Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Процедуры и устройства коммутации в многопроцессорных управляющих системах 12
1.1. Организация многопроцессорных систем логического управления 12
1.1.1 Структурная модель 12
1.1.2 Функциональная организация 20
1.2. Задача коммутации в многопроцессорных управляющих системах 22
1.2.1 Содержательная характеристика задачи коммутации 22
1.2.2 Влияние алгоритма управления на коммутацию 23
1.2.3 Варианты взаимодействия модулей управления и коллектива объектов управления 25
1.3- Коммутаторы для многопроцессорных управляющих систем 28
1.3.1 Статические коммутаторы 32
1.3.2 Динамические коммутаторы 45
1.4. Динамические коммутаторы с коммутацией пакетов 47
1.5. Коммутация в отказоустойчивых многопроцессорных управляющих системах.. 51
1.6. Выводы по главе 59
ГЛАВА 2. Процедура коммутации с распределенными выходными очередями для параллельных многопроцессорных систем логического управления 61
2.1. Содержательная постановка задачи 61
2.2. Формализованная постановка задачи 64
2.3. Процедура коммутации с распределенными выходными очередями 68
2.3.1. Общие особенности процедуры 68
2.3.2. Концептуально - логические основы процедуры 69
2.3.3. Функционирование предложенной процедуры, алгоритм коммутации 70
2.4. Анализ свойств процедуры коммутации 78
2.4Л. Исследование графа коммутации 78
2.3.2. Исследование процедуры на наличие тупиковых ситуаций 81
2.3.3. Оценка аппаратной сложности процедуры коммутации 81
2.5. Выводы по главе 83
ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование процедуры с распределенными выходными очередями 84
3.1. Постановка эксперимента 84
3.2. Описание аппарата расширенных Q-схем 86
3.3. Архитектура библиотеки классов моделирования 92
3.4.,Q-схемы исследуемых коммутаторов 102
3.5. Анализ результатов моделирования 112
3.6. Выводы по главе 129
ГЛАВА 4. Аппаратная реализация коммутатора 130
4.1. Функциональная схема базового модуля коммутации 130
4.2. Построение масштабируемого коммутатора 141
4.3. Коммутатор отказоустойчивой многопроцессорной системы логического управления 148
4.4. Выводы по главе 156
Заключение 157
Список литературы
- Организация многопроцессорных систем логического управления
- Варианты взаимодействия модулей управления и коллектива объектов управления
- Процедура коммутации с распределенными выходными очередями
- Описание аппарата расширенных Q-схем
Введение к работе
Актуальность темы. Параллельные многопроцессорные системы логического управления (МСЛУ) - одно из перспективных направлений развития систем управления сложными процессами и коллективами процессов. Разработкой подобных систем занимаются ведущие мировые производители вычислительной техники: Siemens AG, ADVANTECH, Allen-Bradley, Weidmuller, Schneider electric. Данные системы позволяют решать круг задач управления, где необходима высокая динамика регулирования, точность вычислений и обширная функциональность, таких как: регулирование крутящего момента, частоты вращения и позиционирования в приводах постоянного и переменного тока; высокодинамичные гидравлические приводы; регулирование синхронности вращения; работа компенсирующих валиков; регулирование натяжения в работе наматывающих устройств; приводы с несколькими двигателями; испытательные стенды для редукторов и двигателей; комплексный расчет заданных значений и регулирование поперечной резки; «прочные» электрические валы; особые условия применения выпрямителей тока, например, при регулировании тока возбуждения, в работе высоковольтных агрегатов постоянного тока, в статических установках компенсации реактивного тока. Использование подобных систем позволяет достичь высокой оперативности управления, однако их возможности ограничены коммутационной составляющей.
Существующие лучшие системы, такие как Simatic S-300 (S-400), с модулями SYMADYN D обеспечивают коммутацию лишь 24x24 интерфейсных 32-сигнальных модулей, что не позволяет должным образом реализовать управление сложными объектами, такими как железопрокатные станы, технологические установки, где используется многоуровневая обратная связь. Кроме того, использование внутренней шины в качестве межмодульного коммутатора в приведенных системах не обеспечивает достаточного уровня надежности. Это не позволяет применять подобные системы в управлении производством, простой которого вызывает большие экономические потери,
например, в процессе обработки ценных материалов (фармацевтическая промышленность); в системах с высокими затратами на перезапуск производства в случае отказа контроллера; в системах без постоянного контроля со стороны обслуживающего персонала; в системах с небольшим количеством обслуживающего персонала.
