автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Принципы организации вычислительного процесса в многомашинном радиолокационном комплексе

<!Г''Г'.'* ■ данг^.'4-.*'

г,л РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

: Гг - ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ КИБЕРНЕТИКИ

На правах рукописи УДК 681.3.066

ЕРОФЕЕВА Галина Петровна

ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО ПРОЦЕССА В МНОГОМАШИННОМ РАДИОЛОКАЦИОННОМ КОМПЛЕКСЕ

Специальность 05.13.11 - математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов, систем и сетей

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученной степени кандидата физико-математических наук

Москва 1993

Работа выполнена в Радиотехническом институте им. академика Л.Л.Минца (РИАН) " .

Научный руководитель: доктор технических наук, старший научный сотрудник Ф.Д.ПЕТРОВСКИЙ

Официальные оппонен ты: доктор физико-мате-

I

матических наук, профессор В.Б.БЕТЕЛИН, кандидат технических наук, старший научный сотрудник В.А.СОЛОВЬЕВ

Ведущая организация: НИИВК

Защита состоится "_"_______ 1993 г. в _ часов

на заседании Специализированного Совета К 003.78.01 при ИПК РАН (адрес: Москва, ул. Вавилова,'д.37)

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан

Ученый секретарь Специализированного Совета К 003.78.01

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Характеристики современной радиолокационной станции (РЛС) в значительной степени определяются возможностями ее вычислительных средств, которые, в свою очередь, суие-ственно зависят от качества программного обеспечения.

Система программного обеспечения (СПО) РЛС работает в режиме реального масштаба времени (РМВ) и является одной из самых характерных систем РМВ. Высокие требования по времени реакции предъявляются на всех этапах обработки информации: первичная обработка, управление аппаратурой РЛС, формирование выходного вектора параметров.

Система программного обеспечения современной РЛС реализуется, как правило, на многомашинном вычислительном комплексе, что позволяет обеспечить высокую надежность и живучесть системы.

Процесс вычислений в такой системе реализуется посредством взаимодействия так называемых функциональных задач - программных единиц, осуществляющих некоторую функцию обработки или управления РЛС и исполняемых на одной ЭВМ. Задачи многократно запускаются в соответствии с поступлением входной информации от аппаратуры РЛС или в результате решения других задач.

Управление процессом вычислений осуществляется с помощью операционной системы (ОС), которая Предоставляет такие универсальные сродства управления, как аппарат виртуальной памяти, злпуск, прерывание, восстановление задач, снятие фотографии в случае прерывания, средства защиты памяти, копирование информации и т.д.

Однако, ограниченные возможности ЭВМ, с одной стороны, сложность поставленных задач и жесткие требования по времени реакции -с другой, выдвигают проблему наиболее эффективного использования вычислительных средств, обслуживающих данную систему. Очевидно, что в такой ситуации для функционирования СПО РЛС необходима специальная управляющая программа, которая должна обеспечивать рациональное динамическое распределение ресурсов системы с учетом сложившейся ситуации, определять порядок дальнейших вычислений, осуществлять взаимодействие между функциональными задачами, контроль загрузки ЭВМ и выдавать указания ОС.

Такой программой, разрабатываемой с целью решения задач РЛС, является диспетчер реального масштаба времени (ДРИВ).

Назначение ДРМВ состоит в организации процесса вычислений д обеспечения максимальной пропускной способности СПО РЛС при я стких ограничениях на время ее реакции.

Создание алгоритма диспетчера является наиболее важной част разработки систем программного обеспечения реального масштаба вр мени. Вместе с тем эта задача одна из наиболее трудоемких'в реал зации.

Конкретный вариант диспетчера должен учитывать как специфи! класса задач СПО, так и возможности операционной системы, а знач] и самой ЭВМ.

С течением времени развитие вычислительных средств приводит с одной стороны, к изменению требований класса задач СПО, а с дрз гой стороны, к расширению возможностей ОС. Постепенно количестве1 ные изменения накапливаются, и осуществляется переход на каче ственно новую ступень развития программного обеспечения. ДРМВ, яе ляясь промежуточным звеном между функциональными задачами и ОС построенный в соответствии с принципами, разработанными на преды дуцем этапе, перестает соответствовать своему основному назначени - обеспечивать максимальную пропускную способность СПО РЛС .на за данных вычислительных средствах. Возникает необходимость выработк новых подходов к управлению процессом вычислений СПО, учитывающи новые требования и возможности.

Современный уровень развития РЛС характеризуется высоко; сложностью задач, возлагаемых на вычислительные средства.

