автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Методы повышения эффективности виртуальных ЭВМ в системах автоматизации проектирования программного обеспечения АСУ реального времени

'РГо ОД

„ ¡; ;;;: '^юс-ковркий ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИККЕНЕРНО-ФМЗИЧЕСКИй ИНСТИТУТ

На правах рукописи

МАРТЫНОВ Виктор Лукьяновпч

МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВИРТУАЛЬНЫХ ЭВМ В СИСТЕМАХ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ АСУ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ

05.13.11-Математическое и программное обеспечение вычислительных машин и систем

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Автор:

Москва -I

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени Инженерно-Физическом институте.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

В.М.КИРПХИН

Официальные оппонента: доктор технических наук.

профессор Я.А.ХЕТЛГУРОВ; кандидат технических наук, старший научный сотрудник Е.В.ПАШРАТЦ

Ведущая организация: научно-цроизвод&твешшй центр "ЭЛВИС"

НПО "ЭЛАС"

' Защита состоится «м 1993г. в __час._мин.

на заседании специализированного совета Д053.03.04 в Московском ордена Трудового Красного Знамени Инженерно-Физическом институте по адресу: 115409, Москва, Каширское шоссе, д.31, тел. 324-84-98

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ.

Автореферат разослан » 1993г.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Ученый секретарь специализированного совета / В.Э ЛШ1ЛЕ11ГЛГЕН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Возрастающие требования к надежности и эффективности программного обеспечения специализированных ЦВМ (СЦБМ), стоимости и- срокам его разработки приводят к необходимости создания технологий проектирования, базирующихся на нетрадиционных принципах и подходах. Среди них особое место занимает ,' технология проектирования, поддерживаемая инструментальными системами имитационного моделирования (ИСИМ), позволяющими реализовать концепцию виртуализации вычислительных средств и объектов управления.

В настоящее время для решения задач проектирования и анализа программного обеспечения (ПО) традиционно используются различного рода аппаратно-программные стенда, кроссовке и резидентные системы отладки. Однако их использование на этапах исследования эффективности архитектуры объектной вычислительной системы (ВС) и разработки соответствующего ПО, особенно для систем с параллельной и конвейерной обработкой информации, приводит к большим вычислительным - затратам и недостаточной точности. Кроме того, отсутствие в них средств воспроизведения динамики и адекватного функционально- временного отображения процесса исполнения программ приводит к невозможности осуществления в полном объеме комплексной динамической отладки с учетом воздействия внешних устройств АСУ реального времени.

Последние исследования в области создания систем автоматизации проектирования АСУ реального времени показывают, что решение указанных задач возможно лишь с помощью методов, учитывающих специфику реализуемых функций по совмещению эмуляцконных и вычислительных процессов при имитации исполнения программ. В диссертационной работе предлагается для этих целей использовать методы, основанные на создании виртуальных ЭВМ и ИСИМ на их основе, обеспечивающих параметричность архитектуры, "прозрачность." вычислительных процессов в виртуальной ЭВМ для пользователя, удобство доступа к любой интересующей его информации, приемлемое время реакции и т. д. В то же время, анализ существующих разработок и литературы по теме диссертации показывает, что предлагаемые рядом эвторов подходы к созданию автоматизированных систем проектирования на базе виртуальных ЭВМ слабо разработаны, достаточно сложны в реализации и позволяют решить лишь часть проблем.

Цель работы. Целью диссертации является разработка методов, повышения эффективности виртуальных ЭВМ в системах автоматизации проектирования программного обеспечения АСУ реального времечи.

Эта цель достигается в результате исследования эффективности традиционных методов эмуляции вычислительных процессов (ВП) и возможности их использования при построении виртуальных ЭВМ, анализа инструментальных погрешностей машинных арифметических операций и выделения точностных компонентов ВП, разработки и исследования новой схемы эмуляции ВП, сочетающей принципы аппаратной и программной интерпретации инструкций объектной СЦВМ (ОВМ), разработки типоеых компонентов для построения алгоритмов, реализующих новую схему эмуляции, разработки методики построения и исследования алгоритмов точного имитационного моделирования вычислительных процессов, 'обеспечивающих повышение эффективности виртуальных ЭВМ' в ИСИМ на их основе, разработки и исследования-программного комплекса, реализующего функции имитации ВП.

Методы исследования. При исследовании ВП в различных типах ОВМ для выделения их точностных компонентов, а также при разработке модели ВП использовались арифметические и логические основы построения ЭВМ, теория точности алгоритмов и вычислений на ЭВМ, основные положения теории имитационного моделирования.

Доказательства истинности утверждений о возможности или невозможности совмещения эмуляционных и вычислительных процессов в инструментальных ЭВМ (ИВМ). используемые для получения типовых компонентов, основаны¿на аппарате математической логики.

