Введение к работе
Акутальность проблеми. Стратегический курс ка ускорение социально-экономического развития страны, взятый на ХХУ11 съезде КПСС, предусматривает реконструкцию народного хозяйства на основе научно-технического прогресса. Одним из важнейших направлений научно-технического прогресса является номплекснрл автоматизация процессов управления сложными техническими объектами, базирующихся ка средствах вычислительной техники и техники связи. В СССР на 1986-1990 годы и на период до.2000 года предусмотрено: "Обеспечить рост объема производства вычислительной техники в 2-2,3 раза. Высокими темпами наращивать масштабы применения современных высокопроизводительных электронно-вычислительных машин всех классов. Продолжить создание и повысить эффективность работы вычислительных центров коллективного пользования, интегрированных банков данных, сетей обработки и передачи информации".
В условиях широкого внедрения АСУ и СОИ приходится решать ряд весьма сложных задач по рациональному выбору технических средств на этапе проектирования системы и по оптимальной организации процесса функционирования на етапе ее эксплуатации.
Характерными требованиями систем управления, использующих в качестве своих элементов Вычислительные системы (ВС), являются: необходимость выполнения большого объеме вычислений за ограниченные промежутки времени при случайном характере их возникновения ; высокая отказоустойчивость вычислительных процессов ; приспосабливаемое^ к изменениям Функций управления объектами ; возможность наращиввния вычислительной мощности и т.д. Основными среди глих требований являются высокая отказоустойчивость управления и готов-ност всего комплекса "Объект управления - система управления".
Устранение всех ис;очников отказов только за счет использования высоконадежных компонентов приводит к неопраадаин:му уело*-
нению системы. Это обстоятельство стимулирует разработку методов эффективного использования имеющихся ресурсов ВС. В связи с этим перспективным направлением обеспечения эффективного функционирования с заданной конфигурацией ресурсов является разработка и использование технологических методов организации вычислений эа счет введения различных видов избыточности (аппаратурной, временной и информационной), когда в качестве объекта управления выступает технологический процесс выполнения задания.
Эффективность массового применения управляющих вычислитель-» ных комплексов (УВК) и BG модульного построения в значительной степени определяется возможностями их проблемной ориентации, т.е. их адаптируемостью к разнообразным задачам пользователя, к разнородным требованиям конкретных применений.
Основным достоинством ВС (УВК) блочно-модульного построения является возможность компановки на их базе практически неограниченного количества проблемно-ориентировочных ВС (УВК) в зависимости от нужд польэов-теля, которые обеспечивавтся наличием большого количества наборов модулей с различными техническими характеристиками. Это позволяет считать проблему создания ВС (УВК) о варьируемым составом оборудования, обеспечивающим их эффективную адаптацию к различным применениям, важной народохозяйственной задачей.
Для широкого применения ВС (УВК) модульного построения необходимо разработать и внедрить в практику проектирования высокопроизводительную технологию по их компановке. Возможность технической реализации модульных систем ВО (УВК) обеспечивает решение задач эффективной проблемной ориентации комплексов. Успешное решение указанной задачи возможно только путем разработки соответ-ствутецих методов проектирования комплексов и систем на базе модульных средств вычислительной техники.
Введение аа последние несколько лет в практику научных раочвтов векторных, матричных, многомашинных и ыногоироцесоорних ВС ознаменовало начало новой эпохи. Замедление темпа роста производительности однопроцессорных ЭВМ и резкое уменьшение стоимости микропроцессоров стимулировали разработку ВС, обладающих високой степенью параллельности, надежности и готоьнооти.
Как уже было отмечено, одним из вакиейших свойств, соетав-ляощих качество ВС, которое существенным образом влияет на процесс ее функционирования, является надежность ее аппаратуры.
Надежность нукно считать одной из основных проблем современной техники.