Например, суммарная производительность вычислительных среден современной РЛС (3-го поколения) должна быть почти на три порядк; выше, чем производительность вычислительного комплекса РЛС 2-гс поколения (70-80 годы), поскольку цифровые вычислительные средстве присоединены непосредственно к выходам приемного тракта через ана-логово-цифровые преобразователи, в то время как в вычислительно* комплексе РЛС 2-го поколения вся предпервичная обработка выполнялась аналоговыми устройствами и, частично, строго специализированными устройствами цифрового типа. Поток информации, поступающий на вход вычислительных средств РЛС 3-го поколения, примерно на два порядка больше, чем поток информации, поступающей на входы вычислительного комплекса РЛС 2-го поколения.

Решение задач такой сложности стало возможным благодаря интенсивному развитию средств параллельной работы в аппаратуре ЭВМ и

созданию мощных систем, производительность которых достигает сот^ миллионов операций в секунду.

Цель настоящей диссертации - разработка принципов построен: диспетчера реального масштаба времени РЛС, соответствующего совр' менному этапу развития вычислительных средств, а также разработ: средств проектирования и отладки СПО РЛС, ориентированных на дн< петчер реального масштаба времени РЛС.

Методы решения. Основные задачи диссертации решаются с прим( нением теории и методов математического анализа, теории расписан! и теории массового обслуживания.

К новым научным результатам, выдвигаемым на защиту, можно 01 Нести следующие:

- разработанные принципы построения ДРМВ РЛС, предназначе! нЬгЬ для реализации на многомашинном вычислительном комплексе, сс РТРОДРН Р ЧЙР#НПРРЯНЧ* рйрэдродеррярвд РИР?РЦ р узрирхральнс обработкой, включающих в себя специализированный матричный процес сор;

- разработанный способ обеспечения работы СПО в режиме реаль ного масштаба времени, способ взаимодействия ОС и СПО РЛС, синхрс низации работы процессоров ПОФ и ЦП, динамического распределен!! памяти в системе РМ]3, диспетчнрования задач СПО РЛС. органнзацн межмашинного обмена;^

- полученные аналитические зависимости, позволяющие оценит эффективность предложенного способа обеспечения работы СПО в ре альном масштабе времени;

- предложенный способ проектирования СПО РЛС с использование средств проектирования, предоставляемых диспетчером РМВ, позволя ющий разделить функции разработчика СПО и программиста;

- впервые разработанный непроцедурный язык проектирования СП< РЛС, содержащий средства описания различных режимов, кофигураций 1 версий СПО РЛС, а также средства описания процессов с различным: уровнями синхронизации, средства описания вычислительных процессов, способов организации межмашинного обмена и т.д.

Теоретическое значение имеют:

- полученные аналитические зависимости, позволяющие оценить эффективность способа обеспечения работы СПО в реальном масштабе времени с учетом времени обработки прерываний и подкачки информации;

- предложенный способ динамического распределения памяти в системе РМВ, позволяющий решить проблему защиты информации, обрабатываемой разными задачами, и избежать нерационального использования памяти второго уровня.

I

Практическая значимость результатов работы определяется тем, что на основании предложенных принципов и способов был создан диспетчер реального масштаба времени, являющийся ядром системы управления, входящей в состав вычислительного комплекса РЛС . Опыт использования разработанного ДРМВ подтвердил правильность предложенных в работе принципов, обеспечивающих функционирование системы в реальном масштабе времени.

Применение предложенного в диссертационной работе способа проектирования СПО позволило разделить функции разработчика СПО РЛС и программиста и тем самым повысить эффективность работы коллектива программистов в целом.

На основе материалов диссертации разрабатывается транслятор непроцедурного языка проектирования, что позволит автоматизировать процессы проектирования различных версий СПО и построения соответствующих им таблиц диспетчера. ^

Апробация и публикации.

Основные результаты работы были доложены и обсуждены на У1-ой научно-технической конференции ЦНПО "Вымпел", 1986, и на 1-ой научно-технической конференции в/ч 03425, 1987 г.

Результаты работы нашли отражение в эскизном проекте РЛС, 2-х научно-технических отчетах РТИ им. академика А.Л.Минца и содержится в 4-х опубликованных статьях.

Полностью работа обсуждалась на заседании секции N1 НТС РТИ им. академика А.Л.Минца..

Структура'и объем работы. Диссертация состоит из введения, 1етырех глав, заключения, двух приложений и списка литературы, изт юженных на 240 листах машинописного текста. Список литературы со-

держит 78 наименований. .Иллюстрационный материал представлен на 17 рисунках и одной таблице.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава посвящена разработке принципов построения диспетчера реального масштаба времени РЛС, соответствующего современному этапу развития вычислительных средств.

В главе произведен анализ современных вычислительных средств и показано, что перспектива развития быстродействующих ЭВМ в последние годы однозначно связывалась с созданием многопроцессорных, конвейерных (магистральных), матричных систем, а также систем, управляемых потоком данных, позволяющих совмещать во времени выполнение нескольких вычислительных операций.