Оценка эффективности алгоритмов псевдоаппаратной эмуляции и проверка адекватности имитации ВП проведены в соответствии с основными положениями и выводами теори: анализа и построения алгоритмов, теории верификации и тестирования сложных программных комплексов.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:

1)Впервые обоснована возможность псевдоаппаратной эмуляции, основой которой является имитация команд ОВМ путем исполнения функционально- эквивалентных команд ИВМ с последующей коррекцией результата.

2 Определены наиболее важные показатели эффективности виртуальных ЭВМ и•получены соотношения для количественной оценки временных и емкостных характеристик программ, реализующих

алгоритмы псевдоаппаратной эмуляции.

3)Впервые построена математическая модель.. псевдоаппаратной эмуляции, учитывающая точностные компоненты вычислительных процессов в объектной и инструментальной ЭВМ.

4)Впервые сформулированы и доказаны утверждения о компенсации погрешности псевдоаппаратной эмуляции при заданных комбинациях точностных компонентов вычислительных процессов в ОВМ и ивм и получен набор типовых компонентов для построения алгоритмов псевдоаппараткой эмуляции.-

Б)Предложена методика компоновки алгоритмов псевдоаппаратной эмуляции из типоеых компонентов.

6)Разработана методика построения специальных тестов для проверки адекватности псевдоаппаратной эмуляции ВП.

Практическая ценность. Разработана методика построения виртуальных ЭВМ, использующих псеЕДоаппаратную эмуляцию, для проектирования программного обеспечения АСУ реального времени. Типовые компоненты псевдоаппаратной эмуляции, включены в состав инструментального программного комплекса, являются'независимыми и построены по модульному принципу, что делает их открытыми как в части расширения, так и в части модификации функциональных возможностей. Применение программного • комплекса позволяет существенно сократить временные затраты на эмуляцию ПО однопроцессорных СЦВМ и ВС с параллельной архитектурой и требуемую память ИВМ.

Опыт практического использования комплекса показал, что он может быть применен для проектирования имитационных моделей СЦВМ с различными способами организации вычислительных процессов (ОКОД, МКОД, ОКМД, МКМД), а также для построения систем, базирующихся на программных эмуляторах или содержащих имитацию выполнения арифметических операций одной ЭВМ на другой.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы реализованы в виде алгоритмов и программ, которые использовались при построении ИСИМ на базе виртуальных ЭВМ "Азов", "Апрель", "Лада", "Сигнальный транспьютер", обеспечивающих автоматизированную разработку ПО соответствующей вычислительной системы на ИВМ (EC-1Q60, CM-142Q, IBM PC/AT 386) вместо использования реальных СЦВМ или дорогостоящи специальных стендов. Указанные ИСИМ внедрены в НПО "Агат" (г.Москва) и переданы в опытную эксплуатацию в ЦНИИ "Океанприбор" (г.С.-Петербург), НПО "Квант" (г.Киев), НПО "Славутич" (г.Киев).

В диссертации автор защищает:

1 )обоснование возможности псевдоаппаратной эмуляции, базирующейся на имитации команд объектной СДВМ путем исполнения функционально- эквивалентных команд инструментальной ЭВМ с последуицей коррекцией результата.

2 )Соотношения для оценки эффективности алгоритмов псевдоаппзрэтной эмуляции.

3¡Математическую модель пееЕдоаппарзтной эмуляции вычислительного процесса, используемую для построения виртуальных ЭВМ в ИСИМ.

4 Утверждения о компенсации погрешности псевдоаппаратной эмуляции.

Б)Методику компоновки алгоритмов псевдоаппаратной эмуляции ВП из типовых компонентов.

б)Мет0дику проверю! адекватности псевдоаппаратной эмуляции.

7 Шрсгра:я.то-алгоритмический комплекс, реэлизукглй функции имитации (псевдоаппаратной эмуляции) вычислительных процессов.

Аппробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных семинарах и конференциях: XXXI научной конференции преподавателей, сотрудников и студентов МИФИ (1985г.); научных семинарах кафедры "АСУ ТП" МИФИ (1937, 1988, 1939, 1990гг.); на Всесоюзном научном семинаре "Интерактивные диалоговые системы в вычислительных комплексах и сетях ЭВМ" (г.Москва, 198ог.); на IX Всесоюзном координационном совещании "Математическое обеспечение интеллектуальных систем САПР-ГАП" (Г.Орджоникидзе, 1988г.); на Всесоюзной конференции "Моделирование систем ' информатики" (г.Новосибирск, 1983г.); на IV Всесоюзной научно-технической конференции "Математическое, алгоритмическое и техническое обеспечение АСУ ТП" (г.Ташкент, 1988г.); на Республиканской конференции "Проблемно- ориентированные диалоговые системы" (г.Батуми, 1988г.); на VIII Всесоюзной научно-технической конференции "Машинное моделирование" (г.Москва, 1991г.).

