автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.13, диссертация на тему:Разработка программных средств для организации вычислительных процессов в системах с разделением функций на базе СМ ЭВМ

Введение.•«.

Глава I. Системы с разделением функций

§ I.I. Пути повышения производительности вычислительных систем.

§ 1.2. Организация систем с разделением функций .».

§ 1.3. Математическая: модель системы с разделением функций.

§ Г.4. Выводы •. • «. • • * * • • * - «•• * •

Глава 2. Анализ систем с разделением функций.

§ 2.1. Программные средства имитационного моделирования

§ 2.2. Обобщенна® модель системы с разделением функций

§ 2.3. Методика исследования СРФ с помощью модели.

§ 2.4. Выводы.

Глава 3. Организация! вычислительного процесса в СРФ.

§ 3.1. Структурой состав операционной системы

§ 3.2. Виртуальные файловые носители

§ 3.3. Организация! распределенных систем.П

§ 3.4. Выводы.

Глава 4. Технология программирования СРФ

§ 4.1. Программирование спецпроцессоров. ^

§ 4.2. Язык описания, процедур генерации .^

§ 4.3. Технология документирования программ.

§ 4.4. Выводы.

Прогресс в области микроэлектроники приводит к необходимости пересмотра основных концепции о целесообразных областях применения средств вычислительной техники и их возможностях, что стало особенно ощутимо с появлением и широким распространением микропроцессоров (МП) [8].

Мини- и микро-ЭВМ - два класса вычислительных машин, которые получают все большее распространение в наше время [9].

Основная тенденция в развитии ЭВМ - это сравнительно быстрое снижение стоимости "чисто электронных" компонент ЭШ (процессора, оперативной памяти) по сравнению с внешними запоминающими устройствами ввода/вывода, и тем более, по сравнению с программным обеспечением [163.

Несмотря на это, современные мини- и микро-ЭВМ обладают как правило не очень высокой производительностью из-за ограниченных возможностей процессора и малых объемов оперативной памяти.

Настоящая работа посвящена решению ряда вопросов, связанных с повышением производительности управляющих вычислительных комплексов, построенных на базе мини- и микропроцессоров СМ ЭВМ СЗ-63.

В работе предлагается в качестве пути решения этой проблемы разработка новых вычислительных систем, в состав которых входит несколько процессоров. В подобных системах повышение производительности достигается за счет:

- разделения функций между различными процессорами;

- специальной ориентации процессоров на выполнение одной или нескольких функций;

- параллельного функционирования всех процессоров;

- специальной ориентации системы на решение заданного класса задач.

Такие системы получили название - систем с разделением функций (СРФ).

Системный подход к вопросам проектирования СРФ требует сочетания определенной степени универсальности с обеспечением требований конкретных применений. Для различных областей в состав СРФ должны входить различные процессоры (или спецпроцессоры) [7].

В процессе проектирования CP0 актуальной становится проблема анализа структуры комплекса в целом. Большая сложность и трудоемкость этой задачи диктует необходимости разработки и применение аппарата имитационного моделирования с использованием ЭВМ, который позволит дать оценку рассматриваемого варианта СРФ и выбрать структуру, сочетающую эффективное использование основных компонент проектируемой системы с требуемой производительностью, т.е. добиться снижения показателя цены эффективного быстродействия [33].

Таким образом, становится очевидной необходимость разработки типовых моделей и программных средств, ориентированных на моделирование подобных сложных систем и объектов, с учетом различных областей применения СРФ [31].

Специфика СРФ накладывает глубокий отпечаток на структуру системного программного обеспечения и его состав [2,6].

Тем самым, актуальной становится проблема разработки операционной системы с разделением функций, обеспечивающей эффективное решение целого ряда задач, начиная от организации вычислительного процесса в многопроцессорных комплексах в реальном масштабе времени и кончая средствами автоматизации подготовки и выпуска документации на разрабатываемое изделие в режиме разделения времени.

Существенным для подобной операционной системы становятся средства, позволяющие включать в СРФ новые спецпроцессоры, а также набор протоколов обмена информацией между процессорами, реализующими различные классы функций.

Перечисленные проблемы составили предмет настоящей диссертационной работы.

Целью -работы является исследование архитектуры систем с разделением функций, разработка структуры операционной системы и ее реализация на базе технических средств Ш ЭВМ.

