автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Увеличение информационной мощности управляющей части гибких производственных систем путем повышения относительной производительности цифровых вычислительных устройств

'"'"а с л

На правах рукописи

Беляев Евгений Иванович

УВЕЛИЧЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННОЙ МОЩНОСТИ УПРАВЛЯЮЩЕЙ ЧАСТИ ГИБКИХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СИСТЕМ ПУТЕМ ПОВЫШЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ЦИФРОВЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

Специальности:

05.13.07. "Автоматизация технологических процессов и производств";

05.13.05. "Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Рыбинск - 1997

Работа выполнена в Рыбинской государственной авиационной технологической академии.

Научный руководитель:

- доктор технических наук, профессор Гладштейн М.А.

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Юдин В.В.,

- кандидат технических наук, Черных Ю.А.

Ведущее предприятие - АО "Рыбинские моторы"

Защита диссертации состоится 1 октября 1997 года в 12 часо! на заседании диссертационного совета К.064.42.02 Рыбинско! государственной авиационной технологической академии по адресу 152934, Рыбинск, ул. Пушкина 53, ауд. 237.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Рыбинско1 государственной авиационной технологической академии.

Автореферат разослан "72?" сиси^Х 1997 года

Ученый секретарь диссертационного совета

Иванов Ю.Н.

1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Повышение экономической эффективности производства изделий :бует автоматизации производства с помощью гибких производствен-х систем (ГПС). Рост экономической эффективности возможен при иовии увеличения числа автоматизированных функций управления в эцессе производства и ограничения затрат на их реализацию.

Генерация и реализация функций управления осуществляется равляющей частью ГПС, которая должна иметь необходимый уровень формационной мощности, определяемый обобщенной вероятностью вы-эа правильного решения и отношением количества информации в си-зме управления к времени цикла управления. Управление производ-зом в режиме реального времени, выполнение условия роста числа гоматизированных функций управления, повышение их сложности и чества управления вызывают рост количества информации, обрабаты-эмого управляющей частью ГПС и уменьшение времени цикла управ-ния. Все это требует увеличения информационной мощности управ-ющей части ГПС. Отношение обрабатываемого количества информации времени цикла управления определяет производительность уст-йств, осуществляющих обработку информации. Автоматизация обрати информации достигается применением цифровых вычислительных гройств (ЦВУ). Следовательно, увеличения информационной Мощности равляющей части ГПС можно добиться путем повышения производи-яьности цифровых вычислительных устройств.

Ограничение роста затрат на реализацию функций управления зволяет выбрать в качестве критерия эффективности ЦВУ в составе равляющей части ГПС относительную производительность - отношение оизводительности к аппаратным затратам.

Таким образом, в качестве одной из задач, решение которых высит эффективность автоматизированного производства изделий, едует выделить задачу увеличения информационной мощности управ-ющей части ГПС, путем повышения относительной производитель-сти ЦВУ.

Цель работы - увеличение информационной мощности управ-ющей части ГПС, путем определения перспективных направлений, зработки и исследования новых эффективных методов повышения от-сительной производительности цифровых вычислительных устройств.

Автор защищает:

- метод организации, архитектурные и алгоритмические решения ерационных узлов (ОУ) ЦВУ верхнего иерархического уровня управ-ющей части ГПС, реализующих быстродействующее выполнение ариф-тических операций;

- метод повышения производительности ЦВУ нижнего иерархиче-ого уровня управляющей части ГПС на основе изменения способа

представления данных управляющей программы системы числового программного управления (СЧПУ) станка для сверления печатных плат;

- метод определения оптимального, с точки зрения роста относительной производительности, количества разрешенных комбинаций способов адресации операндов в команде ЦВУ;

- методику определения оптимального качественного состава разрешенных комбинаций способов адресации операндов, учитывающую априорные характеристики вычислительного процесса;

- методику определения оптимальных последовательностей комбинаций способов адресации операндов, учитывающую детерминированную внутреннюю структуру ЦВУ;

- методику анализа производительности интерфейса на основе коэффициента информационной эффективности, архитектурные и алгоритмические решения эффективных интерфейсов "процессор - запоминающее устройство", и "процессор - запоминающее устройство с корректирующей структурой", разработанные с применением указанной методики анализа.