Публикации. Основные положения и результаты диссертации отражены в 24 научных работах, 10 из которых- печатные.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы (95 наименований) и приложений. Работа содержит (без учета приложений) 163 страницы машинописного текста, включая 42 рисунка и 4 таблицы. Приложения содержат 53 страницы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Наиболее важным и сложным компонентом ИСИМ является виртуальная ЭВМ, то есть реализованная на инструментальной ЭВМ имитационная модель> . которая обеспечивает адекватное функционально-временное отображение процесса исполнения любых программ объектной СЦВМ.

Анализ задач, решаемых с помощью ИСИМ, позволил сформулировать следующие основные требования к виртуальной ЭВМ.

1)Структура виртуальной ЭВМ должна быть адекватной структуре реальной СЦВМ для обеспечения в ИСИМ возможности исследования архитектуры объектной СЦВМ.

2)Структура виртуальной ЭВМ должна быть характерной для систем имитационного моделирования, то есть виртуальная ЭВМ мохит содержать элементы и механизмы, еозможно, отсутствующие в реальной СЦВМ такие, например, как механизмы реализации динамики отображения временных характеристик эмулируемых ВП, средства, обеспечивающие "прозрачность" ВП в виртуальной ЭВМ и удобный доступ ко всем ресурсам виртуальной системы.

3)Вычислительный процесс в ОВМ должен отображаться в ИВМ (в среде ИСИМ) абсолютно точно. Это означает одинаковую последовательность обработки инструкций в ОВМ и в виртуальной ЭВМ, а также совпадение во всех разрядах соответствующих результатов операций, полученных на виртуальной"ЭВМ и ОВМ.

Под эффективностью виртуальной ЭВМ понимается степень выполнения. виртуальной ЭВМ своих определяющих функций. В общем случае показателями эффективности могут быть: полнота отображения вычислительных процессов объектной СЦВМ, быстродействие, надежность функционирования, длительность ' и стоимость проектирования виртуальной ЭВМ, достоверность получаемых на ней результатов, используемые ресурсы инструментальной ЭВМ и другие. В работе в качестве наиболее важных показателей эффективности виртуальной ЭВМ, выбраны следующие:

1)Адекватность виртуальной ЭВМ, под которой понимается функциональная точность эмуляции инструкций объектной СЦВМ, то есть равенство нулю погрешности реализации оператора о§м(')=Шьо§м(') -эмуляЦ1™ инструкции QgM ОВМ на ИВМ:

2)3атраты ресурсов ИВМ, оценка которых осуществляется

сравнением различных схем эмуляции ВП по таким параметрам как Еремя оМулящш и затраты памяти ИВМ. Если обозначить через ьремя реализации на ИЕМ схемы эмуляции, УдЕМ- объем памяти ИВМ, требуемый на релизацию схеш, время реализации на ИВМ

чистой имитации, а через объем памяти ИВМ, требуемый на

релизацию чистой имитации, то коэффициенты сокращения Бремени эмуляции и объема требуемой памяти ИВМ можно представить следующим образом:

^ и . (2)

Тогда условия эффективности схем эмуляции определяются выполнением неравенств:

иг>1 или и «у>/ или у«ЕМ>^Ем (3)

3)Длительность проектирования виртуальной ЭВМ, которая в значительной степени определяется уровнем типизации ее компонентов (в частности, типизацией компонентов эмулятора системы команд ОШ) и унификацией процесса построения виртуальной ЭВМ, основанной на использовании типовых компонентов.

Анализ существующих разработок и литературы по теме дисссертации показал, что предлагаемые рядом авторов подходы к разработке методов повышения эффективности эмуляторов достаточно сложны в реализации и позволяют решить лишь часть проблем при виртуализации СЦВМ. Исследование возможности использования в виртуальной ЭВМ принципов построения традиционных кроссоЕых и резидентных систем с учетом принятых в работе критериев эффективности позволило сделать следуюцие выводы:

1) Аппаратные эмуляторы обладают наилучшими значениями показателей (1) и (2). Однако, их высокая стоимость и необходимость наличия аппаратного эмулятора, который, в случае параллельной разработки программных и аппаратных средств, может отсутствовать при проектировании новых типов СЦВМ, не позволяют использоеэть принципы их построения в виртуальной ЭВМ.

2) Программные эмуляторы имеют относительно низкую стоимость и могут быть"использованы при отсутствии аппаратуры объектной СЦВМ. Однако, они характеризуются большими затратами ресурсов ИВМ. А используемые метода по уменьшению количества команд, реализующих интерпретирующий., модуль, и оптимизации последовательности их исполнения не обеспечивают существенного повышения эффективности процесса эмуляции. Как правило, увеличение скорости эмуляции

приводит к потере точности отображения вычислительного процесса и увеличению объема требуемой памяти.

Проведенные оценки показали, что использование в чистом виде принципов программной или аппаратной эмуляции в виртуальной ЭЕМ не позволяет полутать приемлемые значения принятых показателей эффективности. Одним из возможных подходов здесь является сочетание принципов аппаратной и программной эмуляции, при этом в качестве аппаратного эмулятора выступает процессор инструментальной ЭВМ. Этот подход требует разработки нетрадиционного метода, названного в работе методом псевдоаппаратной эмуляции, основой которого является имитация вычислительных операций объектной СЦВМ путем исполнения функционально-эквивалентных команд инструментальной ЭВМ с последующей коррекцией результата.

