автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Исследование и разработка методики построения микропроцессорных устройств передачи информации систем телеобработки АСУ

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ . УСТРОЙСТВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ.

1.1. Обощенная структура МПУ ПИ б СОИ.

1.2. Внешние параметры МПУ ПИ. Показатели эфЗ&ективности и качества.

1.3. Типовые структуры многомашинных и мультипроцессорных Ш/.

1.4. Принципы построения операционной системы мульти-микропроцессорных ВК

1.5. Анализ существующих методик проектирования

МПУ ПИ.

1.6. Формулировка задачи исследования

Вые оды по главе

2. КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ И МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ПОСТАНОВКА

ЗАДАМ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ОШЖИЗАЦКИ ВК МПУ ПИ

2.1. Модель технических средств ВК МПУ ПИ

2.2. Алгоритм работы КМ.

2.3. Модель выполнения прикладных процессов и операционной системы.

2.4. Математическая формулировка задачи определения внутренних параметров

2.5. Математические модели анализа мультипроцессорных вычислительных систем

Выводы по главе.

3. АНАЛИТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И ПРОЦЕДУРА ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ ВК МПУ Ш.

3.1. Расчет среднего времени задержки и коммутационной производительности

3.1.1. Расчет среднего времени задержки в системе технологических цепочек

3.1.2. Методика расчета составляющих среднего времени выполнения процессов

3.1.3. Расчет среднего времени ожидания предоставления СОП

3.1.4. Расчет суммарного среднего времени ожидания предоставления системных ресурсов

3.1.5. Расчет суммарного среднего времени ожидания предоставления прикладных ресурсов

3.1.6. Расчет суммарного среднего времени ожидания в очереди активных процессов

3.2. Расчет вероятности искажения и блокировки информации.

3.2.1. Вероятность искажения информации

3.2.2. Вероятность блокировки информации

3.3. Построение процедуры параметрической оптимизации.

3.3.1. Шаги методики построения МПУ Ш

3.3.2. Обобщенный алгоритм оптимизации

3.3.3. Расчет начального приближения

3.3.4. Формирование матриц распределения ресурсов по секциям оперативной памяти.

3.3.5. Расчет с?С , уб , Л и £ъ

3.3.6. Формирование матриц распределения прикладных процессов и ОМ по очередям активных процессов

3.3.7. Расчет емкостей секций локальной и общей памяти.

Выводы по главе.'.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА МЕТОДИКИ

ПОСТРОЕНИЯ МПУ ПИ.

4.1. Макет ЦКП на микро-ЭВМ "Электроника C5-2IM".

4.2. Методика экспериментального определения показателей эффективности макета ЦКП

4.3. Результаты аналитического моделирования макета

ЩП и их экспериментальная проверка.

Выводы по главе.

Одной из характерных черт современных АСУ является распределение функций обработки информации по многим ЭВМ, удаленных друг от друга на значительные расстояния.

Необходимость создания систем, объединяющих многие ЭВМ, может быть вызвана потребностью удовлетворения одного или нескольких из следующих требований: предоставление такой услуги, которая может быть осуществлена только путем распределения нагрузки между несколькими ЭВМ; необходимость в услугах, превышающая возможность системы, состоящей из одной ЭВМ; специализация функций ЭВМ в сети; возможность решения задач только благодаря совместной работе систем, ориентированных на локальную обработку.

Создание территориально-распределенных АСУ предполагает реализацию систем телеобработки в виде сети обмена информацией (СОИ) с определенной логической, физической и программной структурой [I] . Логическая структура СОИ может быть представлена в виде многоуровневой иерархической системы протоколов, описывающих процедуры передачи информации, принятые в СОИ,и реализована в виде программно-технических комплексов вычислительной техники и техники связи. Постоянное совершенствование услуг, а также увеличение их числа приводит к росту объема логической обработки информации, производимой в элементах СОИ. Поэтому, особенностью сложившейся и непрерывно совершенствующейся новой интеграции "ЭВМ-связь" является то, что программируемые средства вычислительной техники используются не только в качестве устройств переработки информации (главных вычислительных машин), но и непосредственно для реализации систем и средств передачи на сетях обмена информацией. Это направление развивается все более быстрыми темпами в связи о совершенствованием и удешевлением микро-ЭВМ, используемых в качестве базовых технических средств в устройствах систем телеобработки АСУ.