Общая методика исследований. Решение основной задачи диссертационной работы базируется на использовании методов системного анализа, принципа информационного подхода, математического аппарата теории графов, теории расписаний, методики синтеза вычислительных устройств по алгоритму функционирования. В работе также использованы основные подходы имитационного моделирования ЦВУ.

Научная новизна.

Выделены перспективные направления разработки методов повышения производительности вычислительных устройств управляющей части ГПС:

- согласование способов представления данных;

- оптимизация характеристик системы команд и потока команд;

- увеличение информационной эффективности интерфейсов.

Разработаны методы повышения производительности ЦВУ верхне го и нижнего иерархических уровней управляющей части ГПС, нг основе согласования способов представления данных.

Аналитически определено оптимальное по критерию роста отно сительной производительности количество разрешенных комбинаци! способов адресации (РКСА) операндов в команде ЦВУ.

Разработана методика определения оптимального качественное состава разрешенных комбинаций способов адресации операндов.

Разработана методика определения оптимального качественное состава последовательностей комбинаций способов адресации операн дов.

Разработана методика анализа производительности интерфейсо на основе коэффициента информационной эффективности. Использове ние этой методики позволило разработать эффективные архитектурны решения основных интерфейсов ЦВУ.

Новизна подтверждена полученными патентами Российской Фе дерации.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Разработанные архитектурные и алгоритмические решения опе-^ионных узлов могут найти применение при создании высокопроиз-¡ительных ЦВУ, ориентированных на обработку информации в соста-верхних иерархических уровней управляющей части ГПС. Способ оставления информации в управляющей программе представляет актическую ценность для специалистов в области технологической цготовки производства и разработки систем ЧПУ. Метод определения гимального количества разрешенных комбинаций способов адресации зрандов в команде ЦВУ позволяет максимизировать производитель-лъ при заданном росте аппаратных затрат, методики определения гимальных характеристик системы команд и качественного состава гока команд позволяют повысить относительную производительность счет учета априорных характеристик вычислительного процесса и /тренней структуры ЦВУ и представляют практическую ценность для зработчиков новых моделей микропроцессоров и микроконтроллеров, годика анализа производительности интерфейсов позволяет выявлять кимы работы интерфейсов, имеющие потенциальную возможность увечен ия производительности. Указанная методика и предлагаемые ар-гектурные решения основных интерфейсов ЦВУ, разработанные с ее тользованием, представляют практическую ценность для разработчи-з систем автоматизации производства и управления технологическим эрудованием.

Устройства, реализованные с использованием предложенных ме-нашли практическое применение при выполнении ОКР 1зработка эффективного устройства ввода информации в ПЭВМ", .зработка устройства числового программного управления станком я сверления печатных плат", на что получены акты о внедрении ре-1ьтагов исследований в КБ "Луч" и МНПП "АИР" (г. Рыбинск). Резуль-'ы исследований применены в учебном процессе при преподавании :циплин: "Цифровые устройства и микропроцессоры", "Технология зработки программных средств", а также в дипломном проектирова-и.

Апробация.

Результаты работы доложены на российской научно-технической ^ференции "Наукоемкие технологии в машиностроении и приборо-гоении" (Рыбинск, 1994г.).

Публикации.

По результатам работы опубликовано 5 печатных работ, в том :ле: патенты РФ - 2, тезисы доклада - 1, статьи - 2.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, слючения, приложения, изложена на 291 странице машинописного сста, содержит 23 таблицы, 46 рисунков, список источников из 108. именований.

2 ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе выполнен анализ задачи увеличения информационной мощности управляющей части гибких производственных систем.

Управление производством в режиме реального времени, рост числа автоматизированных функций управления и повышение их сложности требуют увеличения информационной мощности управляющей части ГПС. Автоматизация обработки информационных' потоков и генерация функций управления осуществляется цифровыми вычислительными устройствами. Следовательно, увеличения информационной мощности управляющей части ГПС можно добиться путем повышения производительности цифровых вычислительных устройств.

Системный анализ ГПС показал, что при наличии ограничения роста затрат, в качестве критерия эффективности использования ЦВУ в составе управляющей части ГПС целесообразно выбрать относительную производительность №) - отношение производительности к аппаратным затратам.