Проведенные автором работы исследования показали, что величина коррекции результата при пс-евдоапцаратной эмуляции может иметь как детерминированный, так и случайный характер в зависимости от аппаратных характеристик ЭВМ и от значений обрабатываемых данных. Если эта величина является случайной, то в соответствии с критериями эффективности аппаратная эмуляция с помощью процессора инструментальной ЭВМ не может быть использована в виртуальной ЭВМ. В этом случае эмуляция вычислительной операции осуществляется с помощью чистой имитации. При этом необходимая точность обеспечивается микропрограммным уровнем моделирования.

Анализ показал, что при имитационном моделировании последовательных, конвейерных, а также параллельных вычислительных процессов ключевым является обеспечение точности и высокой скорости эмуляции циклов выполнения базовых вычислительных операций. Основным блоком схемы псевдоаппаратной эмуляции цикла выполнения вычислительной операции является блок переключения режимов имитации, где осуществляется анализ значений обрабатывамых данных и коррекция результата операции. В соответствии с этой схемой:

-если аппаратная эмуляция вычислительной операции объектной СЦВМ возможна, то выполняется одна Функционально- эквивалентная команда инструментальной ЭВМ, после чего корректируется результат;

-если аппаратная эмуляция невозможна, то вызывается модуль чистой имитации, который уже с помощью десятков и сотен различных команд инструментальной ЭВМ осуществляет моделирование

вычислительной операции.

Процесс получения величины см^а^, *■=<+,-,х,/> на ' ОВМ представляется следующим образом;

с=а?Во1ма2Ш+Лт(ш)+Аи(о§м'' <4>

где а^БМ=а^±Д(а^БМ) -машинное > число, аппроксимирующее вещественное число а^, Д(а^ш) -абсолютная погрешность аппроксимации (3=1,2); АТ(*)=Г1 (Д(а^вм),А(а^вм))- трансформированная погрешность операции. *; инструментальная погрешность машинной операции 0|м, ©={©,©,а,о) или погрешность алгоритма реализации операции * на ОВМ.

При псевдоаппаратной эмуляции машинные данные а°БМ и а2вм долчзш быть' преобразованы в соответствующие машинные данные а^ЕМ и а1'БМ. При этом возникает погрешность аппроксимации дМ(аН1»1)„|аовм_2ИЕМ| ( 1к1,2. Машинная операция 0|м должна

ьмудлроЕЭТься на ИВМ с помощью соответствующей операции

где' РрЛ-|(аЭЕМ)- оператор преобразования машинных данных. Погрешность псевдоаппаратной эмуляции обозначил через £(©):

(6)

Выполнив указанные преобразования в соотношении (4) и выделив трансформированную погрешность эмуляции вычислительной

операции 0|м: Д^(*)=19^Ам(а111ВМ),Ам(а^ЕМ)]1 получим:

соьм=сивм + дм(„ ; £(0) (7)

Для определения величины 5(о) в общем виде, замети,1, что с одной стороны:

с=аГо1маГ+дт^)+Ли'оем)+Лт^)' (в)

а сдругой стороны: ,

с=аГмиад^вм+Ат (* )+Аи (0§м )+Д^( * )+е (©) (9)

Вычисляя разность выражений .(8) и (9) и учитывая (4), получим:

Таким образом, соотношение (7) является формальной записью моделируемого ВП. Из этого соотношения видно, что если для

имитации вычислительной операции ОВМ использовать

соответствующую вычислительную операцию ИЬМ то результат

операции ^ должен быть скорректирован на величину д" (*)+£(©).

Трансформированная погрешность д"(*) при эмуляции БП определяется ошибками преобразования машинных форматов данных, которые.в виртуальной ЭВМ долями равняться нулю. Соотношения для определения трансформированной погрешности и методы ее компенсации хорошо изучены и представлены в теории точности алгоритмов и вычислений на ЭВМ, поэтому основное внимание в диссертационной работе уделено определению и компенсации величины £(©)- погрешности псевдоаппаратной эмуляции.

В соответствии с соотношением (10) эта величина определяется значениями Аи(и§м) и А}1(0|м). Традиционные методы вычисления инструментальных погрешностей предполагают учет только погрешностей округления, однако, проведенные эксперименты показал!, что этого недостаточно для удовлетворения точностного критерия эффективности эмуляции вычислительного процесса в виртуальной ЭВМ. Поэтому для определения инструментальной погрэшности вычислительных операций в работе Еыделены следующие точностные компоненты:

-разрядность вычислений и формат представления чисел; -диапазон представления и структура порядка чисел с плавающей запятой;

-тип округления результата операции (усечение, нормальное округлеете, округление в сторсну -в и в сторону +<*>, оптимальное округление, добавление единицы);

-метод выполнения микрооперащя сдвига операндов и величина допустимого сдвига при выравнивании порядков (сохранение разрядов, выходящих после сдвига за пределы разрядной сетки ЭВМ, либо отбрасывание указанных разрядов);

-диапазон■области машинного нуля и способ зануления результата операций;

-алгоритмы ' нормализации результата . операций и наличие/отсутствие в системе команд ЭВМ инструкций получения ненормализованного результата;

-особенности алгоритмов выполнения операций умножение и деление (получение частного с остатком от деления, либо без остатка; получение произведения, имеющего разрядность сомножителей, либо двойную разрядность сомножителей).