Важность проблемы надежности обусловлена существенным
ущербом, который может возникать вследствие недостаточной надеяс-юотм этих систем, особенно при автоматизации технологических ігрегатов, с большой единичной мощностью, а также возрастанием шолеинооти персонала, занятого эксплуатацией систем и средств фоюлиленной автоматики. Для обеспечения высокой надежности ВС, > настоящее время применяются два основных подхода. Эти подходы гучне всего представлены в дуплексных системах и в системах о >еконфі;гурациеЯ. Почти псе существующие мультипроцессорные системі предусматривают использование реконфигурации для достижения шеоной надежности и в особенности наибольшей готовности гтриве-т к созданию мультипроцессорных систем. Важной особенностью (ультипроцеесорных и многомашинных сие і ем является возможность :онцентрации всех вычислительных ресурсов на решение одной зада-ги путем декомпозиции существующих программ на независимые зайвій и обеспечения цирхуллции данными между процессорами. Texfm-іесквл реализация мультипроцессорных систем предполагав] применив нескольких идентичных устройств обработки, функционирующих од единым управлением, каждое из которых может выполнять раз-
личные программы.
Другой подход - дуплексный - предусматривает пораллельнуо обработку данных для оцноґі и той ке задачи большим числом ^национальных блоков или несколькими целыми системами. Любое расхождение результатов, полученных отдельными устройствами, является первым признаком ошибки. Затем проводится контроль и неисправное устройство передается на восстановление
Организация параллельно!! обработки, связь проблем распараллеливания с архитектурой ЭВМ и ео надежностью, сие геми нрог- ' раммкровэния (создание операционной системы), методы и алгоритмы вычислений - являются основними вопросами, от решения которых зависит развитие высокопроизводительно:" и откпзоуотоичивои техники в настоящее времл.
Предмет її проблематика исследования. В качестве объектов исследования в диссертации выделены гри класса способов повыЕенп;; отказоустойчивости вычислительных систем: программные, использующие мрьменігую избыточность (временное резервирование), информационная избыточность и аппаратурное резервирование. Эти способи повышения отказоустойчивости могут быть заложены в систему ка~и?.> в отдельности, в любом сочетании или все одновременно. Анализу отих способов посвящено много научных публикаций. Известігас работы в этой области п основном ориентирован:; на изучение сравнительно простых моделей в стационарном состоянии с пуассоновекпм входящим потопом и экспоненциальным временем обслукивания. В связи с этим математическая модель часто не соответствует исследуемому объекту, что естественно затрудняет практическое использование результатов аналитического моделирования. Кроме того, многолинай-нне системы с аппаратурным и временным резервированием и с информационной избыточностью как системы массового обслуживания, пало изучены. Предполагаемая работа посвящена решению этой проблемы.
Целы) диссертационной работы является создание метода анализа функциональных возможностей некоторых избыточных объектов сложных информационно-вычислительных систем и сетей, d которых в качестве математической модели вибрано СМО; разработка способов повышения отказоустойчивости вычислительного процесса (ВП) и обеспечения максимальной пропускной способности технической скс-тоїзл за счет уменьшения потери времени по ликвидации последствий отказов, а также определение показателей надежности и зффектив-иозти ciiCTctrj обслуживания со многими СОСТОПНИЯІЛ1 функционирования.
Научная новизна и вклад в разработку проблемы. Нровоцен-
rTTjtrr;U,"JIl!T ~
ни Л а работе комплекс исследованийТосуїдестакть теоретическое обоб-г,ениь и решение крупної! научной проблемі, имеющей важное народохо-зяйственноа значение и заключающейся а создании методологических ochod и методов сисіеиного проектирования высокопроизводительных, откаэоустойчяЕых технических систем.
Поактипеская ценность и реализация результатов работы.
Основной практической целью диссертации является: создание конструктивных методов проектиросания высояонадекных технически;; опстем управления и обработки информации с аппаратурной, информационной и временной избыточностью (d частности, для разработки однопроцессорных, многопроцессорных и многомашинных БЛ с учетоа влияния систем юнтрслл работоспособное і и ВК на показа-' телн его эффективности) ; програианогоупопызения ОТКаэОуСТОПчН-ПОСТИ ЕЫЧИСЛИ'ГвЛЬНОГО Процесса путеїі СНИЯЄНИЛ ПСПрОИЗВьДИТелиШХ
потерь, связанных с ликвидацией последствия отказов и сбоев аппаратуры ; аналитические, практически пригодных выраиений для расчета всех основных показателей ньдеиносгн и технических систем со иногими состояниями их функционирования.