Существующие динамические коммутаторы, применяемые в различных сферах вычислительной техники, имеют предел в размерах коммутатора -32x32, сложные весовые алгоритмы и централизованную схему управления, что делает невозможным их применение в подобных системах.
В связи с этим актуальной проблемой теории и практики параллельных систем логического управления является создание коммутаторов с минимальной задержкой обмена сообщениями между объектом управления и модулями управления, высоким уровнем отказоустойчивости и теоретически неограниченной масштабируемостью. При этом сложность аппаратно-программной составляющей должна сохранятся на приемлемом уровне.
Предметом исследования являются процессы высокоскоростной коммутации коллективов модулей и объектов управления параллельной многопроцессорной системы логического управления при увеличении ее масштабируемости и отказоустойчивости.
Работа выполнена в соответствии с программой П.Т.614 "Многопроцессорные ЭВМ с параллельной структурой и системы виртуальной реальности", приказ Министерства общего и профессионального образования Российской Федерации №572 от 2.03.98 г.
Основная часть диссертационной работы выполнена в рамках плана научно-исследовательских работ Курского государственного технического университета по единому заказ-наряду Министерства образования Российской Федерации в 1998-2003 годах, утвержденному начальником управления планирования и финансирования научных исследований.
Целью работы является обеспечение высокоскоростного взаимодействия модулей и объектов управления параллельной многопроцессорной системы
7 логического управления, при повышении ее масштабируемости и
отказоустойчивости на основе разработки коммутатора с распределенными
выходными очередями.
Основными задачами являются:
Анализ возможностей повышения быстродействия, масштабируемости и отказоустойчивости существующих процедур коммутации и коммутаторов на их основе.
Разработка процедуры коммутации, обеспечивающей высокоскоростное взаимодействие модулей и объектов управления при повышении масштабируемости и отказоустойчивости параллельных МСЛУ.
Создание коммутатора, реализующего разработанную процедуру коммутации.
Аналитическое и экспериментальное исследование характеристик разработанных процедуры и коммутатора.
Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключена в следующем:
1. Проведен анализ быстродействия, масштабируемости и
отказоустойчивости существующих процедур коммутации и требований МСЛУ
к сети связи с объектами управления.
Созданы алгоритм и процедура коммутации с распределенными выходными очередями, обеспечивающие максимизацию числа пар коммутируемых абонентов (мощности множества ребер графа коммутации) и отсутствие тупиковых ситуаций при обработке сообщений с разными характеристиками потоков,
Получены зависимости средней и максимальной задержки сообщений, а также количества потерянных сообщений от интенсивности потоков поступающих сообщений для равновероятного и неравновероятного распределений получателей сообщений, подтвердившие увеличение скорости взаимодействия.
4. Разработан способ увеличения размера коммутации на основе
процедуры коммутации с распределенными выходными очередями, что позволяет создать коммутатор с теоретически неограниченной масштабируемостью.
5. Подтверждена возможность применения разработанной процедуры
коммутации в коммутаторе отказоустойчивой системы логического
управления, использующей метод скользящего резервирования со сдвигом.
Методы исследования основаны на использовании математического аппарата и методов теории графов, теории надежности технических систем, теории проектирования автоматов и дискретных схем, теории топологического проектирования однородных структур, теории систем массового обслуживания.
Практическая ценность диссертационной работы заключена в следующем:
1. Разработаны алгоритм и процедура коммутации, позволяющие
увеличивать масштабируемость и отказоустойчивость параллельной МСЛУ без
ограничений, присущих известным методам.
Коммутаторы, реализованные на основе созданной процедуры, позволяют уменьшить среднее время задержки на 2-5% по сравнении с известными.
На основе разработанной процедуры предложены структурные и функциональные схемы: базового модуля коммутатора, обеспечивающего коммутацию в соответствии с графом максимальной коммутации, масштабируемого коммутатора, пригодного для построения коммутаторов с размером коммутации более 1024x1024 в одном каскаде, коммутатора отказоустойчивой МСЛУ, обеспечивающего динамическую перекоммутацию коллектива объектов управления и коллектива модулей управления, начавших исполнение новых алгоритмов после отказов модулей.