Исследование алгоритмов реализации базовых вычислительных операций объектных и инструментальных ЭВМ • на микропрограммном уровне с учетом выделенных точностных компонентов, позволило

получить- соотношения для определения их инструментальных погрешностей.

Оператор чисто программного моделирования (чистой имитации) вычислительной операции 0|м на ИВМ путем интерпретации на ИВМ каждой микрооперации алгоритма реализации обозначим через 5ЩЪ0£М (•) ■ По определению погрешность реализации этого оператора должна быть равна нулю.

Вычислительный процесс получения величины с0ЕМ на ОВМ, моделируемый в соответствии с предлагаемой схемой, можно представить следующим образом:

%овм_ГЕ -если аппаратная эмуляция на ИВМ возможна, м п

^ ~\3 -если аппаратная эмуляция на ИВМ невозможна к '

В соответствии с введенными обозначениями Б имеет вид:

з=?81 [з*о1м( т^'Ш^ >] (12)

Подставляя соотношение (7), которым определяется величина Е, и соотношение (12) в выражение (11), получим:

совм.

сивм+Д*(*)+{(©) -если аппаратная

эмуляция на ИВМ возможна; * (13)

>]. «к-

ная эмуляция на ИВМ невозможна

Выражение (13) является математической моделью ВП в ОВМ. При определенных комбинациях точностных компонентов точная программная реализация величины £(©) невозможна.. Например, если в "ИВМ используется округление, при котором возникает единица переноса в старшие разряды, то по результату операции ^ невозможно установить, был или нет этот перенос, то есть невозможно ' точно компенсировать этот перенос коррекцией результата операции д.

' Однако имеются и такие комбинации точностных компонентов вычислительных процессов, при которых величина £(©) принимает достаточно простой вид. Например, если диапазоны представления порядков в ОВМ и ИВМ одинаковы, в ИВМ используется Т-округление (усечение) или . А-округление (добавление единицы), а в ОВМ используется Т-округление и величина допустимого сдвига при выравнивании порядков операндов не меньше длины разрядной сетки ОВМ, то величина ?(©) равна погрешности Т-округления. Для • моделирования этой величины достаточно занулить в результате операции ^ разряды, не входящие в моделируемое машинное слово

объектной СЦВМ. Имеются и другие комбинации точностных компонентов, при которых .величина ?(©) однозначно и точно программно реализуема [6,9,10]. Таким образом, возможна аппаратная эмуляция вычислительного процесса с помощью процессора инструментальной ЭВМ при построении виртуальных ЭВМ.

Наличие математической модели псевдоаппаратной эмуляции позволило разработать методику построения и исследования алгоритмов эмуляции, которые обеспечивают: компенсацию погрешности псевдоаппаратной эмуляции и переключение режима моделирования на' чистую имитацию в случае невозможности использования процессора инструментальной ЭВМ • в качестве аппаратного эмулятора. Эта методика включает:

-набор типовых компонентов псевдоаппаратной эмуляции;• -правила компоновки алгоритмов эмуляции из типовых компонентов;

ч -соотношения ' для количественной оценки эффективности алгоритмов псевдоаппаратной эмуляции;

■ -средства и методы построения специальных тестов для проверки адекватности псевдоаппаратной эмуляции.

Решение задачи получения типовых компонентов псевдоаппаратной эмуляции основано на доказательстве истинности утверждений о компенсации погрешности псевдоаппаратной эмуляции при- заданных комбинациях точностных компонентов вычислительных процессов в объектной и инструментальной ЭВМ.

Формулировка указанных утверждений осуществляется на основе исследования выделенных ■ точностных компонентов. Для этого выполнена декомпозиция алгоритмов реализации базовых вычислительных операций различных классов объектных и инструментальных ЭВМ. В связи с необходимостью обеспечения абсолютной точности эмуляции вычислительных операций ОВМ, уровень декомпозиции соответствует уровню микроопераций, При декомпозиции выделены также условия возникновения и способы обработки исключительных ситуаций ВП. Величины Ад (о) и £(©) для каадой операции представлены в виде векторов:

А<0)=

Д< (о) 42<®>

Ац(о)

' Л1<и§м>

. Ат(оВм> .

