Введение к работе
Актуальность проблеми. Эффективность использования вычислительной техники и работы пользователей в современных информационно-вычислительных системах (ИВС) во многом определяется функциональными возможностями и оперативностью функционирования диалогового обеспечения (ДО). К настоящему времени уже разработано большое число универсальных и специализированных систем обеспечения диалогового взаимодействия. Исследсваклз существующих систем позволило выделить характерные особенности их функционирования. Основными проблемами в .этих системах являются: значительное время реакции, большая занимаемая оперативная память, чрезмерно сложный язык обмена, недостаточное количество обслуживаемых терминалов, потребность большого обьема работ по настройке и эксплуатации. Исследования показали наличие резервов по повышению эффективности и оперативности, диалогового взаимодействия.
В связи с этим является актуальней проблема исследования и разработки оптимальных структур ДО ИЕС л методов повышения эффективности их функционирования. Вагкым моментом в исследовании является комплексный подход к разработке ключевых компонент программно-математических средств ДО.
Цель работы. При проектировании ДО ИВС к их математического обеспечения на этапе оптимизации функциональных схем необходимо проводить подробный анализ функционирования системы, обеспечивающий объективный и обоснованный выбор целесообразных вариантов.
Для этих целей необходимо построение моделей взаимодействия проектируемых систем с внешней средой (окружениемЇ.
3 качестве объекта ^сследонаяи.? в дтгсеєрт&ггркг.'оіі работе рассматривается ДО !:РС специального назначения (СН). предназначенное для организация эФ5ектт-!Ен;Л габсты вычислительной мзиккы а группы пользователей. Roz~v.c?cu
изучения являются вопросы методики выбора программных структур и алгоритмов управления вычислительным процессом в ДО, в том числе: алгоритмов дисциплин обслуживания запросов, организации распределения памяти и методов доступа к дисплеям.
Целью диссертационной работы является решение задач анализа и синтеза программной структуры ДО ИВС СН и создание методов и средств, обеспечивающих повышение эффективности организации вычислительного процесса в системах исследуемого класса.
Методы исследования. В качестве аппарата исследования в диссертационной р?.боте использовались методы теории управления, теории массового обслуживания, случайных процессов, имитационного моделирования, математической статистики, экспертных оценок, организации вычислительного процесса, создания проблемно-ориентпрозанных языков, а также методы системного, модульного и структурного программирован.^'.
Научная новизна диссертационной работы заключается в выработке элементов анализа основных характеристик ДО ИВС СН, выделении ключевых компонент математического обеспечения этих систем и обосновании необходимости построения специального комплекса программ, функционирующего в мультизадачном режиме.
Разработаны программные средства обеспечивающий многооконный режим ввода-вывода, модули синхронизации обработки данных в темпе их поступления, программы ведение внешних наборов ДО, системно-сервисные программные средства анализа состояний ресурсов ИВС СН и операционной системы, программы обработки директив ДО ИВС СН с входным языком.
Практическая ценность диссертационной работы состоит в Бэдаче методических рекомендаций по проектированию и разработке алгоритма функционирования и программных средств диалогового обеспечения ИВС СН, систем обработки данных реального времени, а также по созданию конкретных сгтгм. Функционирующих на основе разработанных программ
ввода-вывода на дисплеи, реализующих многооконный режим. Использование комплекса программ ДО ИВС:
позволяет получение пользователем оперативных данных о текущей входной информации, проведение количественного ч качественного анализа результатов решения задачи:
обеспечивает оперативное вмешательство пользователя в ход решения задач, с целью его изменения, модификации, приостановки, обхода или завершения решения задачи;
реализует многотерминальный режим обработки;
сокращает общий цикл разработки и сроки создания программных компонент диалогового взаимодействия;
расширяет круг возможных пользователей системы за счет применения проблемно - ориентированного языка диалога.
Разработанная организация взаимодействия пользователей с информационно-вычислительной системой существенно повышает оперативность взаимодействия и позволяет улучшить эргономические характеристики путем ввода-вывода информации на дисплеи в многооконном режиме
Реатгизация и внедрение результатов исследований.