Основные известные методы используют.далеко не все резервы повышения производительности ЦВУ, в частности, они не учитывают в достаточной мере функционирование ЦВУ как целостной системы' и работу самого ЦВУ как элемента системы управляющей части гибких производственных систем.

Учет этого возможен путем применения принципа иерархичности к повышению производительности ЦВУ, что предполагает рассмотрение проблемы повышения производительности ЦВУ на трех уровнях: вышестоящем, собственном и нижестоящем.

На вышестоящем уровне ЦВУ рассматривается как элемент иерархической структуры управляющей части ГПС, выполняющий функцию обработки информации. Математические возможности ЦВУ обрабатывать информацию преобразуются в функцию обработки информации при формировании информационных связей между элементами структуры управляющей части ГПС. При одинаковом способе представления входных, выходных данных и данных внутри ЦВУ, способность ЦВУ к обработке информации наиболее полно превращается в соответствующую функцию элемента управляющей части ГПС, если целью обработки информации не является изменение способа представления данных. При различии в представлении данных формируется обязательная дисфункция по изменению способа представления данных, которая усложняет алгоритмы обработки информации и снижает полезную производительность ЦВУ.

Следовательно, повышения производительности при обработке информации можно достичь путем согласования входного, выходного и внутреннего способа представления данных и уменьшения количества дисфункций реализуемых ЦВУ как элементом иерархической структуры управляющей части ГПС.

На собственном уровне ЦВУ следует рассматривать как про-аммно управляемое устройство обработки информации.

Ограничения на рост аппаратных затрат позволяют поставить шрос о рациональных, с точки зрения повышения относительной юизводительности ЦВУ, количественных характеристиках системы >манд.

Система команд является связующим звеном между реализуемым [горитмом управления и ЦВУ, выполняющим данный алгоритм. Эффек-вность работы ЦВУ тем выше, чем полнее совпадают возможности си-емы команд с требованиями реализуемого алгоритма. Таким образом, тает вопрос об определении качественного состава системы команд, ражающего априорную информацию о вычислительном процессе.

Детерминированная внутренняя структура ЦВУ определяет нали-:е оптимальных с точки зрения производительности последовательней работы внутренних узлов ЦВУ. На последовательность работы лов ЦВУ оказывает влияние качественный состав потока команд. Та-ш образом встает вопрос о рациональном качественном составе пока команд, позволяющем наиболее полно использовать внутренние сурсы ЦВУ с целью увеличения количества обрабатываемой информа-!И .

На нижестоящем уровне ЦВУ рассматривается как система гнкциональных узлов, обладающих способностью выполнять различ-ге операции и объединенных информационными связями, позволяю-ши системе реализовать функцию обработки информации.

На этом уровне на производительность ЦВУ может оказывать шяние эффективность передачи информации между функциональными лами ЦВУ в процессе обработки. В этом случае необходимо стре-1ться к уменьшению количества дисфункций по передаче информации ■3 ее преобразования, при организации обработки информации, или :ключению дисфункций по обработке информации, если основная ¡ль реализуемого алгоритма - перемещение информации. Передача ин->рмации между узлами осуществляется через интерфейс, поэтому воз-шает необходимость увеличения информационной эффективности ин-рфейсов.

Таким образом, применение принципа иерархичности позволяет вделить следующие перспективные направления разработки методов шышения производительности ЦВУ управляющей части ГПС, основы-пощиеся на:

-согласовании способов представления входных, выходных 1нных и внутреннего представления данных в ЦВУ;

- оптимизации характеристик системы команд и потока ко-%нд, учитывающей особенности хода вычислительного процесса и |утренней структуры ЦВУ;

- повышении информационной эффективности интерфейсов.

Разработкам указанных методов посвящены последующие главы

¡ссертационной работы.

Во второй главе разрабатываются ¿методы повышения производительности ЦВУ па основе согласования способов представления данных.

Информационный анализ верхнего уровня управляющей части ГПС показывает, что имеется противоречие между десятичной системой счисления, используемой при представлении входных и выходных данных и двоичной системой счисления для представлении информации внутри ЦВУ, что требует двукратного преобразования способа представления данных при обработке информации и снижает полезную производительность ЦВУ. Для ликвидации этого недостатка предлагается использовать двоично кодированную десятичную систему счисления для представления информации внутри ЦВУ. При этом производительность при интерпретации входной и выходной информации возрастает в 4.6 и 3.8 раза соответственно.