(14)

Для возможных комбинаций компонентов Д-^С^), Д^(0§м) векторов

Ди(и|м) и AK(0gM) определены совокупности значений величины £(©) для каждой вычислительной операции: |.|(©), 5n(©)»

n=k«m:

ç1(©)=|a1(1i|m)-a;j(0|m)J,1=1..k; j=i,...m; i-i,...n. (15)

Значения ?]_(©), 1=1,...n сгруппированы по признаку их отношения-к обрабатываемым данным и к аппаратуре:

^(0), îr(0)' Çr+1(0)' 5П(©) (16)

относятся к данным относятся к аппаратуре

При эмуляции ВП величина Z (о) может принять значения ^ (о), t2(о),...,£г(о), относящиеся к обрабатываемым данным, в. любой

момент времени. Значения £г+1(о), £г+2(®)..... ?п(©), относящиеся

к аппаратуре, определяются конкретным выбором ОВМ и ИВМ, поэтому величина |(о) должна обеспечивать одновременную реализацию

значений ^(о), .....и °даого из значений ?г+1(©),

?г+2(©)..... £п(©). Исходя из этого в работе сформулированы

утверждения, охватывающие возможные комбинации точностных компонентов вычислительных процессов в ОВМ и ИВМ.

Доказательство истинности утверждений - основано на проверке выполнения требования об однозначной и точной программной реализуемости величины К©). Это требование удовлетворило, если все компоненты, образующие величину £(©), программно доступны и имеют вполне определеннее значение на момент завершения выполнения операции^, а структура величины £(©) такова, что ее программная' реализация не вносит дополнительной погрешности.

■ Доказательство утверждений позволило выделить признаки и источники возможной потери точности псевдоаппзратной эмуляции, определить моменты переключения режима моделирования с аппаратной эмуляции на чистую имитацию и построить- типовые компоненты алгоритмов псевдоаппаратной эмуляции. Типовые компоненты представляют собой базовые элементы псевдоаппаратной эмуляции.

Для оценки эффективности алгоритмов псевдоаппаратной эмуляции в условиях (3), .записанных для циклов' выполнения и моделирования вычислительных операций ©, провёдена конкретизация значений t?i?M,

►ИВМ уИВМ „ивм. ®и

'ээ ' ©и и *©э •

-для алгоритмов эмуляции, не содержащих анализ операндов,

условия эффективности представляются следующим образом:

гивм.п >tHBM+tHBM . уИВМ VHBM . М71

ucp 'V1-© чкорр.рез.' ср © корр.рез.'

-для алгоритмов эмуляции, содержащих анализ операндов условия эффективности имеют вид:

ср "о'^ан.оп.

vjibm sViibm ср ан.оп.

С+й -при некритических о корр.рез. значениях операндов;

-при критических значениях у операндов

укош) -при некритических

значениях операндов;

-при критических значениях _ ^ операндов

(18)

(19)

где п0 -количество инструкций инструментальной ЭВМ, интерпретирующих одну инструкцию объектной СЦВМ при чистой имитации; ^"'-Еремя выполнения операции п|м; t£pM-среднее время рэализоши короток операций ИВМ; v"™-средняя даша инструкции ЙВМ в байтах; vI®Mcn_- время и объем памяти ИВМ,

затрачиваемые гй анализ операндов операции „о,. (ti1®"' mQV-<7ti??M,

rrr.1t Mnit гп>„ ИЫЛ dii. Uli. !ГМ A C J

ан!оп.max5*7 vcp '' корр.рез.' Свр.рез." вРемя 11 обмм памяти ИВМ, затрачиваемые на коррекцию результата операции

корр.рез. си ' ^орр.рез.^'^ср

Все величины в соотношениях (17)-(19) могут быть вычислены для заданных ОВМ и ИВМ, что дает возможность сделать -заключение о целесообразности использования алгоритмов псевдоаппаратной эмуляции для каждой вычислительной операции объектной СЦВМ. Например, построение псеедоаппаратного эмулятора вычислительной системы с параллельной архитектурой на базе сигнального транспьютера обеспечило:

-увеличение скорости эмуляции ВП по сравнению с методом чистой имитации и в зависимости от способа его реализации в 10-250 раз;

-уменьшение затрат памяти ИВМ на размещение программ эмуляции вычислительного .процесса по сравнению с методом чистой имитации и в зависимости от способа его реализации б 15-300 раз.

Построение и анализ алгоритмов псевдоаппаратной эмуляции вычислительного процесса с использованием полученных в работе типовых компонентов осуществляются по следующим правилам:

1)В алгоритмах реализащш базовых вычислительных операций объектной СЦВМ и инструментальной ЭВМ необходимо выделить и описать перечисленные выше точностные компоненты.

2 )0пределить принадлежность выделенных точностных компонентов к области допустимых значений.

3)Сделать заключение о возможности или невозможности использования схемы псевдоаппаратной эмуляции для каждой базовой вычислительной операции на базе анализа комбинаций значений точностных компонентов.

