Введение к работе
Актуальность работы. Возрастающие требования к надежности и эффективности программного обеспечения специализированных ЦВМ (СЦБМ), стоимости и- срокам его разработки приводят к необходимости создания технологий проектирования, базирующихся на нетрадиционных принципах и подходах. Среди них особое место занимает ,' технология проектирования, поддерживаемая инструментальной системами имитационного моделирования (ИСИМ), позволяющими реализовать концепцию виртуализации вычислительных средств и объектов управления.
В настоящее время для решения задач проектирования и анализа программного обеспечения (ПО) традиционно используются различного рода аппаратно-программные стенда, кроссовые и резидентные системы отладки. Однако их использование на этапах исследования эффективности архитектуры объектной вычислительной системы (ВС) и разработки соответствующего ПО, особенно для систем с параллельной и конвейерной обработкой информации, приводит к большим вычислительным - затратам и недостаточной точности. Кроме того, отсутствие в них средств воспроизведения динамики и адекватного функционально- временного отображения процесса исполнения программ приводит к невозможности осуществления в полном объеме комплексной динамической отладки с учетом воздействия внешних устройств АСУ реального времени.
Последние исследования в области создания систем автоматизации проектирования АСУ реального времени показывают, что решение указанных задач возможно лишь с помощью методов, учитывающих специфику реализуемых функций по совмещению эмуляционных и вычислительных процессов при имитации исполнения программ. В диссертационной работе предлагается для этих целей использовать методы, основанные на создании виртуальных ЭВМ и ИСИМ на их основе, обеспечивающих параметричность архитектуры, "прозрачность" вычислительных процессов в виртуальной ЭВМ для пользователя, удобство доступа к любой интересующей его информации, приемлемое время реакции и т. д. В то же время, анализ существующих разработок и литературы по теме диссертации показывает, что предлагаемые рядом эвторов подходы к созданию автоматизированных систем проектирования на базе виртуальных ЭВМ слабо разработаны, достаточно :ложны в реализации и позволяют решить лишь часть проблем.
Цель работы. Целью диссертации является разработка методов. повышения эффективности виртуальных ЭВМ в системах автоматизации проектирования программного обеспечения АСУ реального времечи.
Эта цель достигается в результате исследования эффективности традиционных методов эмуляции вычислительных процессов (ВП) и возможности их использования при построении виртуальных ЭВМ, анализа инструментальных погрешностей машинных арифметических операций и выделения точностных компонентов ВП, разработки и исследования новой схемы эмуляции ВП, сочетающей принципы аппаратной и программной интерпретации инструкций объектной СЦВМ (ОВМ), разработки типоеых компонентов для построения алгоритмов, реализующих новую схему эмуляции, разработки методики построения и исследования алгоритмов точного имитационного моделирования вычислительных процессов, 'обеспечивающих повышение эффективности виртуальных ЭВМ' в ИСШ на их основе, разработки и исследования-программного комплекса, реализующего функции имитации ВП.
Методу исследования. При исследовании ВП в различных типах ОВМ для шделения их точностных компонентов, а также при разработке модели ВП использовались арифметические и логические основы построения ЭВМ, теория точности алгоритмов и вычислений на ЭВМ, основные положения теории имитационного моделирования.
Доказательства истинности утверждений о возможности или невозможности совмещения эмуляционных и вычислительных процессов в инструментальных ЭВМ (ИВМ)," используемые для получения типовых компонентов, основаны/на аппарате математической логики.
Оценка эффективности алгоритмов псевдоаппаратной эмуляции и проверка адекватности имитации ВП проведены в соответствии с основными положениями и выводами теории анализа и построения алгоритмов, теории верификации и тестирования сложных программных комплексов.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:
1)Впервые обоснована возможность псевдоаппаратной эмуляции, основой которой является имитация команд ОВМ путем исполнения функционально- эквивалентных команд ИВМ с последующей коррекцией результата.
2 Определены наиболее важные показатели эффективности виртуальных ЭВМ и получены соотношения для количественной оценки временных и емкостных характеристик программ, реализующих
алгоритмы псевдоаппаратной эмуляции.
3)Впервые построена математическая модель.. псевдоаппаратной эмуляции, учитывающая точностные компоненты вычислительных процессов в объектной и инструментальной ЭВМ.