Принципиальная возможность построения таких ЦВУ известна. Недостатком указанных ЦВУ является более медленное, по сравнению с двоичными, выполнение арифметических операций, что свидетельствует о необходимости разработки быстродействующих операционных устройств (ОУ) для обработки двоично кодированной десятичной информации. В качестве базовых операций рассмотрены операции* сложения и умножения.

Исследование архитектур известных операционных устройств и алгоритмов выполнения арифметических операций позволило разработать новые типы ОУ /1/: на основе хранимых таблиц сложения и умножения и ОУ на основе хранимых таблиц сложения. Разработка архитектур ОУ производилась с использованием синтеза вычислительных структур по алгоритму функционирования.

Исследование разработанных структур и их сравнение с существующими ОУ, выполняющими арифметические операции над двоичными и двоично кодированными десятичными операндами, показало, что операционные блоки (ОБ) из ОУ на основе таблиц сложения при точности представления операндов, соответствующей 32 двоичным разрядам и выше, обладают большей производительностью, чем все остальные операционные блоки (рисунок 1).

Высокие показатели производительности достигнуты за счет уменьшения логической глубины тела цикла умножения. Особенностью эффективной архитектуры является наличие в ОУ только таблицы сложения, что снижает аппаратные затраты на хранение таблиц.

По критерию относительной производительности предложенные ОУ и ОБ на основе таблиц сложения на 50 процентов эффективнее аналогичных блоков для реализации операций с двоично-десятичными числами, при точности представления операндов эквивалентной 64 двоичным разрядам и уступают только ОБ для обработки двоичных чисел.

Т

• • в задержках . логического .. элемента

ОБ на основе таблиц сложения и умножения

2250 2100 1950 1800 1650 1500 1350 1200 1050 900 750 600 450 300 150

■• двоичные ОБ

умножения

Двоичная разрядность операндов

8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 п

Рисунок 1 - Бремя выполнения умножения различными типами операционных блоков (ОБ)

ЦВУ среднего иерархического уровня управляющей части ГПС арактеризуются разнообразными способами представления входных и ыходных данных. Поэтому, методы повышения относительной произво-ительности ЦВУ путем согласования способов представления данных аиболее эффективны при применении к ЦВУ верхнего и нижнего ерархических уровней управляющей части ГПС.

Анализ информационного окружения ЦВУ нижнего иерархиче-кого уровня управляющей части ГПС указывает на наличие, выпол-яемого в режиме реального времени, преобразования способа пред-тавления данных управляющей программы (УП), на основе универсаль-ого набора символов, из десятичной системы счисления в двоичную, то снижает полезную производительность ЦВУ системы числового про-раммного управления (СЧПУ).

Для повышения производительности и снижения аппаратных за-рат на реализацию запоминающего устройства СЧПУ предлагается редставить числовые данные УП в двоичной системе счисления и простить структуру УП. Следует отметить, что многообразие техноло-ического оборудования приводит к необходимости индивидуального одхода при решении задачи изменения способа представления инфор-ации в УП.

В частности, применение УП на основе универсального набора имволов при управлении специальными станками для сверления пе-атных плат вызывает значительную информационную избыточность правляющих программ сверления. Особенность расположения от-ерстий состоит в том, что они находятся в узлах координатной сетки

с определенным шагом. Сущность предлагаемого способа /3/ заключается в том, что управляющая программа представляет собой двоичную матрицу, индексы элементов которой соответствуют координатам узлов, а элементы матрицы кодируются в соответствии с наличием или отсутствием отверстия в данном узле координатной сетки. Состояние логической единицы соответствует наличию отверстия, состояние логического нуля - отсутствию. Ввиду однозначности и известности шага координатной сетки расположение отверстия на плате характеризуется местоположением элемента в матрице. Матрица хранится в виде числового файла, который дополняется информацией о используемом инструменте и режимах обработки.

Количество узлов координатной сетки, в которых необходимо наличие отверстий, меньше общего количества- узлов координатной сетки. Применение алгоритмов сжатия информации позволяет значительно уменьшить объем управляющей программы -на основе предложенного способа представления данных и снизить аппаратные затраты на реализацию ЦВУ системы ЧПУ /4/. Анализ способов представления информации в УП произведен по критерию относительной производительности, учитывающему затраты времени на интерпретацию УП и количество слов запоминающего устройства (ЗУ) для хранения УП при различном количестве отверстий в последовательных узлах координатной сетки (рисунок 2).