4. Усовершенствован аппарат Q-схем в части имитационного
моделирования коммутаторов и коммутационных процедур, реализованный в
библиотеке классов для исследования характеристик коммутационных
процедур и коммутаторов.
9 Основные технические решения защищены патентами (№2175144,
№2175146).
Реализация и внедрение. Результаты диссертационной работы были использованы в учебном процессе Курского государственного технического университета и внедрены на предприятиях, в частности, в ООО «Компания ДЕМОС», г. Москва и ЗАО «Агентство сетевых технологий», г. Москва, что подтверждается соответствующими актами.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на 4-й МНТК «Новые информационные технологии и системы» (г. Пенза, 2000), на межвузовской электронной НТК «Управляющие и вычислительные системы. Новые технологии» (г. Вологда, 2001), на Всероссийской ЭНТК «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве» (г. Н. Новгород, 2000), на 2-й Всероссийской НТК «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве» (г. Н. Новгород, 2000), на 5-й МЭНК «Современные проблемы информатизации в непромышленной сфере и экономике» (г. Воронеж, 2000), на IV Международной научно-технической конференции «Медико-экологические информационные технологии - 2001» (г. Курск 2001) и на научно-технических семинарах кафедры «Вычислительная техника» Курского государственного технического университета с 1999 по 2003 гг.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в трех статьях, 8 тезисах и материалах докладов и защищены 3 патентами на изобретения. В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателем предложены: в [48,55,56] - основные критерии анализа существующих моделей коммутации, в [50,57] - алгоритм и процедура коммутации с распределенными выходными очередями, в [52] - способ увеличения размера коммутации, в [53] - техническое решение, реализующее разработанную процедуру в отказоустойчивой МСЛУ, в [37,47,49,51,54,60,61] -отдельные решения построения масштабируемых, отказоустойчивых коммутаторов МСЛУ.
На защиту выносятся:
1. Алгоритм и процедура коммутации с распределенными выходными
очередями.
Способ увеличения размера коммутации на основе коммутатора, реализующего процедуру коммутации с распределенными выходными очередями.
Структурные и функциональные схемы базового модуля коммутации, масштабируемого коммутатора, коммутатора отказоустойчивой параллельной МСЛУ, основанные на процедуре коммутации с распределенными выходными очередями.
Результаты аналитического и экспериментального исследования характеристик разработанной процедуры и коммутаторов.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 220 страниц, включая 50 рисунков, 4 таблицы, список литературы из 144 наименований.
Во введении к диссертации обоснована ее актуальность, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна, практическая ценность, основные научные положения, выносимые на защиту, и приведено краткое содержание каждой из глав.
В первой главе рассмотрена структурная и функциональная организация параллельных многопроцессорных систем логического управления, исследовано влияние алгоритмов управления и связности коллективов модулей управления и объектов управления на подсистему связи с объектами управления, проведен анализ существующих коммутаторов, рассмотрены перспективные модели динамических высокоскоростных коммутаторов, проанализирована организация отказоустойчивой многопроцессорной системы логического управления с использованием метода скользящего резервирования со сдвигом.
Во второй главе приведена формализованная постановка задачи синтеза процедуры коммутации, представлены общие особенности процедуры
коммутации с распределенными выходными очередями, рассмотрены концептуально - логические основы процедуры и алгоритм коммутации, проведено аналитическое исследование графа коммутации процедуры, анализ процедуры на наличие тупиковых ситуаций, исследование аппаратной сложности процедуры.
В третьей главе представлены результаты экспериментального исследования свойств разработанной процедуры коммутации. Описана постановка эксперимента, усовершенствован аппарат Q-схем для имитационного моделирования, архитектура библиотеки классов моделирования, Q-схемы исследованных моделей коммутационных процедур. Получены зависимости средней задержки, максимальной задержки сообщений, количества потерянных сообщений от интенсивности потока входящих сообщений.
В четвертой главе описана аппаратная реализация процедуры коммутации с распределенными выходными очередями, в частности, базовый модуль коммутации, масштабируемый коммутатор и коммутатор отказоустойчивой МСЛУ.