В качестве базы для разработки ДРМВ СПО РЛС выбрана неоднородная многопроцессорная система с магистральной обработкой, типа 13М6, имеющая в своем составе специализированный матричный процессор' обработки функций (ПОФ), а также следующие основные устройства :

- центральный управляющий процессор (ЦУП);

- центральны» процессор (ЦП);

- устройство абонентского сопряжения (УАС);

- мультиплексный канал связи (МПК);

- оперативную память главную (ОПГ);

- постоянную память главную (ППГ);

- оперативную память большую (ОПГ);

- внешнюю память на магнитных дисках (НМД).

В диссертации приведены основные характеристики системы и сформулированы исходные данные для разработки принципов построения ДРМВ РЛС, реализуемого на многопроцессорной вычислительной системе типа 13М6:

- многомашинный вычислительный комплекс, состоящий из неоднородных многопроцессорных систем с магистральной обработкой, типа 13М6;

- трехуровневая память многопроцессорной системы;

- операционная система с раздельным выполнением заданий в каждом процессоре, включающая в себя:

- аппарат виртуальной памяти и сегментно-страничной

- адресации, охватывающий все уровни памяти системы;

- аппарат сегментной защиты памяти;

- аппарат управления защитой и доступом к памяти в виде совокупности доменов.

Далее в первой главе рассматриваются принципы построения ДРЫ РЛС и способы реализации его основных функций:

- обеспечение работы СПО в реальном масштабе времени;

- взаимодействие с ОС и функциональными задачами;

- синхронизация работы процессоров;

- управление обменом с абонентами (с другими ЭВМ и аппарату рой);

- распределение и управление ресурсами системы с учетом ело жившейся ситуации.

Обеспечение работы СПО в реальном масштабе времени являете одной из главных задач, стоящих перед ДРМВ. Это требование опреде ляется условиями функционирования СПО в составе вычислительное комплекса РЛС.

Поступающая от РЛС информация проходит несколько этапов обработки, причем обычно по мере движения к следующим этапам уменьпа-ется объем информации и частота обработки, увеличивается время решения задач, несколько снижаются требования по времени реакции.

В этих условиях традиционный путь решения проблем - организация нескольких синхронных уровней:

- тактового уровня, где длительность такта определяется характеристиками РЛС;

- циклового уровня (от 8 до 32 тактов);

- уровней межцикловой обработки.

Существуют различные стратегии диспетчироваиия многоуровневых систем заявок на обслуживание задач. В соответствии с условиями запуска задач все эти стратегии могут быть разбиты на два класса: стратегии для систем с относительным приоритетом заявок и стратегии для систем с абсолютным приоритетом заявок различных уровней.

Использование в чистом виде стратегии для системы с относительным приоритетом неприемлемо для вычислительных систем РЛС с жесткими требованиями по времени реакции из-за возможной потери информации. Действительно, при этой стратегии всегда существует вероятность того, что заявке тактового уровня придется ждать завершения обслуживания заявки уровня межцикловой обработки.

Общим недостатком стратегий диспетчирования систем с абсолютным гриоритетом является значительная потеря времени на ожидание процесса подкачки информации после прерываний, т.к. памяти с непосредственным доступом недостаточно для одновременного размещения информации задач нескольких уровней. Другим недостатком является

увеличение времени реакции за счет обработки большого количества прерываний.

. В данной работе предлагается стратегия диспетчирования много-

уровневой системы заявок, при которой отсутствует жесткая привязка уровня к внешним синхросигналам. В системе учитывается также, что поступающая от аппаратуры информация вначале обрабатывается процессором ПОФ.

Задачи ЦП разбиваются на 5 уровней. В порядке убывания приоритета уровни имеют номера: 0,1,2,3,4.

Нулевой уровень предназначен для функционирования ДРМВ. Все сегменты памяти, с "которыми работает ДРМВ, располагаются в ППГ или закреплены на уровне ОПГ, что позволяет запускать ДРМВ без какой-либо подготовки, связанной с подкачкой его ресурсов.

Функциональные задачи исполняются на остальных уровнях.

Для уменьшения влияния прерывания на эффективность использования ЦП приняты следующие меры:

1. Задачи одного уровня не прорывают друг друга.

2. Прерывание программ первого уровня диспетчером возможно только при аварийных ситуациях ("зацикливание программы").

3. При запуске задачи 2-4 уровней ей всегда выделяется квант времени (50-100мс), в течение которого задачи не могут быть прерваны. С одной стороны, это существенно уменьшает общее количество прерываний (так как во многих случаях решение заканчивается до конца кванта) и, соотиетствонно, количество перекачек информации между различными уровнями памяти. С другой стороны,, за время кванта успевает произойти подкачка в намять с непосредственным доступом (ОПГ) информации для решения следующей задачи, переход на которую в случае прерывания происходит, таким образом, без потери времени.