Несжатая информация: Мн=1/105

Количество

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Котв

21

Эффективное использование сжатой информации

Эффективное использование несжатой информации

Рисунок 2 - Эффективность использования способов представления данных в управляющей программе

Выявлено, что для получения оптимальных характеристик ЦВУ системы ЧПУ информация в управляющей программе должна кодировать-

з так, что если 15 последовательных узлов координатной сетки со-зржат менее четырех отверстий, то необходимо использовать сжатое редставление информации, в других случаях - несжатое, осматривается 16-разрядная организация слова ЗУ). Применение в' цной УП сжатой и несжатой информации позволяет до 3.7 раз снизить ремя, необходимое для интерпретации УП и до семи раз снизить объ-и ЗУ для хранения управляющей программы.

В третьей главе разрабатываются методы повышения произво-ительности ЦВУ т основе оптимизации характеристик системы оманд и потока команд.

Рост количества разрешенных комбинаций способов адресации 'КСА) операндов в команде ЦВУ приводит как к увеличению произво-ительности так и к росту аппаратных затрат на реализацию уст-зйства управления ЦВУ. Поэтому встает проблема определения'опти--ального количества РКСА операндов в команде ЦВУ. Для ее решения ыполнено исследование влияния роста количества РКСА операндов на ост относительной производительности ЦВУ /5/.

Анализ графовой модели РКСА операндов и изучение динамики зменения количества команд D, необходимых для выполнения вычис-ительной процедуры при изменении количества разрешенных комбина-ий способов адресации операндов от Mffiin=A до Мшах = А • (А - 1), п;е А - количество используемых способов адресации операндов, вывил, что наиболее эффективным является добавление ранее неразре-енных комбинаций способов адресации, соответствующих маршрутам, меющим длину два и не содержащим в своем составе одинаковых дуг.

Количество комбинаций способов адресации операндов, удо-летворяющих указанным условиям, определяется выражением:

ДМ =

где [ ] - округление до ближайшего меньшего целого.

Таким образом, оптимальное с точки зрения роста относитель-ой производительности количество РКСА операндоз в команде, пре-ышение которого приводит к незначительному росту относительной роизводительности, может быть определено как:

1Гр = Mmin+ÄM + Мп= 2А +

А .2.

где Мп - количество РКСА, соответствующих петлям, обычно

Это позволило, сформировать орграф РКСА операндов в команде, имеющий Мгр дуг и описывающий оптимальное, по критерию роста

относительной производительности, количество разрешенных комбинаций способов адресации.

Повышения производительности ЦВУ можно достичь путем обеспечения совпадения качественного состава разрешенных комбинаций способов адресации операндов системы команд с наиболее часто используемыми комбинациями способов адресации операндов, определяемыми априорными характеристиками вычислительного процесса.

Для учета априорных характеристик вычислительного процесса разработана методика определения оптимального качественного состава разрешенных комбинаций способов адресации операндов.

Методика включает определение: номенклатуры способов адресации операндов; оптимального количества РКСА операндов и орграфа РКСА; процентного содержания используемых способов адресации операндов; распределение способов адресации по вершинам орграфа РКСА по критерию обеспечения максимального соответствия РКСА операндов наиболее часто используемым комбинациям способов адресации.

С использованием указанной методики, на основании данных ГОСТ 16325-88 "Машины вычислительные электронные цифровые общего назначения", сформирован качественный состав РКСА операндов для решения научно-технических задач. Проведенный анализ подтвердил соответствие полученного качественного и количественного состава РКСА операндов, способам адресации операндов при решении этих задач.

Система команд, реализующая разрешенные комбинации способов адресации операндов, полученные в результате применения этой методики, имеет оптимальные с точки зрения производительности количественные и качественные характеристики и учитывает априорные характеристики вычислительного процесса.