4построить (скомпоновать) алгоритмы псевдоаппаратной эмуляции каждой вычислительной операции ОВМ

• 5)Получить оценки эффективности алгоритмов псевдоаппаратной эмуляции, после чего принять решение о целесообразности их использования в виртуальной ЭВМ.

6)Провести сборку программных модулей, реализующих алгоритмы псевдоаппаратной эмуляции. ,

Опыт разработки виртуальных ЭВМ [1-10] показал, что использование алгоритмов псевдоаппаратной эмуляции вычислительного процесса сокращает длительность проектирования виртуальных ЭВМ примерно в два раза.

Для использования программ псевдоаппаратной эмуляции базовых вычислительных операций при построении модулей эмуляции остальных вычислительных операций ОВМ, они должны быть протестированы.

В предлагаемой в работе методике построения тестов для . проверки адекватности псевдоаппаратной эмуляции. ВП реализация вычислительной операции в виртуальном процессоре рассматривается ' как система маршрутов в граф-схеме алгоритма эмуляции. Для построения тестов необходимо:

-постулировать ошибки» связанные с реализацией типовых компонентов; .

-выбрать тестовые значения операндов, позволяющие, проверить правильность реализации типовых компонентов;

-для выбранных тестовых значений вычислить эталонные значения результатов.

' Сравнения с эталонными значениями производятся на части тестовых наборов, достаточной для проверки постулированной группы ошибок. Перед тестированием виртуального процессора совокупность тестов обрабатывается на.реальной СЦВМ для проверки правильности вычисленных эталонных ""значений результатов. Каждый тест представляет - собой самостоятельную программу, состоящую из последовательных проверок.

Использование' типовых компонентов для построения алгоритмов . псевдоаппаратной эмуляции и успешное 'прохождение- тестов гарантируют, что программа, выполняемая на виртуальной ЭВМ, дает те же результаты, что и на реальной СЦВМ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ и РЕЗУЛЬТАТЫ

На основании аналитических исследований и экспериментальных проверок в диссертации получены следующие теоретические и практические результаты: '

1 )В соответствии с требованиями к виртуальной ЭВМ, а также с учетом' особенностей реализуемых- в виртуальной ЭВМ функций, определены наиболее важные показатели эффективности виртуальной ЭВМ, которыми являются: адекватность виртуальной ЭВМ, используемые ресурсы инструментальной ЭВМ (время и память), длительность проектирования виртуальной ЭВМ.

2Исследование структурно-функциональной схемы виртуальной ЭВМ и ее компонентов (в частности, виртуального процессора) позволило сделать вывод о том, что при имитационном моделировании последовательных, конвейерных, а также параллельных вычислительных процессов ключевым является обеспечение точности и высокой скорости эмуляции циклов выполнения базовых вычислительных операций объектной СЦВМ.

3 Исследование методов аппроксимации вещественных чисел . машинными, алгоритмов реализации базовых вычислительных операций на ЭВМ и механизмов возникновения инструментальных погрешностей машинных арифметически операций, анализ таких точностных компонентов вычислительных процессов как разрядность вычислений, тип округления результата, метод выполнения микрооперации сдвига и величина допустимого сдвига при выравнивании порядков операндов, диапазон области машинного нуля и способ зануления результата и других, позволили сделать вывод о том, что при имитационном моделировании вычислительных процессов , возможна псевдоаппаратная эмуляция, основой которой является имитация команд объектной СЦВМ путем исполнения функционально-эквивалентных 'команд инструментальной ЭВМ. с последующей коррекцией результата. ' .

4)В результате анализа традиционных методов эмуляции вычислительных процессов с учетом принятых в работе показателей эффективности виртуальной ЭВМ построена математическая модель' псевдоаппаратной эмуляции, учитывающая точностные компоненты вычислительных процессов в объектной и инструментальной ЭВМ.

5)Сформулированы и доказаны утверждения о компенсации погрешности псевдоаппаратной эмуляции при заданных комбинациях

точностных компонентов вычислительных процессов в объектной и инструментальной ЭВМ, определены источники и описаны признаки потери точности псевдоаппаратной эмуляции, на основе которых получен набор типовых компонентов для построения алгоритмов псевдоаппаратной эмуляции.

6)Разработана методика построения алгоритмов псевдоаппарзтной эмуляции вычислительных процессов, включающая:

-правша компоновки алгоритмов псевдоаппаратной эмуляции ВП из типовых компонентов;

-соотношения для количественной оценки эффективности использования программ, реализующих алгоритмы псевдоаппаратной эмуляции ВП;

-метода и средства построения специальных тестов для проверки адекватности псевдоаппаратной эмуляции ВП.

7)Показано, что использование алгоритмов псевдоаппаратной эмуляции вычислительных процессов-при построении виртуальных ЭВМ обеспечивает:

-абсолютную точность имитационного моделирования вычислительного процесса объектной СЦВМ на заданной инструментальной ЭВМ;

-увеличение скорости эмуляции вычислительного процесса по сравнению с методом чистой имитации и в зависимости от способа его реализации в, 10-250 раз;

-уменьшение затрат памяти ИВМ на размещение программ эмуляции вычислительного процесса по сравнению с методом чистой имитации и в зависимости от способа его реализации в 15-300 раз; .