4. Задачи выбираются на обслуживание только при отсутствии возможности запуска задач более высокого уровня.

5. Запуск ДРМВ производится в моменты окончания решения задачи или кванта.

6. Группа указаний для ОС передается диспетчером РМВ посредством комплексного экстракода "конец ДРМВ" за один вызов ОС.

Назовем предложенную стратегию диспетчирования заявок стратегией с квантованием (подразумевая под этим весь комплекс перечисленных условий).

Для определения эффективности той или иной стратегии с то1 зрения ее практической реализуемости возникает необходимость в 1 личественной оценке ее характеристик и сравнении их с аналогичн) характеристиками других стратегий.

В диссертационной работе были полученные аналитические за симости, позволяющие оценить эффективность предложенного споо обеспечения работы СПО в реальном масштабе времени. В качес критерия эффективности было выбрано среднее время реакции систем Используемые обозначения приведены в следующей таблице:

СИСТЕМА ОБОЗНАЧЕНИЙ

интенсивность потока заявок 1-го приоритета (1=1,М)

В±(Ъ) функция распределения (ФР) длительности обслуживания заявки 1-го потока

-Ри. л2 первый и второй моменты В^

Bij.it) ФР длительности обслуживания "остатка"

заявки в случае стратегии квантования

1> = м 2: 1=1 интенсивность загрузки системы

>а = ^ а ^ а Я а! Ы , = -2- / < 1=1 1

Рь = «м = 2_ -А, 1=к+1

д - длительность кванта обслуживания заявок

"о" индекс характеристик "чистого" времени обсуживания заявок

Т время обработки прерывания

ФР длительности подкачки информации к-

Н^) заявки

Р0 вероятность отсутствия заявок в системе

Рк вероятность того, что время обслуживания текущей к-заявки превышает время подкачки информации следующей ,)-заявки

Аналитические зависимости были получены для среднего времен! пребывания в системе заявки k-го уровня:

- для стратегии квантования без учета времени на обработк; прерываний и подкачку информации:

= Ла-Аа2 + ЛкРк2 + ьИ2 +ß br2} +

Vkl ~ 2(1 -/a-f к)(1 -/».) «

1 X а

- для системы с относительными приоритетами с учетом времени, затраченного на обработку прерываний и подкачку информации:

М

vk1 = - + ß t1

kl 2(1 -fa -J>k)(l -J>a> "

ß kl = l(l-P0)Pk+P0Hj,ßl+2T) + P0rki + (1-P0)(l-P^)r31 J3k2 = I (1-P0)Pfc+P0И-P ^2+4Тß к 1+4т2> + P0!2(^81+2T)rkl+rk2l +

+ (l-p0)(l-pk)rj2

- для системы с абсолютными приоритетами с учетом времени, затраченного на обработку прерываний и подкачку информации:

к

V - 1=1 + -Я-кГ^а

к1 2 (1-ра)(1-Ра-рк)

-Рк1 = Я&1 + '<2™к) + <2™к>? к1

Р к2 = Я & + (2Т+Кк)2 + (2™к)2 ?к2 +

+ 2(2Т+Кк){»к1 + 2(2ТН?к)2^к1 + 2 (2Т+Як) Е (В^к)

Ь1 - 1Б1 " I 1 + 1

(1-р)

где" р - вероятность появления хотя бы одной а-заявки за время Ь+Ик -Ла(Т+Ик)

р = 1-е

Е(ВкхНк) - Д аР* ( 1 1

- для стратегии квантования с учетом времени, затраченного I обработку прерываний и подкачку информации

¿^„♦¿ьсгы^^ъга Ук1 2(1-^а-рк)(1-ра)

д ^ Гк1 Ра 4 (2Т+Д)Ра

= (2Т+Л)«гк1 1 + гк1Р0

^ к2 = (2Т+Д)2? к2 + ^ кг 2 + 2(2Т+Д)Е(НкВкг) + + р012гк1((2Т+д)^к1+^кг1)+гкг]

Р кг1 = Ркг + ГЛ <1"Ркг)

Р кг2 = <Л3&г2+4Т/18г1+4т2>Ркг +

Ркг = р { (вВг + 2Т) > ^ }

На основании указанных формул были построены графики зависимости среднего времени реакции исследуемой системы от различны; параметров.

Анализ полученных результатов показал, что затраты времени нг подкачку информации и обработку прерываний в исследуемой систем« значительны. Не учитывать их при выборе стратегии диспетчировани;

было бы серьезной ошибкой, что' наглядно демонстрируют графики, приведенные на рис.1 и рис.2.