Согласно поставленной цели основными задачами работы являются:

- исследование принципов построения систем с разделением функций и анализ основных классов спецпроцессоров, входящих в их состав;

- разработка структуры и реализации системы имитационного моделирования для исследования СРФ;

- разработка обобщенной модели СРФ и проведение на ее основе сравнительного анализа различных структур СРФ;

- разработка базовой операционной системы реального времени для широкого класса систем с разделением функций;

- разработка языка и интерпретатора для описания процедур о и генерации различных версии операционной системы и эксплуатационной документации для систем с разделением функций, имеющих заданную конфигурацию технических средств;

- разработка языка, программы и методики получения эксплуатационной документации для СРФ с использованием СМ ЭВМ;

- разработка и реализация протокола взаимодействия процессоров в распределенных СРФ.

Б процессе исследований и разработко применялись методы теории вероятности, математической статистики и системного программирования. Для анализа систем с разделением функций использовался аппарат статистического имитационного моделирования непрерывных, дискретных и непрерывно-дискретных процессов, а также теория массового обслуживания.

В первой главе анализируются методы повышения производитель^ ности вычислительных систем, общая архитектура систем с разделением функций, классификация спецпроцессоров и методы обмена информацией между процессорами.

Вторая глава посвящена системе имитационного моделирования для исследования систем с разделением функций, анализу обобщенной модели СРФ. Приводится методика исследования СРФ с применением обобщенной модели.

В третьей главе рассматриваются вопросы организации вычислительного процесса в СРФ: структура операционной системы, аппарат ] виртуальных файловых носителей и средства распределенной обработки данных.

Четвертая глава посвящена решению ряда вопросов, связанных с технологией программирования СРФ, включая особенности программирования спецпроцессоров, средствам настройки (генерации) программного обеспечения и автоматизации процессов подготовки и оформления документации.

В приложении помещены конкретные материалы по практической реализации полученных результатов: описание функциональных возможностей системы имитационного моделирования (СИМФОР) и текст программы обобщенной имитационной модели системы с разделением функций.

Основные результаты работы

1. Проведен анализ принципов построения систем с разделением функций на базе СМ ЭВМ.

2. Предложена структура и реализована система имитационного моделирования непрерывных, дискретных и непрерывно-дискретных процессов /СИМФОР/.

3. Разработана обобщенная имитационная модель системы с разделением функций.

4. Предложена методика исследования СРФ с использованием обобщенной модели.

5. Разработана базовая операционная система реального времени для систем с разделением функций, включающая программные средства для:

- работы с виртуальными файловыми носителями,

- для распределенной обработки информации,

- проведения процедур генерации в интерактивном режиме,

- автоматизации разработки и оформления документации. Полученные результаты могут найти широкое применение на предприятиях и в организациях, проектирующих и разрабатывающих системы с разделением функций с применением различных спецпроцессоров.

5. Заключение

В диссертационной работе предлагаются новые и совершенствуются известные структурные методы повышения производительности вычислительных систем, построенных на базе СМ ЭВМ, а также средства их исследования с применением аппарата имитационного моделирования.

Получены следующие новые результаты:

- сформулирована обобщенная математическая модель, позволяющая анализировать различные структуры систем с разделением функций, построенных на базе СМ ЭВМ и характеризующихся использованием широкого класса спецпроцессоров с целью повышения производительности управляющих комплексов /гл. 1,3/;

- предложена структура программных средств для моделирования на СМ ЭВМ систем с разделением функций, описываемых дискретными, непрерывными и дискретно-непрерывными процессами. Отличительной особенностью предложенной структуры системы является ее ориентация на моделирование в интерактивном режиме /гл.2.1/; луу - предложена и обоснована структура базовой операционной системы реального времени для эффективной организации вычислительных процессов в системах с разделением функций /гл.3.1/;

- разработан язык и структура макропроцессора /гл.4.2/ для генерации операционной системы и эксплуатационной документации /гл.4.3/ для заданной структуры СРФ, отличающиеся от известных наличием развитого аппарата интерактивного взаимодействия с пользователем, не имеющим специальной подготовки;

- предложен аппарат виртуальных файловых носителей и алгоритмы реализации для операционной системы с разделением функций, характеризующиеся простотой в использовании, встроенными средствами защиты от непреднамеренного доступа со стороны посторонних процессов и отличающиеся от имеющихся средств высокой эффективностью /гл.3.2/, концепция виртуальных файловых носителей особенно полезна для распределенных систем с разделением функций;

- разработан протокол обмена информацией между процессорами для однородных распределенных СРФ, основной особенностью которого является ориентация на эффективную передачу данных с применением высокоскоростных каналов связи /гл.3.3/.