Другой особенностью развития СОИ является преимущественное использование технологии коммутации пакетов (КП), обеспечивающей лучшее использование каналов связи по сравнению с коммутацией каналов (КК) и меньшее время доставки информации потребителю по сравнению с коммутацией сообщений (КС) [I, 2] .

Примером подобных сетей являются TELE/VEТ (США), ЪЛTfiPfiC (Канада), TRANSPfiC (Франция) и многие другие [I] .

Как показали исследования, проводимые в нашей стране и за рубежом, пакетная коммутация может быть использована для передачи с требуемым качеством и с высокой степенью эффективности различного вида информации, в том числе и речевой, преобразованной в цифровую форму [2] •

Таким образом, использование технологии пакетной коммутации и цифровых каналов связи с ИКМ- и дельта-модуляцией позволяет реализовать один из путей создания интегральных цифровых сетей связи (ИЦСС).

Наиболее сложными программно-техническими комплексами, в значительной степени определяющими в целом характеристики СОИ, являются центры коммутации пакетов (ЦКП) [3, 4, 5, б] .

Создание ИЦСС, базирующихся на технологии пакетной коммутации, требует разработки ЦКП'с коммутационной производительностью до нескольких десятков тысяч пакетов в секунду. ЦКП с подобными характеристиками требуют проработки принципиально новых решений в области архитектуры распределенных вычислительных систем, технических средств и программного обеспечения.

Практическое использование микропроцессорных систем для построения таких элементов СОИ, как ЦКП, концентраторы, абонентские пункты, число которых в крупных СОИ может достигать нескольких сотен, делают актуальной проблему синтеза этих устройств.

Однако, в настоящее время отсутствует общая методология построения микропроцессорных устройств передачи информации МПУ ПИ систем телеобработки АСУ, оценка эффективности их функционирования, концептуальные и математические модели для определения параметров технических средств и программного обеспечения.

Поэтому, целью диссертационной работы является исследование и разработка инженерной методики построения МПУ ПИ систем телеобработки АСУ на этапе системного проектирования.

Для достижения указанной цели необходимо решение следующих задач.

1. Провести выбор и обоснование структуры технических средств и программного обеспечения МПУ ПИ, использующих технологию КП.

2. Разработать концептуальную модель МПУ ПИ.

3. Определить перечень внешних и внутренних параметров, используемых для проектирования.

4. Провести выбор и обоснование критериев эффективности и качества функционирования МПУ ПИ.

5. Разработать и провести обоснование аналитической модели МПУ Ш.

6. Разработать алгоритмы оптимизации внутренних параметров МПУ ПИ по выбранным критериям эффективности и качества.

7. Провести экспериментальную проверку методики построения МПУ ПИ.

Теоретические исследования при решении поставленных задач базируются на теории массового обслуживания [II, 12] , теории оптимизации [13, 14] , теории математического моделирования

15, 1б] , теории вычислительных систем [17, 18] , математической статистике [19, 20] .

Теоретические результаты проверены и подтверждены путем проведения численных расчетов на ЭВМ и экспериментальной проверки на макете ЦКП. В процессе решения перечисленных задач получены и выносятся на защиту следующие основные результаты.

1. Предложена концептуальная модель, описывающая структуру мультимикропроцессорных устройств передачи информации, алгоритмы выполнения процессов канальных модулей, прикладных процессов и процессов операционной системы.

2. Построена аналитическая модель расчета среднего времени задержки пакета и пропускной способности (коммутационной производительности) МПУ ПИ с учетом мультипроцессорной реализации технических средств и программного обеспечения,

3. Построена аналитическая модель расчета вероятности искажения информации в МПУ ПИ на приеме и передаче.

4. Построена процедура последовательного распределения информационных ресурсов по секциям общего поля оперативной памяти, основанная на принципе оптимальности Беллмана с использованием критерия минимума вероятности превышения времени ожидания предоставления вычислительным модулям общего поля оперативной памяти.

5. Построена процедура последовательного распределения программ прикладных процессов по секциям локальной памяти обрабатывающих модулей с использованием критерия минимума среднего времени ожидания предоставления активным процессам обрабатывающих модулей.

6. Построена процедура параметрической оптимизации МПУ ПИ, минимизирующая функцию стоимости технических средств при заданных ограничениях на выбранные показатели эффективности.