На производительность ЦВУ оказывает влияние то, что при проведении программных вычислений вероятностный характер вычислительного процесса вступает в конфликт с детерминированной структурой вычислительного устройства. Это приводит к снижению производительности ЦВУ. Повышение детерминированности вычислительного процесса возможно без дополнительных аппаратных затрат за счет учета архитектурных особенностей ЦВУ при разработке программ. Большое влияние на производительность и загрузку функциональных узлов ЦВУ оказывают последовательности способов адресации операндов при выполнении программ. Это влияние наибольшим образом сказывается в ЦВУ, способных совмещать во времени выборку команды из памяти команд и обращение к памяти данных.

Для повышения детерминированности вычислительного процесса и учета внутренней структуры ЦВУ предложена методика определения оптимальных последовательностей комбинаций способов адресации

операндов в командах. Методика включает определение: последовательностей работы ресурсов ЦВУ при реализации множества возможных <омбинаций способов адресации операндов; подмножества ресурсов ДВУ, способных функционировать одновременно; последовательностей <омбинаций способов адресации операндов, обеспечивающих макси--сальное использование подмножества ресурсов ЦВУ способных работать здновременно.

Для реализации этапов этой методики применен математический шпарат теории расписаний. Критерием эффективности плана являет-:я максимум загруженности устройств. Комбинация способов адреса-дии операндов команды интерпретируется как работа. ЦВУ рассматривается как система двух устройств: выборки кода команды (У1) и ис-юлнения команды с сохранением результата (У2).

Выявлены следующие критерии назначения комбинаций способов адресации операндов (работ). ,

Отсутствие буфера между устройствами VI и У2:

- обеспечение максимальной загрузки устройства У1:

^2 - ^(1+1)1 • ^ □ляемое используемой комбинацией способов адресации;

вРемя выполнения работы 1+1 устройством У1, определяемое используемой комбинацией способов адресации;

- обеспечение максимальной загрузки устройства У2:

- 4 + 1)1 • (2) ; Максимальная загрузка устройств достигается при равенстве 4ли минимальном неравенстве определяемом (1) и (2).

При наличии буфера условиями обеспечения полной загрузки устройств У1 и У2 являются неравенства (3) и (4): при пустом буфере:

^12 - 4+1)1 • ®

и при полном буфере:

д * 4+е+1)1 - ^

где д - рассогласование между временем окончания выполнения устройством У2 работы 1 (Т12) и временем окончания выполнения уст-эойством У1 работы й+6) (Та+5)1):

5 = ^12 ~ Т(1+С)1 • где С - емкость буфера.

При частично заполненном буфере всегда обеспечивается полная загрузка устройств.

Применение указанных критериев к выбору комбинаций способов адресации при составлении потоков и смеси работ привело к росту среднего числа одновременно работающих устройств на 9.5% и росту относительной производительности на 8.3% при отсутствии буфера между устройствами, по сравнению с применяемым эвристическим алгоритмом на основе максимальной загрузки отдельных устройств. Производительность ЦВУ увеличена за счет более полной загрузки оборудования без введения дополнительных аппаратных затрат.

В четвертой главе рассматриваются методы повышения производительности ЦВУ на основе увеличения информационной эффективности интерфейсов.

Повышение производительности ЦВУ возможно за счет сокращения количества информации передаваемой между функциональными узлами при организации обработки информации и сокращения объемов обработки информации при ее передаче между узлами.

Информацию, передаваемую по интерфейсу, целесообразно разделить на "служебную" и "данные". Такое разделение позволяет определить коэффициент информационной эффективности интерфейса (Иэ) как отношение количества переданной информации данных к общему количеству информации, переданному по интерфейсу.

Действительная пропускная способность интерфейса (тд) может быть определена как:

= Иэ • ти (5)

где ти- пропускная способность интерфейса

Увеличения действительной пропускной способности интерфейса можно достичь за счет увеличения коэффициента информационной эффективности, а следовательно за счет уменьшения количества служебной информации, передаваемой по интерфейсу при организации взаимодействия между функциональными узлами.

Определение неэффективных передач информации, необоснованной обработки и режимов работы интерфейсов, обладающих потенциальной возможностью увеличения производительности, целесообразно проводить с помощью предложенной методики анализа производительности интерфейса на основе коэффициента информационной эффективности .