В заключении приведены основные результаты, полученные в диссертационной работе.
Области возможного применения. Результаты диссертационной работы могут найти применение при построении параллельных многопроцессорных систем логического управления, к которым предъявляются повышенные требования в части обмена между коллективом объектов управления и модулями управления и сложности управляющих алгоритмов, а также обеспечения надежности и непрерывности функционирования в условиях отказов отдельных элементов. Областью применения параллельных МСЛУ являются системы логического управления станочными и робототехническими комплексами, сборочными автоматами, энергетическими установками, АСУТП низового уровня, системами сбора, контроля и обработки данных в электроэнергетике. Помимо основной области использования возможно применение разработанной процедуры коммутации в центральных коммутаторах узлов связи WAN, мобильных и спутниковых сетей.
Организация многопроцессорных систем логического управления
Одним из главных факторов повышения комплексной эффективности технических систем, используемых в промышленности, науке, транспорте, энергетике, связи и др., и как следствие производительности труда, является их автоматизация на основе широкого применения средств автоматизированного и автоматического управления. Особый интерес представляет автоматизация сложных динамических производственных объектов, систем и процессов с многоуровневой обратной связью. При этом одной из задач является создание и совершенствование методов и средств коммутации модулей управления и производственных объектов, характеризуемых дискретностью порождаемых ими процессов.
Дискретными называются объекты и процессы, имеющие конечное множество вполне различимых состояний и находящиеся в одном из них или в некотором их подмножестве [16]. Систему, реализующую функции управления дискретными объектами и процессами, называют системой логического управления (СЛУ) [16].
Система логического управления в самом общем виде может быть описана моделью вычислительного устройства В.М. Глушкова, состоящей из управляющего автомата (М), операционного автомата (S) и линий связи (рис. 1.1).
Операционный автомат, представляющий собой дискретный объект или процесс, находится в одном из конечного множества состояний и переходит в другое состояние при поступлении на вход управляющего воздействия I, представляющего собой некоторый символ из конечного входного алфавита. Для индикации состояния объекта или процесса используются сигналы логического условия О, формируемые различными датчиками и другими устройствами, и представленные символами из конечного выходного алфавита. Управляющий автомат на основании алгоритма управления и сигналов логического условия формирует управляющее воздействие, передаваемое операционному автомату, чем обеспечивает исполнение алгоритма управления. Обобщенная структурная схема многопроцессорной СЛУ [17,63] (МСЛУ) представлена на рис. 1.2. Функциональной частью управляющего автомата является коллектив модулей управления (процессоров), который образован совокупностью идентичных с функциональной и конструктивной точек зрения модулей управления (МУ) и сетью межмодульного взаимодействия, обеспечивающей передачу сообщений между МУ. Каждый модуль управления состоит из функционального (ФЭ) и коммуникационного элементов (КЭ). Назначение ФЭ состоит в реализации участков алгоритма управления, назначенных этому модулю. Каждый ФЭ включает в себя две логически обособленные составляющие: блок управления (БУ) и блок функционального расширения (БФР). Блок управления непосредственно осуществляет заданный участок алгоритма управления посредством выдачи сигналов управляющего воздействия и приема сигналов логического условия. БФР реализует ряд дополнительных функций, необходимых при исполнении сложных параллельных алгоритмов, а именно управление синхронизацией параллельных процессов, кодирование и декодирование адресов передачи и приема управления, преобразование форматов сообщений и др. КЭ предназначены для передачи и приема управляющей информации от КЭ других модулей. Каждый КЭ в конструктивном смысле является элементом МУ и выполняет две группы функций. Первая из них относится к управлению обменом информацией с собственным ФЭ, вторая связана с организацией взаимодействия с другими коммуникационными элементами. КЭ объединяются в коммуникационную сеть (КС) межмодульного взаимодействия, обеспечивающую сопряжение и информационный обмен модулей управления. Модули управления подключаются к коллективу объектов управления с помощью устройств сопряжения с объектом (УСО) и соответствующей сети связи с объектами управления (ССОУ), которые в совокупности обеспечивают сопряжение и оперативное взаимодействие между отдельными объектами управления и коллективом модулей управления. В зависимости от природы и характера объектов управления и, соответственно, от формы и параметров сигналов, воспринимаемых ОУ, устройство сопряжения с объектом управления обеспечивает реализацию следующих функций: усиление (ослабление) мощности; согласование формы сигналов МСЛУ с формой сигналов в ОУ; фиксация уровней сигналов в случае необходимости длительного воздействия на исполнительные механизмы ОУ или если длительность сигналов, формируемых ОУ, меньше такта МСЛУ; преобразование уровня сигналов, преобразование кодов. В случае если ОУ наряду с цифровыми сигналами вырабатывает аналоговые дискретные сигналы логических условий и требует аналогичных форм представления сигналов управляющего воздействия, УСО осуществляет следующие дополнительные функции: согласование способов представления сигналов, включающее аналого-цифровое преобразование, дискретно-цифровое, цифро-аналоговое, цифро-дискретное преобразования; нормализацию и фильтрацию сигналов; функциональное преобразование и др. [16].