Предложенный подход к построению систем с разделением функций позволяет разрабатывать специализированные управляющие комплексы на базе технических средств СМ ЭВМ, ориентированные на решение заданного класса задач и имеющие нрзкий показатель цены эффективного быстродействия. Особенностью такого подхода является широкое применение спецпроцессоров и микропроцессоров, вследствие чего обеспечиваются требуемые характеристики по производительности, надежности и стоимости для конкретного применения /гл.1.2/.

Разработанная система имитационного моделирования /СИМФОР/ /гл.2.1/ и обобщенная имитационная модель /гл.2.2/ позволяют автоматизировать и снизить затраты на проектирование конкретной СРФ. Они позволяют также исследовать структуру СРФ и ряд других характеристик, включая загрузку оборудования и параметры очередей /гл.2.о/.

Практическую ценность представляет также инструментальная базовая операционная система реального времени с разделением функций, которая может использоваться как на этапе проектирования СРФ, что обеспечивается входящей в ее состав системы имитационного моделирования, так и в процессе функционирования разработанной системы /гл.3.1/.

Особо важное место в операционной системе занимают разработанные программные средства и протокол обмена для систем распределенной обработки данных в реальном масштабе времени, в состаЕ которых входят несколько процессоров /гл3.2 и 3.3/.

Состав и специальные средства генерации операционной системы обеспечивают высокую степень ее адаптивности к требуемой структуре СРФ и необходимым режимам выполнения задач, а также простоту расширения набора выполняемых функций и приемственность программного обеспечения в случае изменения состава и структуры технических средств /гл.4.2/.

Особое внимание в операционной системе уделено средствам автоматизации подготовки и выпуска эксплуатационной документации, состав которой определяется структурой и требуемыми возможностями СРФ /гл.4.3/.

Исследования, проводимые в диссертации, осуществлялись в соответствии с планами следующих научных работ института Электронных Управляющих Машин: "Исследование принципов организации ОС .для машин, вычислительных комплексов и сетей", "Системы программирования", "Базовая операционная система для УВК CM-I4I0" и в рамках важнейших работ по СМ ЭВМ второй очереди. В процессе выI полнения этих работ за период с 1979 по I960 годы получены основные результаты диссертации, которые используются в разработках программного обеспечения СМ ЭВМ второй очереди.

Разработанные средства генерации программного обеспечения и эксплуатационной документации, а также расширение файловой систеш для работы с виртуальными носителями и протокол межпроцессорного взаимодействия вошли в состав операционной системы с разделением функций.

Разработанная операционная система реального времени с разделением функций /РАФОС/ и система имитационного моделирования на Фортране /СИМФОР/ включены в состав базового программного обеспечения СМ ЭВМ П-ой очереди и использовались в управляющих комплексах ряда организаций, в том числе:

- СКВ ММС ИК АН УССР,

- ВНИИЭП,

- Краснодарское СКТБ СЭТ,

- Физический институт АН СССР,

- ИЯФ СО АН СССР,

- МВТУ им. Н.Э. Баумана.

1. Пржиялковский В.В. Единая система ЭВМ. Состояние и перспективы: развития.-Управляющие системы и машины, № 6, 1979, с.3-8.

2. Райков Л.Д. Развитие системного программного обеспечения ЕС ЭВМ. -Вычислительная; техника социалистических стран, вып.1, М.:Статистика, 1977, с.97-101.

3. Наумов Б.Н. Создание СМ ЭВМ новый этап развития вычислительной техики. -Вычислительная техника социалистических стран, вып.1, М.:Статистика, 1977,с.84-96.

4. Наумов Б.Н., Боярченков М.А., Кабалевский А.Н. Управляющий вычислительный комплекс СМ-3.-Приборы и системы управления, № 10, 1977.