Самый худший показатель среднего времени реакции системы принадлежит системе с абсолютными приоритетами заявок. Действительно, рассматриваемая характеристика ухудшилась примерно в 4 раза за счет простоев во время подкачек и обработки многочисленных прерываний.

Среднее время реакции системы с относительными приоритетами увеличилось незначительно, т.к. в исседуемой СПО подкачки информации осуществляются, в основном, на фоне решения предыдущей задачи,-а прерывания в системе с относительными приоритетами отсутствуют.

Оптимальной для большинства значений длительности кванта является стратегия с квантованием. При этом время реакции системы тем меньше, чем меньше длительность кванта. Однако, ситуация резко меняется как только длительность кванта становится меньше времени подкачки информации. Как следует из графика, для исследуемой СПО оптимальным является диапазон изменения длительности кванта от 20 до 100 млс. Для таких значений длительности кванта среднее время реакции системы для стратегии квантования примерно в два раза лучше, чем время реакции системы с'относительными приоритетами заявок и примерно в четыре раза лучше, чем время реакции системы с абсолютными приоритетами.

Таким образом, результаты аналитических исследований подтвердили правильность эвристического выбора стратегии диспетчирования и позволили определить диапазон изменений длительности кванта, при котором достигается наибольший эффект использования стратегии квантования для заданной СПО.

Стратегия квантования легла в основу разработки алгоритма ДРМВ и определила основные принципы взаимодействия ОСЦП, ДРМВ и функциональных задач.

В главе предложен также способ синхронизации работы процессоров ПОФ и ЦП.

Взаимодействие ДРМВ и ОС ПОФ основано на обмене информацией через общую память, что в условиях параллельной работы процессоров (ЦП и ПОФ) порождает проблему взаимного исключения. Для решения указанной проблемы а основу принципа взаимодействия ДРМВ и ОС ПОФ была положена идея использования эффективного средства синхронизации, известного под названием "двусторонний почтовый ящик".

"Почтовый ящик" состоит из нескольких "гнезд", в которые помещаются информационные сообщения или ответы от потребителя информации .

В применении к многопроцессорной системе типа 13М6 и разрабатываемому ДРМВ идея использования "почтового ящика" получила следующее развитие.

Каждой из приоритетных очередей на обслуживание задач ПОФ соответствует свой "почтовый ящик". ДРМВ помещает в каждое "гнездо" по одной заявке на обслуживание задач ПОФ. "Гнездо" содержит также характеристику, состояния "гнезда" в текущий момент.

Анализ состояний указанных "гнезд" производится ОС ПОФ и ДРМВ. Переход в каждое последующее состояние "гнезда" возможен только из предыдущего, причем осуществляется только одним из процессоров изменением значения характеристики состояния. При этом не существует такого состояния "гнезда", при котором ПОФ и ЦП одновременно работают с информацией "гнезда".

Такая организация взаимодействия ДРМВ и ОС ПОФ обеспечивает режим взаимного исключения при параллельной работе процессоров с общей памятью.

При использования общей памяти функциональными задачами ПОФ и ЦП режим взаимного исключения обеспечивается средствами проектирования СПО.

Предложенный способ синхронизации работы процессоров ЦП и ПОФ позволяет решить проблему синхронизации с минимальными временными затратами.

В первой . главе рассматриваются также вопросы планирования и многопроцессорной диспетчеризации, дается краткий обзср работ, представляющих современное состояние дел в этой области.

В типичных случаях вычислительные затраты на построение оптимальных расписаний не окупаются экономией вычислительных ресурсов, получаемых при их реализации, по сравнению с приближенными расписаниями. Поэтому на практике, особенно для программных систем реального времени, рекомендуется использовать простые динамические приближенные расписания после их экспериментальной проверки при помощи статистического моделирования или опытной реализации на вычислительной системе.

В настоящей диссертации разработаны алгоритмы планирования и диспетчеризации, позволяющие получить приближенное, локально-оптимальное расписание для задач СПО РЛС.

Алгоритм планирования основан на анализе таблицы активности по данным и времени активизации задач. Алгоритм прост в реализации и позволяет учесть логические связи между задачами.

В алгоритме диспетчеризации используется комбинированный критерий выбора, который включает в себя несколько последовательных критериев выбора, учитывающих принадлежность задачи определенному уровню, упорядоченность задач в соответствии с их приоритетами и временные характеристики.

Предложенные алгоритмы планирования и диспетчеризации обладают высокой эффективностью, благодаря учету логических связей между задачами, учету важности задач (статическая характеристика) и реальных задержек в обработке (динамическая характеристика).

Алгоритм характеризуется также простотой в реализации и высоким быстродействием.

Вторая глава посвящена разработке средств построения процесса вычислений (или средств проектирования) СПО РЛС, которые предоставляются разработчику СПО диспетчером РМВ и обеспечивают различные способы взаимодействия задач [3,4].