Практическая ценность полученных результатов заключается в следующем.

1. Предложен вариант построения мультимикропроцессорных -устройств передачи информации систем телеобработки АСУ на базе набора аппаратно-ориентированных функциональных модулей.

2. Предложено и апробировано программное обеспечение разработанных алгоритмов, позволяющее решать задачу расчета внутренних параметров технических средств и программного обеспечения мультимикропроцессорных устройств передачи информации.

3. Предложена методика экспериментального определения показателей эффективности МПУ ПИ на примере ЦКП.

Исследования, выполненные в диссертационной работе, являются составной частью НИОКР, проводимых в ЛНПО "Красная Заря" при непосредственном участии автора в период с 1979 по 1984 год

21, 43] .

Основные результаты диссертационного исследования, связанные с разработкой методики построения МПУ ПИ использованы в НИОКР, проводимых в ЛНПО "Красная Заря" и подтверждены актом о внедрении.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

Эксперименты, проведенные на специальном стенде, включающем в себя макеты мультипроцессорных ЦКП и АП, построенные на серийно выпускаемых микро-ЭВМ позволяют сделать следующие еыводы.

1. Построена методика и разработано программное обеспечение для экспериментального определения показателей эффективности ВК ЦКП, включающая в себя способы измерения, объемы планируемых экспериментов, а также оценку точности измерения показателей э<ф-фективности.

2. Получено достаточно хорошее для практических целей соответствие измеренных показателей эффективности с их расчетными значениями, полученными в результате использования процедуры параметрической оптимизации.

3. Практически показана различная степень чуствительности исследуемых внутренних параметров ВК ЦКП к изменению его внешних параметров. В частности, отмечено слабое Елияние отдельных внешних параметров Еторой категории, описывающих характеристики программного обеспечения, и сильное влияние, задаваемых в качестве исходных данных при выборе технических средстЕ, значений номинального быстродействия процессора ОМ и цикла обращения к секциям ОПП.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Быстрое развитие сетей обмена информации для АСУ различного назначения вызвало необходимость построения абонентских пунктов, концентраторов, центров коммутации пакетов на микропроцессорных средствах.

Основной целью диссертационной работы поэтому является разработка и исследование инженерной методики построения микропроцессорных устройств передачи информации систем телеобработки АСУ на этапе системного проектирования.

Разработанная методика позволяет сократить сроки разработки абонентских пунктов, концентраторов, центров коммутации пакетов и получить оптимальные значения их внутренних параметров.

В ходе диссертационного исследования получены следующие основные результаты.

1. Предложен вариант построения устройств передачи информации систем телеобработки АСУ в виде мультимикропроцессорной системы с ОС, использующей децентрализованный принцип управления на базе набора функциональных модулей.

2. Построена концептуальная модель мультимикропроцессорных устройств передачи информации, описывающая структуру технических средств, алгоритмы выполнения процессоЕ канальных модулей, прикладных процессов и процессов ОС.

3. Выбраны и обоснованы показатели эффективности и качества функционирования МПУ ПИ такие, как коммутационная производительность (пропускная способность), среднее время задержки пакета, вероятность блокировки входящего трафика, вероятность искажения информации, функция стоимости технических средств, а также множества внешних и внутренних параметров.

4. Построена аналитическая модель расчета среднего времени задержки пакета и пропускной способности МПУ ПИ, учитывающая особенности мультипроцессорной реализации технических средств и программного обеспечения на основе рекуррентной численной процедуры.

5. Построена аналитическая модель расчета вероятности искажения информации в МПУ Ш на приеме и передаче.

6. Построены, процедуры последовательного распределения информационных ресурсов по секциям общего поля оперативной памяти и программ прикладных процессов по секциям локальной памяти обрабатывающих модулей, основанные на принципе оптимальности Беллмана.

7. Построена процедура и разработан комплекс программ параметрической оптимизации МПУ ПИ, минимизирующий функцию стоимости технических средств при заданных ограничениях на выбранные показатели эффективности.

8. Построена методика и разработано программное обеспечение для экспериментального определения показателей эффективности, включающая в себя способы измерения, объемы планируемых экспериментов, а также оценку измерения показателей эффективности.

9. Получено достаточно хорошее соответствие измеренных на экспериментальном стенде значений показателей эффективности с их значениями, рассчитанными в результате использования процедуры параметрической оптимизации.