Варианты взаимодействия модулей управления и коллектива объектов управления
Для анализа пространственной составляющей интенсивности загрузки коммутатора ССОУ рассмотрим варианты взаимодействия модулей управления с коллективом объектов управления:
1. Один к одному (рис. 1.8(a)). Каждый модуль управления формирует сигналы управляющего воздействия только для одного объекта управления, каждый объект управления формирует сигналы логического условия только для / МУ і ОУ і л одного модуля управления (а г =1; ? 2=1 )
2. Один к нескольким (рис, 1.8(6)). Каждый модуль управления формирует сигналы управляющего воздействия для нескольких объектов управления, каждый объект управления формирует сигналы логического условия только для одного модуля управления (a j = N-J3; а( У2=1, где (N-(3) - число параллельно управляемых объектов управления).
3. Несколько к одному (рис.1.8(B)). Каждый модуль управления формирует сигналы управляющего воздействия только для одного объекта управления, каждый объект управления формирует сигналы логического условия для нескольких модулей управления (с г 1; с У2= N-х, где (N-%) -число параллельно получающих сигналы логического условия модулей управления).
4. Несколько к нескольким (рис.1.8(г)). Каждый модуль управления формирует сигналы управляющего воздействия для нескольких объектов управления, каждый объект управления формирует сигналы логического условия для нескольких модулей управления (а г = N-0; а 2= N-%).
5. Один ко всем (рис.1.8(д)). Каждый модуль управления формирует сигналы управляющего воздействия для каждого объекта коллектива объектов управления, каждый объект управления формирует сигналы логического условия только для одного модуля управления (ому2 =N; aov2=l)
6. Все к одному (рис. 1.8(e)). Каждый модуль управления формирует сигналы управляющего воздействия только для одного объекта управления, каждый объект управления формирует сигналы логического условия для всех модулей управления (аму2 = 1; aov2=N)
7. Несколько ко всем (рис.1.8(ж)). Каждый модуль управления формирует сигналы управляющего воздействия для всех объектов управления, каждый объект управления формирует сигналы логического условия для нескольких модулей управления (aMV2 =N; aoy2= N x)
8. Все к нескольким (рис.1.8(з)). Каждый модуль управления формирует сигналы управляющего воздействия для нескольких объектов управления, каждый объект управления формирует сигналы логического условия для всех модулей управления (aMy2 = N-p; aoy2= N)
9. Все ко всем (рис. 1.8(и)). Каждый модуль управления формирует сигналы управляющего воздействия для всех объектов управления, каждый объект управления формирует сигналы логического условия для всех модулей управления (aMy2 = N; аоу2= N)
Данные по изменению величины интенсивности загрузки коммутатора ССОУ в зависимости от типа управляющего алгоритма и степени связности модулей управления и объектов управления приведены в табл. 1.1.
При рассмотрении табл. 1.1 видно, что значение интенсивности загрузки коммутатора ССОУ является наибольшим при параллельном алгоритме управления без взаимодействующих ветвей и полносвязном взаимодействии коллектива модулей управления с коллективом объектов управления (все ко всем), @=2N2. Отсюда следует, что коммутатор ССОУ должен обладать возможностью одновременной коммутации 2N сообщений.
Коммутатор сети сопряжения с объектами управления современных МСЛУ обеспечивает взаимодействие достаточно больших коллективов МУ и ОУ, 100x100 и более. В связи с этим, коммутаторы, реализующие ССОУ, должны обладать достаточно высокой наращиваемостью (N 100).