-сокращение длительности проектирования виртуальных ЭВМ примерно в два раза.

8 результаты диссертационнай работы реализованы в виде алгоритмов и программ, которые использовались при построении ■инструментальных систем имитационного моделирования (ИСИМ) на базе виртуальных СЦВМ "Апрель", "Азов", "Лада", а также на базе виртуального сигнального транспьютера, обеспечивающих автоматизированную разработку программного обеспечения соответствующей 'вычислительной' системы на инструментальных ЭВМ (EC-106Q, СМ-1420, IBM PC/AT 386) вместо использования реальных СЦВМ или дорогостоящи специальных стендов. . Указанные ИСИМ внедрены в НПО "Агат" (г.Москва) и переданы в опытную ■эксплуатацию в ЦНИИ "Сжеанприбор" (г.С.-Петербург), НПО "Квант" (г.Киев), НПО "Славутич" (г.Киев).

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Барайщук В.Н., Круглов И.С., Мартынов В.Л. Разработка семейства виртуальных машин при проектировании АСУ ТП на базе различных уровней представления объектной ЭВМ. -В ed.: Тезисы докладов. IV Всесоюзной научно-технической конференции "Математическое, алгоритмическое и техническое обеспечение АСУ ТП". -М:Изд.МВТУ им.Н.Э.Баумана, 1988.-с.112.

2. КирюхинВ.М., Барайцук В.Н., Быков С.А., Круглов И.С., Мартынов В.Л. Применение пакетов прикладных программ при построении квазидинамических диалоговых процедур в САПР. -В сб.:, Тезисы докладов Всесоюзного научного семинара ""Интерактивные диалоговые системы в вычислительных комплексах и сетях ЭВМ". -М.:Изд.МИФИ, 1988.-с.56-57.

3. Кирюхин В.М., Мартынов В.Л. Виртуализация СЦВМ в САПР специализированных АСУ реального времени на вычислительном комплексе с магистральной архитектурой. -В сб.: Тезисы докладов IX Координационного совещания "Математическое обеспечение интеллектуальных систем САПР-ГАП". -Орджоникидзе- Ижевск, 1988. -с.102-103.

4. Кирюхин В.М., Барайщук В.Н., Мартынов В.Л. Диалоговые средства системы автоматизации разработки программного обеспечения бортовых ЦВМ . -В сб. трудов республиканской конференции "Проблено-ориентированные диалоговые системы". Книга 2. -Тбилиси:Изд.Мецниереба, 1988.-с.66-70.

5. Кирюхин В.М., Барайщук В.Н., Мартынов В.Л. Синхронизация процессов при виртуализации СЦВМ, ориентированных на машинную реализацию языков высокого уровня. -В сб.: Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Моделирование систем информатики ". -Новосибирск: ВЦ СО АН СССР,.1988.-с.51-52.

6. Кирюхин BJM, Круглов И.С., Мартынов В.Л. Виртуализация многопроцессорных СЦВМ ' для решения задач автоматизации проектирования программного обеспечения . -В сб.: Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Моделирование систем информатики". -Новосибирск:ВЦ СО АН СССР,1988.-с.48-50.

Т. Кирюхин В.М., Мартынов В.Л. Исследование точности функциональных алгоритмов АСУ реального времени в системах имитационного моделирования с использованием виртуальных СЦВМ. //Проектирование и применение систем на микропроцессорах и

микро-ЭВМ/ Под ред. Ю.А.Попова. -М.:Энергоатомиздат, 1990.-С.19-27.

8. Кирюхин В.М., Барайщук В.Н., Бубеллов П.Ю., Быков С.А., Круглов И.С., Мартынов В.Л., Романов О.С. Имитационный комплекс моделирования на основе виртуализации вычислительных средств и объектов управления. //Проектирование и применение систем на микропроцессорах и микро-ЭВМ/ Под ред. Ю.А.Попова. -М.:Энергоатомиздэт, 1990.-С.27-32.

9. Кирюхин В.М., Мартынов В.Л. Метода погашения эффективности виртуальшх ЭВМ в системах автоматизации проектирования программного обеспечения АСУ реального времени. -В сб.: Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Перспективы развития и применения средств вычислительной техники для моделирования и автоматизированного исследования". -М.:1991. -с.68-69.

10. Кирюхин В.М., Барайщук В.Н., Мартынов В.Л. Обеспечение точности эмуляции вичислительного процесса в инструментальных комплексах программирования. -В сб.: Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Перспективы развития и применения средств вычислительной техники для моделирования и автоматизированного исследования"'. -М.:1991.-с.64-65.

Подписано к печати " t'i " iuu*Jj 1993г. Заказ . Тираж 80 экз.

Типография МИФИ, Каширское шоссе, д.31