Разработанный комплекс программ в составе: "Монитор программных процессов", "Монитор задач пользователя". "Монитор управления синхронизацией", программы ввода-Еывода на терминалы, программа формирования оперативной информации и программы обработки директив принят на внедрение в составе комплекса математического программного обеспечения вычислительного центра системы сбора и обработки данных "Букет-1", с экономической эффективностью 73.2 тыс. рублей в год, которая достигается за счет повышения эффективности оперативного анализа и обработки данных и подтверждается актом внедрения
По предложенной структуре и организации диалогового обеспечения и методике эффективной организации многопользовательского режима диалогового обеспечения разработан комплекс программных средств в составе авто-
матизированной информационно-поисковой системы органов внутренных дел республики и принят на внедрение в ИЦ МВД РУ, с экономической эффективностью более 200 тыс. рублей в год, которая подтверждается актом внедрения.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на III Всесоюзной научно-технической конференции "Методы синтеза типовых модульных систем обработки данных" ( г.Кишинев. 1988г.); на научно-техническом совещании Всесоюзной школы по проблемам математического обеспечения и архитектуры бортовых вычислительных систем ( г.Ташкент, 1988г.); на Международном семинаре ИФАК/ИМАКС "Автоматизация проектирования систем управления' (г. Алма-Ата, 1989г.); на XI Всесоюзном совещании по проблемам управления ( г.Ташкент, 1939г.); на семинарах НИИ "Алгоритм" НПО "Кибернетика" АН РУ (1992 г.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 5 печатных работах.
Структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 123 страницах машинописного текста, иллюстрируется рисунками и таблицами на 8 страницах; состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 94 наименований, приложений на 39 страницах и материалов о внедрении.
Основные положения, представляемые к завите составляют следующие результаты:
состав и структура математического обеспечения ДО иве сн:
алгоритм повышения эффективности обработки запросов ДО ИВС СН;
комплекс системных программных, средств организации многотерминального режима;
программы ввода-вызода на дисплеи, реализующие многооконный режим ввода-вывода;
специальные сервисные программные средства для анализа состояния ресурсов операционной системы.
- 5 -'
Во введении указываются актуальность, новизна исследований, практическая ценность, излагается цель работы.
В первой главе, приводится анализ особенности построения диалоговых программных средств.
Выявлены этапы развития программных средств обеспечения диалогового взаимодействия.
Определены основные характеристики диалогового обеспечения: время обработки запросов и время ожидания пользователя; типы входного интерфейса.
Изложено краткое описание объекта исследования -информационно-вычислительной системы специального назначения (ИВС СН) и задачи диалогового обеспечения (ДО).
Общее исследование модели программно-алгоритмичес
кого обеспечения диалога позволило выделить основные ти
пы связи объекта со средой; Х»(х, х„) - неуправ
ляемые, Е* (Єї еР) - неконтролируемые,
iMu, Цц) - управляемые и Y=(yj у^) - ин
формирующие. Влияние связей X, Е, U на состояние динами
ческого объекта может быть записано в операторной форме:
Y = F(X.E.U), (1)
где F0- оператор работы объекта.
С помощью метода экспертных оценок получены-конкретные виды связей, существующие в реальной вычислительной среде.
Исследование целей пользователей, которые реализу
ются в ДО ИВС, Z* = ( Z* 2^ ), позволило
сформировать задачу вцбора оптимальной цели как задачу минимизации Функции некомфортности пользователя V(Z*). которая определена на множестве всех возможных целей (Z*). Выбор оптимальной цели сводится к^рєцсяга задач;, минимизации функции v'Z1 > при изменеіши её аргумента и предела заданного множества целей { Z*). которое соотсит из допустимых целей. Результатом решения этой задачи яв-
ляется наилучшая в данных обстоятельствах цель Z* *. Та
кая задача оптимизации записывается следующим образом:
v (Z*) - min => Z" . (2)
V { V } где Z* реализуется в объекте с связями (1).
Прямое решение такси задачи с помощью какого-либо математического аппарата не представляется возможным ввиду сложности структуры рассматриваемого объекта.
Для упрощения задачи проведена декомпозиция модели объекта на основании априорных сведений о структуре объекта. В результате декомпозиции получены четыре составные компоненты ДО: управление запросами; управление памятью; организация доступа к терминалам; языковые средства, исследование которых по отдельности представляет собой реализуемую задачу.
Во второй главе излагается анализ алгоритмов Функционирования диалогового обеспечения ИВС, характеристики ДО, управление памятью и анализ многотерминального режима функционирования ДО.
Указано, что ДО ИВС СН характеризуется наличием некоторого потока запросов, которые поступают в систему и которые необходимо обслужить. Где поступление запросов происходит через случайные промежутки времени, длительность обслуживания в общем случае также случайна. Эти особенности ДО позволяют рассматривать его как систему массового обслуживания и применять для его анализа удобный математический аппарат теории массового обслуживания.