4)Впервые сформулированы и доказаны утверждения о компенсации погрешности псевдоаппаратной эмуляции при заданных комбинациях точностных компонентов вычислительных процессов В ОВМ И ИВМ И получен набор типовых компонентов для построения алгоритмов псевдоаппаратной эмуляции.-
Б)Предложена методика компоновки алгоритмов псевдоаппаратной эмуляции из типовых компонентов.
6)Разработана методика построения специальных тестев для проверки адекватности псевдоаппаратной эмуляции ВП.
Практическая ценность. Разработана методика построения виртуальных ЭВМ, использующих псеЕДоаппаратную эмуляцию, для проектирования программного обеспечения АСУ реального времени. Типовые компоненты псевдоаппаратной эмуляции, включены в состав инструментального программного комплекса, являются'независимыми и построены по модульному принципу, что делает их открытыми как з части расширения, так и в части модификации Функциональных возможностей. Применение программного комплекса позволяет существенно сократить временные затраты на эмуляцию ПО однопроцессорных СЦВМ и ВС с параллельной архитектурой и требуемую память ИВМ.
Опыт практического использования комплекса показал, что он может быть применен для проектирования имитационных моделей СЦВМ с различными способами организации вычислительных процессов (ОКОД, МКОД, ОКМД, МКМД), а также для построения систем, базирующихся на программных эмуляторах или содержащих имитацию выполнения арифметических операций одной ЭВМ на другой.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы реализованы в виде алгоритмов и программ, которые использовались при построении ИСШ на базе виртуальных ЭВМ "Азов", "Апрель", "Лада", "Сигнальный транспьютер", обеспечивающих автоматизированную разработку ПО соответствующей вычислительной системы на ИВМ (EC-1Q6Q, CM-142Q, IBM PC/AT 386) вместо использования реальных СЦВМ или дорогостоящи специальных стендов. Указанные ИСШ внедрены в НПО "Агат" (г.Москва) и переданы в опытную эксплуатацию в ЦНИИ "Океанприбор" (г.С.-Петербург), НПО "Квант" (г.Киев), НПО "Славутич" (г.Киез).
В диссертации автор защищает:
і )обоснование возможности псевдоаппаратной эмуляции, базирующейся на имитации команд объектной СЦВМ путем исполнения функционально- эквивалентных команд инструментальной ЭВМ с последующей коррекцией результата.
-
)Соотношения для оценки эффективности алгоритмов псевдоаппаратной эмуляции.
-
Математическую модель пееЕдоаппарзтной эмуляции вычислительного процесса, используемую для построения виртуальных ЭВМ в ИСИМ.
4Утверждения о компенсации погрешности псевдоаппаратной эмуляции.
5)Методику компоновки алгоритмов псевдоаппаратной эмулящш БП из типових компонентов.
6)Методику проверки адекватности псевдоаппаратной эмулящш.
V Шрсграммно-алгоритмический комплекс, реэлизукг.:й функции имитации (псевдоаппаратной эмуляции) вычислительных процессов.
Аппробация работы. Основные положения и результаты диссертационной раооты доісладавались к обсуждались на следующих научных семинарах и конференциях: XXXI научной конференции преподавателей, сотрудников и студентов МИФИ (1985г.); научных семинарах кафедры "АСУ ТП" МИФИ (1937, 1988, 1989, 1990гг.); на Всесоюзном научном семинаре "Интерактивные диалоговые системы в вычислительных комплексах и сетях ЭВМ" (г.Москва, 198ог.); на IX Всесоюзном координационном совещании "Математическое обеспечение интеллектуальных систем САПР-ГАП" (г.Орджоникидзе, 1988г.); на Всесоюзной конференції!! "Моделирование систем ' информатики" (г.Новосибирск, 1983г.); на IV Всесоюзной научно-технической конференции "Математическое, алгоритмическое и техническое обеспечение АСУ ТП" (г.Ташкент, 1988г.); на Республиканской конференции "Проблемно- ориентированные диалоговые системы" (г.Батуми, 1988г.); на VIII Всесоюзной научно-технической конференции "Машинное моделирование" (г.Москва, 1991г.).
Публикации. Основные положения и результата диссертации отражены в 24 научных работах, 10 из которых- печатные.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы (95 наименований) и приложений. Работа содержит (без учета приложений) 163 страницы машинописного текста, включая 42 рисунка и 4 таблицы. Приложения содержат 53 страницы.