Полученные результаты, использованы при построении макетных образцов ЦКП и внедрены в ряде НИОКР, проводимых в ЛНПО "Красная Заря". Акт о внедрении результатов диссертационной работы приведен в приложении.

В дальнейшем предполагается расширить предложенную методику построения МПУ ПИ в части учета надежностных характеристик и использовать ее на этапе системного проектирования опытных и серийных образцов абонентских пунктов, концентраторов и центров коммутации пакетов в сетях обмена информации АСУ.

1. Якубайтис Э.А. Архитектура вычислительных сетей. - М.: Статистика, 1980. - 280 с.

2. Джитман И., Френк X. Экономический анализ интегральных сетей передачи данных и речи. Исследование вопроса ТИИЭР, 1978, Т.66, tè II. с.313-337.

3. Клейнрок Л. Вычислительные системы с очередями. М.: Мир, 1979. - 600 с.

4. Катсуки Д., Элсам Э.С. Отказоустойчивый операционный мультипроцессор. ТИИЭР, 1978, Т.66, ^ 10, с.49-68.

5. Пуч Ф. Коммутационное оборудование ТЕЗИС-.5. В сборнике докладов советско-испанского симпозиума о развитии технических средств связи. M.: 1979, ГКНТ, с.5/1-5/52.

6. Секстон Дж. Мультипроцессоры в сетях пакетной коммутации. ABT, 1981, Ш 3, с.56-69.

7. Антошевский B.C., Мещеряков С.П., Овчинников Г.Р., Юраков Ю.Д. Функционально-модульный принцип построения элементов сетей передачи данных с коммутацией пакетов. Радиотехника, 1983,1. Ш 8, с.60-62.

8. Базилевич Е.В., Прамнэк Г.Ф. Системы коммутации сообщений на базе техники ЭВМ. М.: Связь, 1971. - 180 с.

9. Мизин И.А., Уринсон Л.С., Храмешин Г.К. Передача информации в сетях с коммутацией сообщений. М.: Связь, 1977. - 328 с.

10. Плешко Б.С. Исследование процессов передачи дискретной информации через узлы коммутации сообщений малой емкости. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. Л.: 1975. - 207 с.

11. Ивченко Г.И., Каштанов В.А., Коваленко H.H. Теория массового обслуживания. М.: Высшая школа, 1982. - 256 с.

12. Клейнрок Л. Теория массового обслуживания. М.: Машиностроение, 1979. - 432 с.

13. Вагнер Г. Осноеы исследования операций. Т.2. М.: Мир, 1973. - 280 с.

14. Саати Т. Целочисленные методы оптимизации и связанные с ними экстремальные проблемы. М.: Мир, 1973. - 327 с.

15. Бусленко В.А. Моделирование сложных систем. -'М.: Советское радио, 1978. 400 с.

16. Шрейдер 10.А., Шаров A.A. Системы и модели. М.: Радио и связь, 1982. - 240 с.

17. Автомян И.О., Вайрадян A.C., О.ныкий Б.Н., Сумароков Л.Н. Мультипроцессорные вычислительные системы. М.: Энергия,, 1971. - 320 с.

18. Соболевский М.И. Анализ и оптимизация структур матричных вычислительных систем. М.: Энергия, 1979. - 168 с.

19. Крамер Г. Математические методы статистики.-М.:Мир,1975.-425с.

20. Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. Методы обработки данных.-М.:Мир,1980.-6Ю с.

21. Антошевский B.C., Овчинников Г.Р., Краков Ю.Д. К построению программного обеспечения центра коммутации пакетов. Техника средств связи. Серия ТПС, 1981, $ 8/4/, с.31-37.

22. Сети данных общего пользования. Материалы шестой пленарной ассамблеи МККТТ. Оранжевая книга. Т.УШ.2.- М.: Связь,I980.-I23c.

23. Стал Р. Принципы дельта-модуляции. М.: Связь, 1979.-368 с.

24. Дмитриев ¡O.K., Хорошевский В.Г. Вычислительные системы из мини-ЭВМ. М.: Радио и связь, 1982, - 304 с.

25. Голоекин Б.А. Параллельные вычислительные системы. М.: Наука, 1981. - 520 с.