Таким образом, коммутатор сети связи с объектами управления должен обеспечивать минимальную задержку сообщений при высокой интенсивности поступающих сообщений (max=2N ) и достаточно большом количестве входов (N 100).
Процедура коммутации с распределенными выходными очередями
В главе 1 была рассмотрена функциональная модель работы системы логического управления, и было выяснено, что максимальная интенсивность сообщений возникает при параллельном алгоритме управления без взаимодействующих ветвей и степени связности NxN. Анализ функциональной модели выявил наличия трех режимов работы коммутатора ССОУ: режим настройки, режим эксплуатации и режим реконфигурации.
При первом режиме работы, включающем фазу инициализации, устройство управления верхнего уровня производит выбор общего алгоритма управления, исполняемого МСЛУ, обеспечивает распределение частных алгоритмов управления между модулями управления. УУВУ путем подачи управляющего кода настройки ССОУ для модели ССОУ с централизованным управлением осуществляет настройку сети связи модулей управления с коллективом объектов управления. Для модели с децентрализованным управлением настройка ССОУ осуществляется передачей адресных сигналов объектами управления и модулями управления в ССОУ. Настройка ССОУ предполагает организацию каналов связи для коммутаторов со схемной коммутацией, а для сети связи с коммутацией пакетов назначение коммутаторам виртуальных адресов. Время, отводимое на реализацию данной фазы, может быть на 1 -2 порядка больше среднего времени передачи сообщений через ССОУ. Минимизация времени исполнения данной фазы необходима при частой смене общего алгоритма управления и, как следствие, многократном повторении данной фазы. После завершения фазы инициализации происходит переход к режиму эксплуатации.
Режим эксплуатации включает в себя следующие фазы: - формирование сообщения логического условия объектом управления; - передача сообщения через сеть связи с объектами управления модулям управления - получателям; - прием сообщения логического условия модулем управления - получателем, выполнение модулем управления частного алгоритма управления; - формирование сообщения управляющего воздействия модулем управления; - передача сообщения управляющего воздействия через сеть связи с объектами управления объекту управления - приемнику; - прием сообщения управляющего воздействия объектом управления -приемником, исполнение объектом управления - приемником действия, соответствующего сообщению управляющего воздействия.
Эти фазы многократно повторяются, чем обеспечивается функционирование МСЛУ. Требования к быстродействию передачи сообщений в данном режиме исключительно высоки. От организации взаимодействия модулей управления с коллективом объектов управления напрямую зависит качество управления, поэтому при разработке моделей организации обменного взаимодействия между МУ и коллективом ОУ в целях минимизации суммарного времени обмена сообщениями управляющего воздействия и логического условия следует ориентироваться на их последующую аппаратную организацию. Основную часть времени работы МСЛУ ССОУ находится именно в этом режиме,
Переход к режиму реконфигурации, происходит в случае нарушения функционирования МСЛУ, проявившегося из-за отказа модуля управления или линии связи. При возникновении данной ситуации система логического управления осуществляет перестройку структуры (реконфигурацию), заключающуюся в перераспределении общего алгоритма управления между модулями управления. Эта перестройка МСЛУ требует от сети связи с объектами управления оперативной перекоммутации между модулями управления и коллективом объектов управления. Алгоритм реконфигурации, как правило, заранее известен и закладывается при проектировании МСЛУ. Временные требования к ССОУ при перекоммутации модулей достаточно высоки, что объясняется необходимостью непрерывного функционирования системы логического управления. Время перекоммутации не должно быть больше времени перестройки структуры МСЛУ. Второе требование к ССОУ при реконфигурации МСЛУ - обеспечение гарантированной доставки сообщений сообщений, адресованных отказавшему модулю, к модулю, взявшему на себя его функции.
Исходя приведенных выше замечаний, следует, что основным требованием к коммутатору ССОУ является обеспечение минимальной задержки сообщений логического условия и сообщений управляющего воздействия. Другим существенным требованием при обеспечении взаимодействия коллективов МУ И ОУ является размерность коммутатора, иными словами возможное количество коммутируемых модулей управления и объектов управления. Современные МСЛУ допускают создание управляющих устройств, состоящих из 1024 модулей, которые управляют не менее сложным составным объектом [142]. То есть, важным критерием качества функционирования МСЛУ является наращиваемость коммутатора ССОУ. Современные динамические коммутаторы обеспечивают коммутацию не более чем 32x32 в одном каскаде [107].