Характерной особенностью задач массового обслуживания является возникновение несоответствия между интенсивностью поступления запросов и временем их обслуживания, в результате чего или оказывается простаивающим аппарат обслуживания или образуется очередь запросов на обслуживание. Поэтому ЕЫбор алгоритмов обслуживания запросов з ДСї^ИВС СН носит принципиальный характер и определят в конечном счете оперативность работы самой системы и пользователей.
Анализ алгоритмов функционирования диалогового обеспечения и исследования позволяет сделать вывод, что одним из факторов, ограничивающих производительность ЭВМ при использовании ДО. является разница скорости реакции человека, работающего за терминалом, и скорости вычислительной установки.
Рассматривается работа пользователя ДО ИВС СН за терминалом, где пользователь посылает запрос в систему и получает ответ, требующий определенного времени для его анализа и выработки решения. При бводє нового запроса пользователь должен выполнить некоторые операции на пульте терминала. Время, которое ушло на обдумывание и операции по вводу запроса в ЭВМ. в несколько раз превышает время реакции ЭВМ. Следовательно, если система будет работать только с одним пользователем, неизбежны простои ЭВМ..
Чтобы уменьшить простои вычислительной установки при работе пользователя с ДО. необходимо реализовать такой алгоритм работы системы, который во время ожидания ответа (запроса) одним пользователем переключал ЭВМ на обслуживание других пользователей. Для обеспечения коллективного доступа в ДО ИВС СН необходимо разработать и ввести в систему алгоритм управления вычислительным процессом, который позволит обслуживать множество пользователей системы. При этом алгоритм функционирования ДО ИВС СН должен обеспечивать минимальное время реакции системы на запрос пользователя.при;рабате ЩО ШВС СН с множеством пользователей.
Предлагается модель для .исследования ;маниторов .ДО с различными дисциплинами обслуживания запросов. Диалоговые средства рассматриваются как замкнутая система 'массового обслуживания задания, в лсотарай тсточш'лслми заявок являются терминалы, а обслуживающим лрибором служит центральный процессор (ЦП). .Замкнутость -састомы связана ,с условием (Монопольного предоставления терминала з рас-йцрдаецие [выполняемого ааяашз с момента нагаала ФфЩрсшния задания, запуска (біло ва исполнение и полу-
чения окончательных результатов и до завершения оперативного анализа на экране терминала полученных результатов. При этом ЦП занят совместной работой с данным терминалом только на время непосредственного выполнения задания. Поэтому с любого терминала очередное задание мойет быть запущено только после завершения исполняемого с этого терминала предыдущего задания. Это означает, что максимальное число сдноврененно присутствующих в системе заявок на выполнение заданий как ожидающих в очереди, так и исполняемых (их количество обозначено К), не может превышать числа терминалов.
Очередь
Тф AT . т
Время ожидания ответа
Выявлено, что наиболее эффективней по отношению к пользователям и загрузке ЭВМ является мультизадачная дисциплина обслуживания. По сравнению с остальными дисциплинами мультизадачная дисциплина обслуживания более полно использует возможности современных операционных систем. Дисциплина отличается простотой и надежностью модуля, управляющего подзадачами пользователей, поскольку организация различных очередей на обслуживание возложена на супервизор операционной системы.
Мультизадачная дисциплина обслуживания запросов по сравнения с остальными дисциплинами обслуживания:
- обладает наиболее оперативными свойствамидля ДО
(обеспечивает повышение оперативность обслуживания до 25%);
обеспечивает естественный интерактивный обмен с машиной;
наиболее полно использует возможности современных оперативных систем;
дает возможность гибкого управления приоритетами в ДО на уровне супервизора задач:
практически реализуется простым и надежным монитором, построенным по реентерабельной схеме.
Мультизадачная дисциплина обслуживания устанавливает строгие требования к распередэлекия памяти, для чего рекомендуется:
создавать программное обеспечение для ДО ИВС СН на основе реентерабельных модулей;
выдавать запросы на оперативную память лишь в моменты непосредственной необходимости и своевременно освобождать память, более тоге, стремиться занимать память только на время транзакций (элементарных взаимодействий);
обеспечивать в ДО ИВС СН аппарат снижения Фрагментации памяти, а также средства обработки "клинчевых" ситуаций.