Диссертационная работа выполнялось в ранках госбюджетной и хоздоговорной тематики в соответствии с планами важнейших научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ при сотрулничвсті о соответствующими организациями но выполнению следующих заданий:
задание 30.05 программы 0.80.14, утвержденной ГНТК.Госплі ном СССР и АН СССР по созданию асооциативного многопроцессорного вычислительного комплекса (ТНИИСА НПО "Злва") ;
задание №888-215 от 30.07.87г. по постановлению Щ КПСС і СМ СССР и приказа минприбора №090 от 12.09.87г. по разработке "Средства программируемой автоматики СПА-ПС" шифр темы 7192 7019 !
по бюджетной теме'"Надежность технических систем с време» ной избыточностью". Проблема 55.03.05- Надежность и долговечность машин и механизмов (1983-1988 г.г.), утвержденный ГКНТ СССР и президиумом АН СССР).
Результаты диссертационной работы внедрены:
в Киевском институте автоматики НПО "Промавтоматика" при разработке темы 2С65,"АСУП'Ярославским шинный заводом в томе "Описание комплекса технических средств", этап "Технического проекта"
в ТНИИСА НПО "Элва" при разработке четырехпроцессорного і делнрующего комплекса - "метель" ; УВМ Тбилиси-Т для АСУ Собряково-ким цементным заводом ; АСВТД-М-Т000 ; информационно-вычислительной системы, "Комплекс-АСВТ", предназначенной для автоматизации коиниз энергоблоков тепловых и атомных электростанций; спец.УВМ "Лиман" ; "Многопроцессорного ассоциативного вычислительного комплекса" ; "Средства программируемой автоматики СПЛ ПС" в части разработки к< фигуратора для оптимального системного проектирования АСУП ТП на базе СПА ПС; "Специализированной встраиваемой микро-ЭВМ для атомні абсорбционных спектрофотометров (процессор ПС-ЗІ5)" и специализирі ванного усфш на базе ПС-ЗІ5 для управления хроматографом" ;
в НИИ Автоматической аппаратуры при оценках показателей
эффективности изделий, разрабатываемых предприятием на этапе их функционального проектирования.;
- в Институте прикладной математики им.акад.И.Н.Векуа Тбилисского гос.универоигета, при разработке темы: "Создание и внедрение ВЦ коллективного пользования "Университет", для автоматизации научно-исследовательских и учебных процессов.
Кроме того, результаты диссертации использованы в ряде организаций при выполнении работ по комплексированию двухпроцессорных и многомашинных систем.
Публикации. По тьме диссертации опубликованы 66 работ, вы-іолнено более 20 рукописных научных отчетов, результаты которых попользованы при выполнении аадмний ЦК КПСС, СМ СССР и ГКОТ. Основные результаты получены ь 56 работах. Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных сессиях, тучно-технических конференциях, совещаниях, симпозиумах в период і 1977 no IS39 г.г.: на Всесоюзных конференциях "Проблемы математического, программного и информационного обеспечения АСУ ТП" г.Черновцы, Т979 г.) и "Состояние, перспективы разработки и іримененил среде, в ВТ для управления ТП и автоматизации научного 'Ксперимента" (г.Северодонецк, 1979 г.) ; "Повышение качества и іадежносіи промышленных изделий" IX Ленинградская конференция 989 г. ; на Всесоюзных совещаниях "Высокопроизводительные БС" г.Тбилиси, 1961 г.), "Надежность и эффективность АСУ ТП и АСУП" г.Суэдаль, 1964г.), "Высокопроизводительные БС" (г.Батуми,1984г.) ; волах-семинарах по теории надежности (г. Ленинград, 1968г.), де диссертация в целостном виде докладывалась ; на республиканских конференциях "Вопросы разработки и внедрения средегв
10 ВТ и УВК в народнее хозяйство" (г.Тбилиси, 1977 г.), "Вопросы вычислительной техники" (г.Тбилиси, 1979 г.) ; на научной сессии Грузинского политехнического институте им.В.Н.Ленина (г.Тбилиси, Т989 г.).
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, пять глав, заключение, список литературы из 256 наименований и прилотения. Основное содержание работы изложено на 207 страницах машинописного текста. Приложения содержа г 44 таблиц, б оисунков и изложены на №6 страницах.