26. ЭЕанчук С. Операционные системы реального времени. Электроника, 1983, Т.66, Л 6, с.27-35.

27. Дэвис Д., Барбер Д. Сети сеязй для вычислительных машин. -М.: Мир, 1976. 680 с.

28. Обеспечение надежности сетей связи с пакетной коммутацией.- Зарубежная техника связи. Сер.Телефония, телеграфия, передача данных. 1979, вып.2, с.1-8.

29. Шоу А. Логическое проектирование операционных систем. М.: Мир, I98X. - 300 с.

30. ПраняЕичюс Г. Модели и методы вычислительных систем. Вильнюс: Мокслас, 1982. - 249 с.

31. Балыбердин В.А. Методы анализа мультипрограммных систем. -М.: Радио и связь, 1982. 152 с.

32. Раскин Л.Г. Анализ сложных систем и элементы теории оптимального управления. М.: Советское Радио, 1976. - 344 с.

33. Снапелев Ю.М., Старосельский В.А. Моделирование и управление е сложных системах. М.: Соьетское Радио, 1974. - 286 с.

34. Авен О.И., Гурин H.H., Коган Я.А. Оценка качестЕа и оптимизация вычислительных систем. М.: Наука, 1982. - 464 с.

35. Осноеы теории вычислительных систем. /Под редакцией С.А.Майорова/ М.: Высшая школа, 1978. - 408 с.

36. Калашников В.В. Качественный анализ поведения сложных систем методом пробных функций. М.: Наука, 1978. - 248 с.

37. Бакаев A.A., Костина H.И., Яровицкий H.B. Имитационные модели в экономике. Киев: Наукова думка, 1978. - 175 с.

38. Пранявичюс И., ШЕалите Д.Ю. Применение Е-сетей при создании »имитационных моделей. В кн. Математика и математическое моделирование. Вып.4 Вильнюс: 1980, с.68-72.

39. Цикритзис Д., Бернстайн Ф. Операционные системы. М.: Мир, 1977. - 336 с.

40. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем искусство и наука. - М.: Мир, 1978. - 418 с.

41. Шестопалов A.M., Клепиков В.П., Жевлюк К.С. Центры коммутаций сообщений. М.: Радио и Сеязь, 1982. - 253 с.

42. Овчинников Г.Р. К расчету среднего времени задершш пакета в центре коммутации. Техника средств связи. Серия ТПС, 1984, вып.2, с.23-33.

43. Ковауал/и И. deïîtft алаС /эег/яъ/па/гсе asiccfysùs ¿¿siafc&c /т2oc¿e¿s. -Т/г ûoczze/zf

44. Шнепс М.А. Численные методы теории телетрафика. М.: Связь, 1974. - 232 с.

45. Панфилов И.В., Половко A.M. Вычислительные системы. М.: Советское радио, 1981. - 303 с.

46. Гальперин М.П., Кузнецов В.Я., Маслеников Ю.А., Панкин В.Е., Цветов В.П., Боровской А.И. Микро-ЭВМ "Электроника С5" и их• применение. /Под редакцией В.М.Пролей о/ М.: Советское радио, 1980. - 160 с.

47. Овчинников Г.Р., ЮракоЕ Ю.Д., Дмитриев А.Г. Автоматизация разработки программного обеспечения коммутационных устройстЕ, реализованных в виде мультипроцессорных систем на базе мик-ро-ЭВМ.-Управляющие системы и машины. 1984, J& 5, с.41-44.

48. Феррари Д. Оценка производительности вычислительных систем.-М.: Мир, 1981. 576 с.

49. Головин Ю.А. Исследование и разработка методики проектирования программируемых абонентских пунктов сетей обмена информацией на базе аппарата сетей Петри. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. Л.: 1981. - 211 с.

50. Коршунов Ю.М. Математические осноеы кибернетики. М.: Энергия, 1980. - 424 с.

51. Сипсер Р. Архитектура сеязи е распределенных системах. T.I. М.: Мир, 1981. - 435 с.

52. Захаров Г.П. Методы исследования сетей передачи данных. -М.: Радио и связь, 1982. 208 с.

53. Вейцман К. Архитектура распределенных систем на мини и микро-ЭВМ. М.: Мир, 1984. - 344 с.

54. Мартин Дж. Системный анализ передачи данных. Т.2. М.: Мир, 1975. - 432 с.