В третьей главе приводятся основные программные средства реализации диалогового обеспечения информационно-вычислительной системы специального назначения, исследуются методы доступа к дисплэям. рассматриваются характерные особенности организации рзода-вывода на дисплеев, предлагается реализация многооконного режима ввода-вывода, исследуются методы доступа к внешней памяти для ДО.
Анализ приведенных телекоммуникационных методов доступа, з. также исследование элементов информационного обмена в ДО позволяют сделать следующие выводы:
Ео-перЕЫХ. многооконный режим ввода-вывода - это наиболее наглядный и эффективный способ записи программ обмена на языке асемблера. Наличие управляющих таблиц связи WSDACVT. WSDATCF- с языками высокого уровня к
применение пренроцессорних средств позволяет сравнительно просто составлять программы для ДО на языках высокого уровня.
Во-вторых, многооконный режим ввода-вывода позволяет существенно повысить производительность труда программистов - авторов модулей обработки директив.
И наконец, многооконный режим ввода-вывода сравнительно легко адаптируется к новым дисплеям и дисплеям других типов с помощью разработки и подключения дополнительных модулей ввода-вывода.
Разработанный режим ввода-вывода на терминалы для ДО представляет достаточно развитое и удобное программное средство, обеспечиваемое макроопределениями для программ на ассемблере DISPLAY. REPLY, .препроцессорными средствами для языков высокого уровня WSMLPUT, WSMLGET.
Проведенное сравнение различных способов организации рабочих наборов данных (брошюр) ДО по критерию "Количество обращений к внепней памяти при решении задач формирования, считывания и обновления данных" позволило отдать предпочтение пря.:..;" еоганизации данных, которая:
позволяет- расположить все брошюры в едином наборе данных, при этом достигается эффективное использование внешней памяти;
позволяет снизить количество вспомогательных обращений к внешней памяти до 1.5 - Е -- в общем числе обращений;
обладает наилучшими оперативными свойствами.
В качестве средств обслуживания рабочих набора данных ДО разработаны специальные программные средства. Для конкретного применения программ на языке Ассемблера и на языках еысоксго уровня предлагаются специальные макрокоманды и препроцегсорнне процедуры GETBUf. PL'TbliF В силу требований мультизадачного режима все модули и макрокоманды реентерабельны.
В четвертой главе рассматривается практическая реализация разработанного комплекса программ ДО и результаты его использования в ИВС СИ. организация данных, принятых в ИВС, комплексы прикладных программ .приема.
обработки информации ИВС. управление обработкой задач в оперативном и реальном контуре обработки данных, их взаимодействие с ДО.
В данной главе приводятся схема функциональной информационной взаимосвязи основных модулей ДО с описанием основных управляющих параметров, необходимой для функционирования ДО, структуры таблиц и массивов. Формируемых при инициализации и использовании ДО. С целью более оптимального использования оперативной памяти при разработке ДО принято динамическое распределение памяти организация данных.
На основе рассмотренных в предыдущих главах основ
ных компонент диалогового обеспечения ИВС были разрабо
таны и исследованы три варианта. Вся практическая работа
представляет собой итеративный ' процесс, в котором
чередуются этапы теоретического построения и анализа мо
делей и практической реализации экспериментального исс
ледования и публикаций, созданных на основе этих моде
лей. . .
Логическим завершением всей работы явилось создание комплекса программ (КП) диалогового обеспечения ИВС СН-КП "Диалог". КП "Диалог" построен на основе мультизадачной дисциплины обслуживания, специальных программных средств и многооконного режима ввода-вывода информации на терминалы.
КП "Диалог", построенный на основе предложенных в диссертации мультизадачного алгоритма функционирования, специального многооконного режима ввода-вывода на терминалы, организации использования оперативной и внешней памяти способен успешно решать все задачи диалогового обеспечения ИВС специального назначения. Также можно применять разработанные программные средства практически на любых информационно-вычислительных системах. Четкое структурное представление, использование технологии модульного программирования и высокая надежность, а также высокие временные* показатели работы, позволяют рассматривать ПК "Дп.члог" как базовый для создания на его основе различных диалоговых средств.
Предложенная методика создания программного обеспечения обработки директив пользователя основывается на практическом опыте разработок в этой области и позволяет систематизировать разработки программ обработки директив в соответствии с технологией объектно-ориентированного проектирования, являющейся одной из наиболее прогрессивных современных технологий проектирования. Эксплуатация КП "Диалог" в составе МПО ИВС специального назначения, а также акты о внедрении полностью подтвердили эффективность применяемых МЄТОДОЕ.
