.71-74.
25. Бурлаков В.Н., Марков Н.Г. Программное обеспечение автоматизированной системы формирования и обработки изображений геологических объектов // Тез. докл. Регион, конф. " Обработка изображений и дистанционные исследования ОИДИ-87". - Новосибирск: ВЦ СО АН СССР. 1987. С.57-58.
26. Марков Н.Г., Маркова Г.Н.Унифицированное математическое обеспечение сейсморегистрирующих телеметрических комплексов // Гео-физи ческая аппаратура. 1988. в 8. С. 16-22.
27. Бурлаков В.Н., Марков Н.Г. Организация графического интерактива в геофизической обрабатывающей системе // Ускорение научно-технического прогресса в нефтяной и газовой промышленности, в.1. Томск: ТПИ. 1988. С.56-59.
28. Ивин В.А., Марков Н.Г. Микропроцессорная система для сбора и предварительной обработки сейсмических данных // Там же. С.61-62.
29. Маркова Г.Н., Марков Н.Г. Диалоговая система управления для се мейства сейсморегистрирующих комплексов // Диалоговые системы в задачах правления. Новосибирск: НЭТИ. 1988. С.92-96.
30. Богдан A.C., Марков Н.Г., Смирнов А.Ю. Об одном подходе к имитационному моделированию вычислительных систем // Тез. докл. Всесоюзн. конф. "Моделирование систем информатики". - Новосибирск: ВЦ СО АН СССР. 1988. С.7-9.
31. Диденко A.B., Марков Н.Г. Метрологический анализ ПО стенда контроля параметров сейсмоустройств // Тез. докл. II Всесоюзн. конф. "Метрологическое обеспечение ИИС и АСУ ТП" ч.1. - Львов: ВНИИМИ УС. 1988. С.45-46.
32. Бурлаков В.Н., Марков Н.Г. Вопросы программирования параллельного процессора для обработки геофизической информации // Ускорение научно-технического прогресса в нефтяной и газовой промышленности, в.2. -Томск: ТПИ, 1989. С.56.
33. Ивин В.А., Марков Н.Г. Оперативный контроль параметров удаленного пункта сбора сейсмической информации // Там же. С.49.
34; Ивин В.А., Марков Н.Г. Способ обнаружения и редактирования импульсных помех при регистрации сейсмических сигналов // Передовой науч.-произв. опыт, рекомендуемый для внедрения в геол.- развед. отрасли. 1989. в.11. С.5-9.
35. Ивин В.А., Марков Н.Г. Программное обеспечение управляющей двухпроцессорной вычислительной системы II Тез. докл. II Всесоюзн. НТК "Микропроцессорные комплексы для управления технологи ческими процессами". - М.: Информприбор. 1989. С.103-104.
36. Марков Н.Г. Смирнов А.Ю. Операционная система реального времени для мультипроцессорных управляющих вычислительных комплексов //Там же. С.54-55.
37. Марков Н.Г., Смирнов А.Ю. Операционная система многопроцессорного вычислительного комплекса И Проблемно-ориентированные вычислительные комплексы. - Новосибирск; ВЦ СО АН СССР. 1989. С.79-82.
38. Марков Н.Г., Смирнов А.Ю. Операционная система для мультипроцессорных вычислительных комплексов // Тез. докл. II Всесоюзн. совещания по автоматизированному проектированию ПО систем управления движущимися объектами. -Харьков: ХАИ. 1989. С.192-193.
39. Марков Н.Г., Любчик А.И., Маркова Г.Н., Смирнов А.Ю. Программное обеспечение семейства сейсморегистрирующих телеметрических комплексов (IIO телеметрии) (рег.№ ГосФАП СССР 50890000377) // Алгоритмы и программы. Информационный бюллетень. 1989. №12. С.10-11.
40. Диденко A.B., Марков Н.Г.Диалоговая система управления стендом контроля параметров сейсмоустройств II Диалоговые системы в задачах управления.: Новосибирск: НЭТИ. 1989. С.60-66.
41. Ивин В.А., Марков Н.Г. Модифицированный векторный метод помехоустойчивого кодирования//Изв.АН УзССР.СТН.1990.№2. С.10-12.
42. Ивин В. А., Марков Н.Г. Вопросы проектирования линейных рекурсивных фильтров для сейсморазведочных систем И Ускорение научно-технического прогресса в нефтяной и газовой промышленности, в.З-Томск: ТПИ. 1990. С.79-80.