Разработка средств проектирования СПО вызвана уже устоявшимся теперь взглядом на проектирование, как на самостоятельный, многоступенчатый и все более формализуемый этап в процессе создания систем программного обеспечения.

Проектирование является этапом глобальных решений и позволяет разработчику не отвлекаться на детали реализации алгоритмов, а повышать их обозримость и надежность. Ошибки, допущенные на этом этапе, являются самыми дорогими, ибо их исправление в ходе детальной реализации требует существенных переделок.

В главе вводятся понятия задачи, вычислительного процесса, конфигурации и версии СПО, а также понятия параметров задач, наборов, закрепленных сегментов (ЗС), открытой страницы (ОСТР) и сегментов связи с ДРМВ. Описываются различные виды параметров задач и различные способы работы с ними. Причем среди предоставленных средств имеются как очевидные средства, типа возможности формирования выходных наборов на физической памяти входных, так и менее очевидные, разработанные впервые на основе анализа потребностей класса задач СПО. К таким средствам, например, относятся динамические ЗС и групповые очереди.

Кроме того, ДРМВ полностью берет на себя функцию передачи информации между различными ЭВМ.

В различных конфигурациях СПО два ВП - источник и потребитель информации набора или ЗС - могут принадлежать одному или различным режимам, т.е. могут находиться на одной ЭВМ или могут быть разнесены по разным ЭВМ. Однако тексты программ задач составляются разработчиками задач независимо от конфигурации СПО.

Для передачи одних и тех же данных различным способом ДРМЗ должен иметь в своих таблицах различные описания этих данных, зависящие от конфигурации. Другими словами, каждой конфигурации СПО должна соответствовать своя модификация таблиц ДРМВ.

В заключении описан процесс проектирования СПО РЛС, и показано, как предложенный способ организации процесса вычислений позволяет разделить функции разработчиков СПО, разработчиков ВП и программистов.

Деятельность программиста сводится к написанию программы одной задачи как совокупности процедур языка высокого уровня, не зависимой от режима и конфигурации СПО. Разработчик ВП получает гибкий аппарат для эффективного построения сложных вычислительных процессов, реализуемых на одном СВ, а разработчик СПО - возможность описывать различные версии и конфигурации СПО, реализуемой на многомашинном комплексе. ,

Третья глава посвящена вопросам функционирования ДРМВ в качестве аппарата поддержки предложенного во второй главе сособа организации процесса вычислений СПО [4].

В главе рассматриваются принципы распределения основных массивов данных СПО по уровням памяти и вопросы динамического распределения памяти [4,5].

Для организации хранилища наборов и реализации механизма работы с динамическими закрепленными сегментами предложен способ динамического распределения памяти. Особенностью предложенного способа динамического распределения памяти является расширение таблиц аппарата виртуальной памяти на большее адресное пространство за счет мнимых "чистых" страниц третьего уровня. Предложенный,способ позволяет решить проблему защиты информации, обрабатываемой разными задачами, и избежать нерационального использования памяти второго уровня - основного недостатка ранее известных способов.

Другой особеностыо ДРМВ как аппарата поддержки предложенного способа организации вычислительного процсса является специфика использования таблиц ДРМВ.

При разработке специализированных ОС сложных систем РМВ статические таблицы ДРМВ, как правило, представляют собой совокупность априорных сведений о рассматриваемом классе задач СПО. Отличительной чертой статических таблиц разрабатываемого.ДРМВ является наличие в них информации, описывающей формализованную модель процесса вычислений СПО РЛС. ДРМВ анализирует статические и динамические таблицы, а также динамические характеристики, вырабатываемые задачами, и автоматически определяет пути следования выходной информации задачи.

В главе предложен эффективный алгоритм настройки статических таблиц ДРМВ на режим и компактная форма хранения информации этих таблиц. Произведена оценка объема статических таблиц ДРМВ.

Кроме того, разработан алгоритм выбора активных задач по данным, основанный на анализе статических и динамических таблиц ДРМВ, и способ организации межмашинного обмена, использующий информацию статических таблиц. Предложен также способ поддержки диспетчером РМВ возможности использования персональных ЭВМ в процессе комплексной отладки СПО PJIC на этапе сборки одного режима. Предложенный способ позволяет начинать комплексную отладку до завершения автономной отладки полной совокупности всех задач данного режима при наличии имитаторов соответствующих задач, реализованных на ПЭВМ.

Четвертая глава посвящена вопросам автоматизации проектирования СПО РМВ РЛС |б,7].

В главе отмечены особенности проектирования СПО РМВ РЛС и произведен анализ возможности применения средств автоматизации проектирования при разработке СПО РЛС.

Рассмотрены два подхода к решению задачи проектирования СПО РЛС. Одним из них является использование языков программирования достаточно высокого уровня, типа МОДУЛА-2 или АДА, снабженного средствами управления вычислительными процессами.