5. Наумов Б.Н., Кабалевский А.Н. и др. Управляющий вычислительный комплекс СМ-4. -Приборы и системы управления, № 3, 1979.

6. Филинов Е.Н., Семик В.П. Программное обеспечение УВК СМ-3. -Приборы и системы управления, № 10, 1977.

7. Rudolph J.G. Microprocessor design impact in ten I980's. -NIC'78, 7th Ann. Nat. Telecommun. Sonf., Birmingham, 1979, Conf. Rec., v.I-3, N.Y., 1978, p.33-61.

8. Processors more powerful, more complex. Electron. -Des., 1979, v.27, N24, p.50-60.

9. XI. Pick C., Hird D., Elliott D. Multimicroprocessors computer system. Microprocess. and microsyst.,1979,v.3,N4,p.179-183.

10. Иванов В.И. и др. Выичслительные и управляющие микросистемы индивидуального пользования. -Электронная промышленность, 1979,11.12, с.22-23, тем. вып. "Микро-ЭВМ и системы н& их основе".

11. Зубашить В.Ф. и др. Микропроцессорный, набор БИС серии К580. Семейство ЭВМ "Электроника КГ1. -Электронная промышленность, 1979, № 11-12, с.19-22, тем. вып. "Микро-ЭВМ и системы на их основе".

12. Кузнецов В.Я. и др. Развитие микро-ЭВМ семейства "Электроника С5" и систем на их основе. -Электронная промышленность, 1979,11.12, с.9-12, тем. вып. "Микро-ЭВМ и системы на их основе".

13. Цветков Э.И. Развитие работ по созданию измерительно-вычислительных комплексов. -Приборы и системы управления, № I, 1980, с.17-19.

14. Organish E.I. New directions in computer systems arshitecture. Euromicro J., 1979, v.5,N6,p.190-202.

15. Miller P.W. Distributed computing. Here a mini, there a mini, everywhere a mini. Infosystems, 1979, v.26, N2, p.32-36.

16. Wolding D., Wood G. Comminications in microprocessor industriad implementation. -Microprocessors and microsystems, 1979, v.3, N10, p.443-451.

17. Городецкий И.В. и др. Микро-ЭВМ в иерархических структурах АСУ. -Электронная промышленность, Г979, 11-12, а.59-60, тем. вып. "Микро-ЭВМ и системы:нз их основе".

18. Иордан Г.Г. и др. Микропроцессорное распределенное управление новый принцип структурной организации АСУ ТП. -Приборы и системы управления, 1980, № I,с.14-16.

19. Kaminsky W.J., Davidson E.S. Developing a multiple-instruction-stream ingle-chip processor. -Computer, 1979, v.12, N12,p.66-76.

20. Воробьев Н.М. и др. Архитектура микро-ЭВМ "Электроника НЦ-ОЗТ". -Электронная промышленность, 1979, № II-I2,c.95-I00, тем. вып. "Микро-ЭВМ и системы на их основе".

21. Gesztes G. Az АСН-05 hibrid-analog szamitosep es az ACH-05 (TPA)I hibrid szamitprendszer. -Meres es automat., 1979, v.27, H6, p.237-244.

22. Котов B.E. Параллельное; программирование с типами управления. -Кибернетика, 1979, № 3,с.1-13.

23. Беркович М.Е. Параллельные процессы на распределенных вычислительных системах для решения задач большой размерности. -Кибернетика, 1979, № 6,с.60-66.

24. Глушков В.М. и др. Теория языковых процессоров и параллельные вычисления. -Кибернетика, 1979, М,с.1-19.

25. Brinch Hansen P. Concurrent programming soncepts. -Computing Survey, 1973, v.5, N4.

26. Яшков С.Ф., Китаев М.Ю. Об одной аналитической модели систем коллективного пользования. -Автоматика и вычислительная техника, Г980, М,с.22-25.

27. Митрофанов Ю.И., Курбанкулов В.Х. 0 методе аналитического моделирования: сетей вычислительных комплексов. -Автоматика и вычислительная техника, 1980, M,c.II-I7.

28. T.JI. СаатиЭлементы теории массового обслуживания. -Сов. радио, 1971.

29. Бусленко В.Н. Автоматизация имитационного моделирования сложных систем. -М.:Наука, 1977.