Методика включает определение коэффициентов информационной эффективности интерфейса во всех режимах работы, определение средней действительной пропускной способности, выбор режимов, характеризующихся наименьшим значением коэффициента информационной эф-

ективности, разработку структур интерфейсов, способных увеличить 1Э в выбранных режимах и сравнение базовой и разработанной струк-ур по коэффициентам информационной эффективности и производи-эльности, выраженной средней действительной пропускной способ-остью .

Использование предложенной методики для анализа основных нтерфейсов ЦВУ позволило выявить низкий коэффициент информаци-нной эффективности при осуществлении доступа к операндам с пря-ым (Иэ=0.5) и косвенным СИЭ =0.33) способами адресации в интерфейсе процессор - запоминающее устройство (ЗУ)". С целью повышения произ-одительности разработана эффективная структура такого интерфейса, собенностью которой является снижение количества передач информа-ии при осуществлении доступа к операндам, возможность выполнения ростейших передач и преобразований информации без участия процес-ора. Сравнение с известной структурой показало максимальный рост роизводительности интерфейса в 2.2 раза при реализации команды ересылки непосредственного операнда в ячейку памяти с косвенной цресацией (рисунок 3).

ян 16 10 00 90 80 70 60 50 40 30 20 10

Команда пересылки

Средний рост производительности 60%

Команда обработки

Способы адресации

■Н—''-Н

Р-П Р-К П-П П-КР Н-П КР-Р КР-К к-к к-п н-к Р-КР Н-Р П-Р П-К КР-КР КР-П Н-КР К-Р К-КР

Рисунок 3 - Рост производительности интерфейса "процессор-ЗУ"

По критерию относительной производительности интерфейс редложенной структуры эффективнее традиционного на 43%. Рост оросительной производительности осуществлен за счет увеличения ко-' ффициента информационной эффективности.

Проведенный анализ интерфейса "процессор - ЗУ с корректирую-ей структурой (код Хэмминга)" выявил, что существует возможность овышения действительной пропускной способности этого интерфейса.

На основе данных анализа разработана новая структура интерфейса "процессор - ЗУ с корректирующей структурой" /2/, отличительной чертой которой является снижение логической глубины цепи передачи информации при выполнении обращений к памяти и сокращение аппаратных затрат на хранение корректирующей информации.

Изучение результатов проведенного анализа известной и предложенной структур интерфейсов выявило повышение относительной производительности интерфейса ЗУ с корректирующей структурой в среднем в 1.6 раза для ЗУ с разрядностью ячейки памяти 8 информационных разрядов и в 1.7 раза для ЗУ с разрядностью ячейки памяти 16 информационных разрядов.

Важную роль при управлении технологическим процессом играет ввод информации в систему числового программного управления. Прием информации должен производиться в режиме реального времени.

Анализ существующих способов ввода информации от внешних источников позволил выявить, что наиболее перспективным с точки зрения обеспечения высокой пропускной способности и минимизации аппаратных затрат являются способы ввода информации "по готовности" и "программный". Однако, они не могут обеспечить требуемых временных характеристик на аппаратном обеспечении, определенном техническим заданием, при разработке "интерфейса ввода информации в ПЭВМ".

Проведенный анализ системы команд микропроцессора Intel 80286 позволил выявить команду, обеспечивающую максимальный коэффициент информационной эффективности при осуществлении программного обмена информацией (команда INSVI - ввод строки слов). Разработанный интерфейс использует только эту команду. Проверка готовности данных для передачи производится за счет учета особенностей исполнения этой команды микропроцессором. Применение предложенного интерфейса для ввода информации в вычислительное устройство позволяет повысить относительную производительность в 2.4 раза по сравнению с интерфейсом обмена "по готовности". Предложенный интерфейс реализован в системе управления летательными аппаратами и автоматизации испытаний навигационной аппаратуры.

Применение разработанных методов позволяет повысить производительность ЦВУ на различных уровнях управления ГПС, за счет сокращения потерь времени при передаче информации между устройствами.

Основные результаты повышения относительной производительности достигнутые путем применения разработанных методов и методик приведены в таблице:

Метод Повышение относительной производительности

Метод организации ОУ «50%

Тредставление информации в УП сверления печатных плат « в 26 раз на этапе интерпретации информации УП

Оптимизация качественного со-тава потока способов адресации «8.3%

Интерфейс "Процессор-ЗУ" «43%

Интерфейс "процессор -ЗУ с корректирующей структурой" «60% (8-разрядное ОЗУ) «70% (16-разоядное ОЗУ)

!нтерфейс "Процессор-устройство ввода" (с анализом готовности) « в 2.4 раза

3 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В диссертации решена задача увеличения информационной мощ-эсти управляющей части гибких производственных систем путем размотки методов повышения относительной производительности цифро-¿х вычислительных устройств.