Имеется, однако, ряд причин, затрудняющих использование этих языков при создании СПО-РЛС.

Во-первых, к системам СПО РЛС предъявляются жесткие требования по быстродействию, удовлетворение которых проблематично при использовании указанных языков. Во-вторых, СПО РЛС создаются, как

правило, в жестко ограниченные сроки с использованием новейпих технических- средств (в том числе и вычислительной техники). Разработки СПО РЛС ведутся часто в целях экономии времени параллельно с разработкой вычислительных средств. Создание же трансляторов с таких языков как МОДУЛА-2 или АДА требует значительных затрат времени и средств. Кроме того, отсутствие в этих универсальных языках средств описания процессов с различными уровнями синхронизации, специальных дисциплин хранения данных, конфигураций СПО, способов организации межмашинного обмена и т.д. не позволяет полностью решить проблему автоматизации проектирования СПО РЛС.

Второй подход к решению задачи автоматизации проектирования СПО РМВ состоит в использовании непроцедурных языков проектирования СПО, позволяющих описывать внешние параметры задач, связи между задачами, а также связи между задачами и ДРМВ, исполнявшим в этом случае функцию управления процессом вычислений.

Разработка непроцедурного языка проектирования и транслятора' такого языка требует значительно меньше времени, чем аналогичные разработки для языков высокого уровня, снабженных средствами управления процессом вычислений. С другой стороны, такой подход позволяет продоставить возможность выбора языка прграммирования для каждой конкретной задачи и обеспечивает независимость написания программ друг от друга. Последнее особенно важно при разработке СПО РЛС, поскольку в создании таких систем принимают участие многочисленные коллективы программистов.

Непроцедурные языки проектирования могут быть ориентированы на диспетчер реального масштаба времени или независимы от него.

Использование некоторого абстрактного языка проектирования, не ориентированного на конкретный ДРМВ, при всех достоинствах такого подхода приводит при разработке СПО к неизбежным потерям преимуществ конкретного ДРМВ, а, значит, и эффективности всей вычислительной системы в целом. Создание же языка проектирования, настраиваемого на любой возможный вариант ДРМВ, и разработка для такого языка эффективного компилятора является и по сей день чрезвычайно сложной задачей.

Приведенные выше аргументы послужили причной разработки языка проектирования СПО , назовем его ММ-90, ориентированного на ДРМВ СПО РЛС, принципы построения которого были рассмотрены выше.

Язык ММ-90 представляет из себя гибкий аппарат для эффективного пострения сложных вычислительных процессов и версий СПО РЛС.

Язык содержит, в частности, средства описания процессов с различными уровнями синхронизации, специальных дисциплин хранения данных, вычислительных процессов, конфигураций и версий СПО, способов организации межмашинного обмена и т.д. Наличие в составе языка перечисленных средств обеспечивает решение проблемы автоматизации проектирования СПО РНВ РЛС, функционирующей на многомашинном вычислительном комплексе.

Использование языка проектирования ММ-90 позволяет:

- формализовать процесс описания СПО, что значительно сокращает время этого этапа работы;

- автоматизировать проверку корректности описания СПО. Таким образом еще до начала комплексной отладки обеспечивается проверка взаимодействия между задачами.

- автоматизировать процесс построения таблиц ДРМВ и распределение памяти каждого уровня для всех возможных режимов СПО;

- получать информацию о состоянии разработки СПО: о наличии оттранслированных пакетов и задач, о состоянии их отладки, о наличии сформулированных версий СПО и т.д.

Кроме того, использование языка ММ-90 позволяет сохранить преимущества предложенного во второй главе способа организации процесса вычислений СПО РЛС, в частности, разделение труда между разработчиками СПО, разработчиками ВП и программистами.

Использование указанного языка проектирования позволяет также сохранить преимущества конкретного ДРМВ, и, следовательно, не ухудшает характеристик всей вычислительной системы в целом.

ВЫВОДИ

В диссертационной работе получены следующие основные результаты.

1. Разработаны принципы построения ДР^В РЛС, предназначенного для реализации на многомашинном вычислительном комплексе, состоящем из неоднородных многопроцессорных систем с магистральной обработкой со специализированным матричным процессором.

2. Получены аналитические зависимости, позволяющие оценить эффективность предложенного способа обеспечения работы СПО в режиме реального масштаба времени с учетом времени, затраченного на обработку прерываний и подкачку информации. Исследование СПО РЛС типа на основе полученных аналитических зависимостей показало, что время реакции СПО, построенной на принципах, предложенных в диссертационной работе, в 2 раза лучше, чем время реакции системы с относительными приоритетами заявок, и в 4 раза лучис, чем вреиэ реакции системы с абсолютными приоритетами заявок.