30. Соболь И.М. Численные методы Монте-Карло. -М.:Наука, 1973.

31. Вигдорчик Г.В. Общие:-принципы построения пакета интерактивного моделирования! непрерывно-дискретных систем на мини-ЭВМ. -Труды: ИНЭУМ, вып.55, М., 1976.

32. Вигдорчик Г.В., Воробьев А.Ю. Система имитационного моделирования-: для СМ ЭВМ. -В кн. "Опыт эксплуатации управляющих комплексов СМ-3, СМ-4", М.:ЦНИИТЭИ, 1979,с.50-51.

33. Бусленко Н.П. Теория больших систем. -М.:Наука, 1965.

34. Вартанян Г.М. ,Земляной Н.С. Имитационное: моделирование; программного обеспечения! в процессе его проектирования и разработки. -Вопросы радиоэлектроники, сер. ЭВТ, 1979, вып.14, с.61-66:.

35. У.-И. Дал. Языки для моделирования систем с дискретными событиями. -В кн. "Языки программирования", под ред. Ф.Женюи, М.: Мир, 1972.

36. Беркович Р.Н. и др. Динамо язык математического моделирования- /формальное описание/. -ИК АН УССР, Киев, 1972.

37. Дал У. СИМУЛА-67 универсальный: язык программирования. -М.: Мир, 1969.

38. Глушков В.М. и др. СЛЭНГ система программирования для моделирования! дискретных систем. -ИК АН УССР, Киев, Г969.

39. Т.Нейлор. Машинные имитационные эксперименты с моделями экономических систем. -М.:Мир, 1975.

40. Malcolm М. Jones, Mit simpl. -Simulatter, v.4, N4.

41. G. Gordon. System simulation. N.T., 1967.

42. A. Alan W. Pritsker. The GASP iv simulation language. -Purque univercity, 1972.

43. Гусев В.В. Языки моделирования и некоторые тенденции их развития. -Киев, ИК АН УССР, 1972.

44. Глушков В.М. и др. Программные средства моделирования непрерывно-дискретных систем. -Киев, Наукова думка, 1975.

45. Дж. Фостер. Обработка списков. -М.:Мир, 1974.

46. Daley J. SIMBAS a process-oriented simulation language. -Simuletter, 1979, v.10, N1, p.14-18.

47. Зазнова H.E. Моделирование: микропроцессорных систем с помощью средств языка Ф0РТРАН-1У. -Цифровые устройства и микропроцессоры, Рига, 1979, №3, с.59-69.

48. Семесенко М.П., Тахонов Ю.П. Моделирование периодически поступающих задач в системе коллективного пользования. Методы и опыт построения систем обработки данных. -Киев, 1979, ИК АН УССР,с.61-68.

49. У. Дал, Э. Дейкстра, К. Хоор. Структурное программирование. -М.:Мир, 1975.

50. А. Колин. Введение: в операционные системы. -М.:Мир, 1975.

51. Л.Дж. Коэн. Анализ и разработка операционных систем. -М.:Наука, 1975.

52. Garratt P.W. A simulated operating system for educational purposes. -Comput. Bull., 1979, er.2, N22, p.10-14.

53. Hevner A.R., Yad S.B. Query processing in distributed database systems. -IEEE Trans. Software Eng., 1979, v.5, N3,p. 177-187.

54. A.C. Шаракшанэ и др. Сложные системы. -М.:Высшая школа, 1977.

55. М. Драммонд. Методы оценки и измерений дикретных вычислительных систем. -М.:Мир, 1977.

56. Parnas D.L. Designing software for ease of extension and contraction. -IEEE Trans. Software Eng., 1979, v.5, N2, p.128-138.

57. Jastrabsku M. Software progect management as an engineering discipline. Fondem. programm. Cours commiss. -Commun., Toulouse, 1977, Chesnay, p.207-228.

58. Thisted R.A. User documentation and control language evaluation and comparison of statistical computer packages. -Comput. and Educ., 1979, v.3, N2, p.I35-I4I.

59. Г.Н. Соловьев, В.Д. Никитин. Операционные системы цифровых вычислительных машин. -М.:Машиностроение, 1977.