Описание аппарата расширенных Q-схем
Исследование характеристик функционирования коммутатора практически невыполнимо аналитическими методами из-за сложности получающихся математических моделей. Поэтому для анализа разработанной процедуры коммутации и существующих модулей использовались средства имитационного моделирования, на основе которых была построена библиотека классов моделирования.
Если рассматривать коммутатор как систему массового обслуживания, то его функционирование можно описать на языке Q-схем, в котором объектами обслуживания (обработки) являются сообщения или пакеты. Сообщения поступают в массовом порядке, моменты их поступления образуют поток, удовлетворяющий свойствам потока Пуассона (простейшего потока). Обработка сообщений выполняется также случайное время, которое зависит от текущей длины очередей сообщений в буферах, интенсивности их поступления, времени обслуживания заявок, а также других факторов.
Q-схема - полуформальный графический язык, который легко вписывается в рамки объектно-ориентированного подхода. Он универсален и позволяет описывать системы широкого класса. Поэтому данный язык был использован при решении задачи имитационного моделирования.
Q-схема - это граф, вершины которого отображают элементы системы (реальные или вспомогательные абстракции), а дуги связывают элементы между собой. Все вершины разделяются на 4 вида в зависимости от того, какой элемент они моделируют. Связи делятся на 2 вида. Графическое изображение используемых базовых элементов для построения Q-схем дано на рис.3.2 (а-г).
Первый элемент, представленный на рис. 3.2(a), обозначает генератор заявок. Его функция - имитировать поступление заявок в систему извне в соответствии с некоторым законом распределения. Параметр X задается в соответствии с законом распределения. Если закон экспоненциальный, то X является интенсивностью потока заявок. При равномерном законе X является интервалом возможных значений.
Второй элемент, представленный на рис. 3.2(6) - канал. Его функция -имитация обработки заявки в течение времени, определяемого некоторым законом распределения времени обслуживания заявок. Параметр п. аналогичен параметру X для генератора.
Третий элемент представленный на рис. 3.2(B) - накопитель (или очередь). Он имитирует в схеме возможные скопления заявок. Накопитель характеризуется предельной длиной очереди - L. Она может быть бесконечной (накопитель без потерь) или ограниченной (накопитель с потерей заявок). Также накопитель характеризуется дисциплиной обслуживания заявок. Типовые дисциплины - FIFO (первым пришел - первым ушел) и LIFO (первым пришел -последним ушел), но возможны и иные дисциплины обслуживания, например, случайный выбор заявок.
Четвертый элемент - треугольник - это клапан (рис.3.2(г)). Он имитирует управление потоками заявок. Например, он может блокировать прохождение заявок или, наоборот, разрешить в зависимости от значений некоторых управляющих сигналов, которые поступают от других элементов по управляющим линиям.
Связи в Q-схеме разделяются на два типа. Информационные связи -изображаются сплошными стрелками (синими) (рис.3.2) - отображают пути прохождения заявок в системе. Управляющие связи - изображаются пунктирными стрелками (красными) (рис. 3.2) - передают управляющее воздействие на элементы Q-схем. На связи накладывается ряд ограничений. Так, генератор (если он не является управляемым) не может иметь входящих линий и обязан иметь хотя бы одну выходную информационную. Входящие управляющие связи допускаются только у клапанов (минимум - одна связь, максимум не ограничивается). Выходящие управляющие связи допустимы только у каналов и очередей. Число данных связей произвольно.
Базовый набор элементов Q-схем не достаточно эффективно позволяет удовлетворить требованиям при построении моделей коммутаторов. Приходится разрешать некоторые ситуации, возникающие при построении, с помощью достаточно сложных схем, использующих множество клапанов и дополнительных связей. Для упрощения решения таких задач в данной работе было предложено ввести дополнительные элементы с четко определенным синтаксисом и семантикой, при этом ввод данных элементов не влечет за собой качественную модификацию языка описания поведения систем массового обслуживания. Набор введенных дополнительных элементов представлен нарис. 3.3 (а-в).