В процессе выполнения исследований получены следующие :новные результаты.

1) Применение системного анализа, принципов иерархичности и -[формационного подхода к задаче увеличения информационной мощ-эсти управляющей части ГПС путем повышения относительной произ-здительноеги ЦВУ, позволили определить перспективные направления 1зработки методов повышения относительной производительности ЦВУ 1 основе:

- согласования способов представления входных, выходных 1нных и данных внутри ЦВУ;

- оптимизации характеристик системы команд ЦВУ и пото-а команд;

- увеличения информационной эффективности интерфейсов.

2) Разработаны методы повышения производительности ЦВУ грхнего и нижнего иерархических уровней управляющей части ГПС, 5еспечивающие повышение относительной производительности за счет )гласования способов представления данных и включающие архитек-грные и алгоритмические решения ОУ для быстродействующего выпол-зния арифметических операций в двоично кодированной десятичной 1стеме счисления; способ представления информации в управляющей зограмме для СЧПУ станка для сверления печатных плат.

3) Разработаны метод и методики определения оптимальных ко-^чественных и качественных характеристик системы команд и потока зманд, обеспечивающие повышение производительности за счет учета триорных характеристик вычислительного процесса и внутренней

структуры ЦВУ и включающие: определение оптимального количества разрешенных комбинаций способов адресации операндов в команде ЦВУ; методику определения оптимального качественного состава разрешенных комбинаций способов адресации операндов; методику определения оптимального качественного состава потока команд и критерии назначения комбинаций способов адресации операндов при формировании потока команд.

4) Разработана методика анализа производительности интерфейсов на основе коэффициента информационной эффективности, обеспечивающая выявление режимов работы интерфейсов, обладающих потенциальной возможностью увеличения производительности и предложены структурные решения основных интерфейсов. ЦВУ обладающие большей относительной производительностью.

Результаты выполнения реальных проектов подтвердили эффективность выбранных направлений для разработки методов повышения производительности ЦВУ.

Разработанные методы органично дополняют существующие методы повышения производительности ЦВУ, учитывая особенности функционирования ЦВУ в составе управляющей части ГПС.

Применение разработанных методов увеличивает информационную мощность управляющей части ГПС и обеспечивает экономическую эффективность применения автоматизации производства на основе ГПС. Предложенные методы могут быть также успешно применены для повышения производительности широкого круга цифровых вычислительных устройств.

4 ПУБЛИКАЦИИ ПО РАБОТЕ

1. Патент РФ N2034330 на изобретение /'Операционный блок" /Гладштейн М.А., Беляев Е.И., Беляева М.М. МКИ4 G 06 F 15/00 Бюл. N12 30.04.95

2. Патент РФ N2062512 на изобретение "Запоминающее устройство с обнаружением ошибок и коррекцией одиночной ошибки" /Гладштейн М.А., Беляева М.М., Беляев Е.И. МКИ4 G 11 С 29/00 Бюл. N17 20.06.96

3. Гладштейн ILA., Беляев'Е.И., Лебедев С.А. Об одном способе управления технологическим процессом сверления отверстий в печатных платах //Российская научно-техническая конференция наукоемкие технологии в машиностроении и приборостроении: Тез. докл.-Рыбинск, 1994.-С. 297-298.

4. Беляев Е.И. Оптимизация одного способа управления технологическим процессом сверления отверстий в печатных платах. // Вестник ВВ0 АТН РФ. Сер. Высокие технологии в машиностроении v. приборостроении: Сб. науч. тр. /Рыбинская государственная авиационная технологическая академия.-Рыбинск, 1995. Выпуск 2.-С.146-150.

5. Беляев Е.И. Определение эффективного количества разрешенных комбинаций способов адресации операндов электронных устройств. // Вестник ВВ0 АТН РФ. Сер. Высокие технологии в радиоэлектронике: Сб.науч. тр. /Нижний Новгород, 1995. Выпуск 1.-С.85-88.