60. Large scale computer offering includes evolutional operating system. -Comput. Des., 1979, v.18, N12, p.36.

61. Albrecht H.R., Thomason L.G. I/O fasilittes of the distributed processing programming executive (DPPX). -IBM Syst. J., 1979, v.I8, N4, p.528-546.

62. Kiely S.C. An operating system for distribyted processing -DPPX. -IBM Syst. J., 1979, v.I8, N4, p.507-525.

63. Б. Хигман. Сравнительное изучение языков программирования. -М.:Мир, 1975.

64. Валикова Л.И., Вигдорчик Г.В. Подход к построению иерархической системы файлов для операционной системы реального времени. -Труды ИНЭУМ, вып. 80, М., 1980.

65. Асейкин B.C., Баринов А.С., Вигдорчик Г.В. Программное обеспечение связи ЭВМ "Электроника-60" и ЭВМ Р P-II/70. -В кн. "Методы и средства автоматизации крупных исследовательских установок", Труды ФИАН, т.135, М.:Наука, 1980.

66. Д.Р. Джадд. Работа с файлами. -М.:Мир, 1975.

67. Тюрин В.Ф. Передача сообщений между задачами в ОС ДИСПАК. -ИПМ АН СССР, препринт М08, М., 1979,с.25.

68. Kawahata Masahiro, Pinley M.R. Preliminary considerations for the design of a national public broadband computer and commu—nication fasility. -Proc. Int. Conf. Cybern. and Soc., Tokyo-Kyoto, nov., 1978, v.2-3, N.Y., p.840-846.

69. A critical study of different flow control method in computer networks. -Comput. Commun. Rev.f 1979, v.9, КЗ, p.23-32.

70. Гусев В.В. и др. Управляющая программа коммуникационного процессора для сети ЭВМ с коммутацией пакетов. -Управляющие системы и машины, 1979, №6, с.9-15.

71. Schwermer H.R. Streamlined architecture achieves software compstibility. -Electronics, 1979, N23, p.II9-I20.

72. Махиборода А.В. Операционная система реального времени для микро-ЭВМ. -Технические средства мини- и микро-ЭВМ, Киев, 1979, с.42-49 /ИК АН УССР/.

73. Шалянин В.И. Построение кросс-ассемблера микро-ЭВМ на базе макросредств ассемблера ЕС ЭВМ. -Вопросы радиолектронини, сер. ЭВТ, 1979, вып.13, с.91-98.

74. Duncan P.G. Level-independent notation for microcomputer programs. -IUCE BULL, 1979, v.I, N1, p.20-24.

75. Multistation system speeds microprocessor products development. -Comput. Des., 1979, v.18, N11, p.168.

76. Васенков А.А. Развитие микропроцессоров и микро-ЭВМ семейства "Электроника НЦ" на основе комплексно-целевых программ. -Электронная промышленность , 1979, №11-12, с.13-17, тем. вып. "Микро-ЭВМ и системы нш их основе".

77. Мацленников Ю.А. Развитие программного обеспечения микро-ЭВМ "Электроника С5".-Электронная промышленность, 1979, MI-I2, с.108-114, тем. вып. "Микро-ЭВМ и системы на их основе".

78. П. Браун. Макропроцессоры. и мобильность программного обеспечения. -М.:Мир, 1977.

79. П.Браун. Обзор макропроцессоров. -М.:Статистика, 1975.

80. Вигдорчик Г.В. Интерактивный макропроцессор на языке ФОРТРАН-1У. -Труды ИНЭУМ, вып.80, М., 1980.

81. Вигдорчик Г.В. Программные средства форматирования документации для УВК СМ-3, СМ-4. -Труды ИНЭУМ, вып.70, М., 1978.

82. Ben Ros Schueider Tr., Reid M. Watts, Sitar. An interactive text processing system for small computers. -Communications of ACM, July, v.20, N7.

83. Вигдорчик Г.В., Семик В.П. Организация программного обеспечения систем с разделением функций на СМ ЭВМ.-Приборы и системы управления, №4,М.:Машиностроение,, 1981, с.5-7.

84. Вигдорчик Г.В. Базовая операционная система реального времени для систем с разделением функций. -В кн. "Технические и программные средства СМ ЭВМ первой очереди. Области применения и перспективы развития", Труды ИНЭУМ, вып.86, М., 1981, с.17-28.