43. Марков Н.Г. Операционная система реального времени // Нефтяная промышленность. Сер. Автоматизация и телемеханизация. 1990. № 5 С.23-26.
44. Бурлаков В.Н., Марков Н.Г. Интерактивная система формирования и обработки изображений геологических объектов II Тез. докл. Международ. конф. "Обработка изображений и дистанционные исследования ОИДИ-90", - Новосибирск: ВЦ СО АН СССР. 1990. С.48-49.
45. Марков Н.Г., Смирнов А.Ю. Операционная система реального времени для многопроцессорных вычислительных систем // Проблемно-ориентированные, вычислительные комплексы. - Новосибирск: ВЦ СО АН СССР. 1991. С.50-56.
46. Марков Н.Г., Рейзлин В.И. Автоматизированный контроль параметров сейсмоустройств телеметрических сейсморазведочных систем II Там же. С.41-49.
47. Бурлаков В.Н,, Марков Н.Г. и др. Программное обеспечение интерактивной сейсмической обрабатывающей системы (рег.№ ГосФАП СССР 50900001067) // Алгоритмы и программы. Информационный бюллетень. 1991. № 1. С.8.
48. Марков Н.Г., Бурлаков В.Н., Гончар A.A., Дмитриев С.В. Диалоговая подсистема управления пакетами программ обработки измерительной информации (per. № ГосФАП СССР 50910000344) // Алгоритмы и программы. Информационный бюллетень. 1991. № 5-6. С.13.
49. Бурлаков В.Н., Марков Н.Г., Смирнов А.Ю. Организация параллельной обработки информации на многопроцессорной вычислительной системе // Тез. докл. Международ, конф. "Высокопроизводительные вычислительные системы в управлении и научных исследованиях". М.: ИПУ АН СССР. 1991. С. 13.
50. Богдан A.C., Марков Н.Г., Смирнов А.Ю. Система моделирования параллельных процессов // Управляющие системы и машины. 1991. № 8. С.87-94.
51. Марков Н.Г., Смирнов А.Ю. Средства создания программных комплексов реального времени для многопроцессорных вычислительных систем // Труды Междунар. НТК "Актуальные проблемы электронного приборостроения. АПЭП-92", т.6, чЛ. - Новосибирск: НЭ'ГИ. 1992. С.84-88.
52. Марков Н.Г., Смирнов А.Ю. Операционная система реального времени для отказоустойчивых многопроцессорных вычислительных систем // Там же. С.89-93.
Николай Григорьевич Марков
Теоретические основы и инструментальные средства для создания математического и программного обеспечения геофизических измерительно-вычислительных систем
ДИССЕРТАЦИЯ
в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук
Подписано к печати 16.11.95г.
Формат 60x84 /16. Бумага писчая №1.
Плоская печать. Усл. печ. л. Ч, О Уч.-изд. л. , ^&
Тираж / с о Заказ 3 1Ч
ИПФ ТПУ. Лицензия ЛТ №1 от 18.07.94.
Типография ТПУ. 634934, Томск, пр. Ленина, 30.
-
Похожие работы
- Разработка и исследование автоматизированной системы испытаний низкочастотных многоканальных информационно-измерительных систем
- Метрологическое исследование методов и средств измерений удельного электрического сопротивления структурных зон неоднородных сред (на примере геофизических исследований в скважинах)
- Комплексные информационно-измерительные и телекоммуникационные системы для геофизических исследований нефтяных и газовых скважин
- Алгоритмы и программные средства для выявления регулярных периодичностей в каротажных диаграммах
- Разработка и создание интеллектуальной информационно-измерительной технологии и аппаратного комплекса для автоматизации геофизических исследований скважин
-
- Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
- Теория систем, теория автоматического регулирования и управления, системный анализ
- Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления
- Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
- Автоматизация технологических процессов и производств (в том числе по отраслям)
- Управление в биологических и медицинских системах (включая применения вычислительной техники)
- Управление в социальных и экономических системах
- Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей
- Системы автоматизации проектирования (по отраслям)
- Телекоммуникационные системы и компьютерные сети
- Системы обработки информации и управления
- Вычислительные машины и системы
- Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (по отраслям наук)
- Теоретические основы информатики
- Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
- Методы и системы защиты информации, информационная безопасность