3. Предложен алгоритм планирования и диспетчирования задач СПО РЛС, обладающий высокой эффективностью благодаря учету логических связей между задачами, важности задач м реальных задержек в обработке. Алгоритм характеризуется также простотой в реализации и высоким быстродействием.

4. Предложен способ синхронизации работы процессоров ПОФ и ЦП, который обеспечивает режим взаимного исключения при работе процессоров с общей памятью и позволяет решить проблему синхронизации с незначительными временными затратами.

5. Предложен способ динамического распределения памяти в системе PUB и проведено сравнение с ранее известными способами. Предложенный способ позволяет решить проблему защиты памяти, обрабатываемой разными задачами, и в то же время избежать нерационального использования памяти второго уровня - основного недостатка ранее известных способов. j

6. Предложен способ поддержки диспетчером РМВ возможности ис- 1 пользования персональных ЭВМ в процессе комплексной отладки СПО ! РЛС на этапе'сборки одного режима. Предложенный способ позволяет

i

начинать комплексную отладку до завершения автономной отладки пол- i ной совокупности всех задач данного режима при наличии имитаторов i соответствующих задач, реализованных на ПЭВМ. f

7. Предложен способ проектирования СПО РЛС с использованием средств проектирования, предоставляемых диспетчером РМВ. Предложенный способ позволяет разделить функции разработчика СПО и программиста. Разработчик СПО получает гибкий аппарат для эффективного построения сложных вычислительных процессов и версий СПО. Деятельность программиста сводится * к написанию программы одной задачи как совокупности процедур языка высокого уровня, не зависимой от режима и конфигурации СПО. Разделение труда программистов и разработчиков СПО повышает качество и эффективность работы коллектива в целом.

8. Разработан непроцедурный язык проектирования СПО РЛС, содержащий средства описания различных режимов, конфигураций и версий СПО РЛС, а также средства описания процессов с различными уровнями синхронизации, средства описания , вычислительных процессов, способов организации межмашинного обмена и т.д. Использование разработанного непроцедурного языка позволяет автоматизировать процессы проектирования различных версий СПО и построения соответствующих ий таблиц ДРМВ. '

На основе принципов, изложенных в диссертационной работе, был разработан ДРМВ в составе вычислительного комплекса РЛС 3-го поколения. Опыт использования указанного ДРМВ потвердил правильность разработанных принципов, обеспечивших функционирование вычислительного комплекса в реальном масштабе времени.

Использование в процессе создания СПО РЛС способа проектирования, предложенного в диссертационной работе, позволило значительно ускорить этот процесс и сделать его более формализованным, что, в свою очередь, сократило время комплексной отладки.

На основе материалов диссертации разрабатывается транслятор непроцедурного языка проектирования, позволяющий автоматизировать сборку различных версий СПО.

о

v(à)

1 20 q

',00-Ë .......

80 -z

70 4 / - /

60-Ê /

50î/_A_ '

40 -E " л •

= _ Д (MCEK)

30 ~| i i i i | i i i i ¡' i i ; i | i i . i | i i i i | i i i i i i ) i i | i i i i | i i i i | 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250

Рис i Среднее время реакции системы

( T=0;R = 0)

500 и

400-

300-

200-

100

о

* 1 А -

- 1 _ 1 0 1

1 1 1 1 II 1 1 II 1 1 1 1 1! 1 / КБ 1 1 1 1 1 Г1 1 1 11 1 I 1 1 А(МСЕК) II > И 1 1 1 1 И 1 1 II 1 и

к. ■с

0 200 400 600 800. 1000

Рис 2 Среднее время реакции системы

' ЛИТЕРАТУРА

1. М.И.Нейман, Г.П.Ерофеева. Принципы построения диспетчера коьЛшексной программы РЛС, работающей в реальном времени. Н: научные труды , вып.54, РТИ АН СССР, 1987.

2. Ф.Д.Петровский и др., всего 47 соавторов, в том числе Г.П.Ерофеева. Эскизный проект. М: РТИ АН СССР, 1"84.

3. Г.П.Ерофеева. Вопросы построения вычислительного процесса сложных радиотехнических изделий. Тезисы доклада 1-ой научно-технической конференции в/ч 0425, 1987.

4. Г.П.Ерофеева. Отчет N11732/303. М: РТИ АН СССР. 1988.

5. М.И.Нейман, Г.П.Ерофеева. Вопросы динамического распределения памяти в системе реального времени. М: Научные труды РТИ АН СССР, вып.54, 1987.

6. Г.П.Ерофеева, Д.Р.Бондаренко. Язык проектирования системы программного обеспечения реального масштаба времени. М: Научные труды РТИ АН СССР, вып.55, 1988.

7. Г.П. Ерофеева. Отчет N11759/303. М: РТИ АН СССР, 1988.