Введение к работе
Актуальность темы. Для обеспечения высоких качественных показателей в современных системах управления (СУ) все чаще применяются цифровые вычислительные устройства (ЦВУ), построенные на основе микропроцессорной техники. Принципы их функционирования предполагают непрерывное выполнение различных заданий в режиме реального времени.
Способность выполнения используемого в ЦВУ набора заданий без нарушения соответствующих им временных ограничений является важным критерием, определяющим качество устройства. В связи с этим применение эффективных подходов к организации управления заданиями (диспетчеризация) в ЦВУ представляет большой интерес.
Вопросами повышения эффективности диспетчеризации в системах реального времени занимались многие ученые, среди которых большой вклад внесли J. Nilsson, G. Buttazzo, G. Fohler, D. Isovic, M. Behnam, М.В. Кавалеров, Н.Н. Матушкин, В. Wittenmark, M. Trngren. Некоторые, например G. Fohler, М.В. Кавалеров и др., изучали особенности управления выполнением заданий именно в устройствах СУ. Однако многие вопросы, связанные с особенностями СУ и принципами функционирования их элементов, остаются недостаточно проработанными.
Так, существующие модели функционирования ЦВУ имеют ограниченный набор типов и параметров заданий. Это не позволяет точно описать режимы работы вычислительного устройства, часто используемые в СУ, например выполнение заданий с необязательной инициацией или со случайной инициацией при постоянной средней частоте.
Малоизученными являются способы учета времени переключения между заданиями в ЦВУ. В частности, не рассмотрены различия в работе микропроцессорных устройств при аппаратном и программном способах переключения. Учет наличия этих механизмов и возможности их совместного использования имеет большое значение для вычислителей в составе СУ, т. к. задания в этих устройствах имеют высокую частоту инициации и малое время выполнения, соизмеримое со временем выполнения диспетчера, осуществляющего переключение. Не исследованы способы организации переключения между заданиями с точки зрения сокращения времени отклика ЦВУ на внешние события, которое является важным параметром для СУ в целом.
Модификация модели функционирования и алгоритмов настройки диспетчеризации позволит с большей точностью оценить скорость работы вычислительных устройств и использовать полученные данные для более эффективного распределения ресурсов.
Вышеизложенное определяет цель и задачи диссертационной работы.
Целью работы является повышение эффективности ЦВУ при настройке диспетчеризации за счет учета механизмов переключения между заданиями, учета наличия заданий с необязательной инициацией и заданий с произвольной инициацией при постоянной средней частоте, а также за счет применения эффективных подходов к организации диспетчеризации.
Задачи, решение которых позволяет достичь поставленную в работе цель: 1) Рассмотреть особенности функционирования цифровых вычислительных устройств в составе систем управления. Оценить возможность использования и
модификации базовых моделей функционирования ЦВУ для описания выявленных особенностей.
-
Разработать алгоритм оценки выполнимости заданного набора заданий на вычислительном устройстве, использующий модифицированную модель функционирования.
-
Разработать алгоритм, обеспечивающий учет времени, затрачиваемого устройством на переключение между заданиями, и включить его в процедуру оценки выполнимости.
-
Провести сравнительный анализ предлагаемых решений с существующими, оценить эффективность их применения при создании новых устройств.
Объектом исследования является цифровое вычислительное устройство в
составе системы управления. Устройство предназначено для непрерывного
циклического выполнения заданий с известными постоянными параметрами на
одноядерном микропроцессоре в порядке, определяемом заданными
приоритетами.
Методы исследования. Основу исследований составили математический аппарат теории расписаний и планирования систем реального времени, компьютерное моделирование, математическая статистика и теория вероятностей.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем:
-
Проведена модификация базовой модели функционирования ЦВУ. Модифицированная модель отличается наличием у каждого задания параметра, описывающего способ его переключения, что позволяет использовать разные методики расчета времени переключения для разных заданий. Добавлен тип заданий с необязательной инициацией запросов (строгое реальное время) и тип заданий со случайным временем инициации при постоянной средней частоте (регулярные задания), что улучшает точность описания процесса функционирования устройств, работающих в составе СУ.
-
Разработан алгоритм оценки выполнимости набора заданий вычислительным устройством, отличающийся возможностью учета регулярных заданий, заданий строгого реального времени и заданий с одинаковыми приоритетами. Алгоритм позволяет использовать модифицированную модель при проектировании и разработке реальных вычислительных устройств.
-
Предложен способ улучшения процедуры настройки диспетчеризации, основанный на введении учета взаимовлияния заданий и позволяющий увеличить вероятность выполнимости произвольного набора заданий в создаваемом ЦВУ. Описан способ аналитической оценки времени отклика для заданий, у которых может быть доказано отсутствие взаимовлияния.
-
Разработан алгоритм учета времени переключения между заданиями на этапе оценки выполнимости, отличающийся возможностью определения способа переключения и позволяющий описать механизмы переключения через дополнительно введенные служебные задания. Показано, что величина времени, затрачиваемого на переключение, зависит не только от способа переключения, но и от его организации. Проанализированы два подхода: классический, заключающийся в инициации диспетчера (механизма, производящего переключение заданий, реализованного программными или аппаратными средствами) через равные промежутки времени, и апериодический, с асинхронным запуском диспетчера в зависимости от происходящих в устройстве событий.
Предложенный алгоритм обеспечивает прогнозирование выполнимости при использовании обоих подходов.
Работа соответствует паспорту научной специальности 05.13.05 «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления» в пунктах: 1 «Разработка научных основ создания и исследования общих свойств и принципов функционирования элементов, схем и устройств вычислительной техники и систем управления»; 2 «Теоретический анализ и экспериментальное исследование функционирования элементов и устройств вычислительной техники и систем управления в нормальных и специальных условиях с целью улучшения технико-экономических и эксплуатационных характеристик»; 4 «Разработка научных подходов, методов, алгоритмов и программ, обеспечивающих надежность, контроль и диагностику функционирования элементов и устройств вычислительной техники и систем управления».
Достоверность полученных результатов подтверждается совместимостью предлагаемой модели функционирования с базовыми моделями, используемыми в теории расписаний и планирования, а также соответствием полученных результатов опубликованным ранее, верификацией результатов моделирования, промышленными экспериментами.
На защиту выносятся следующие положения и результаты:
-
Модифицированная модель функционирования ЦВУ учитывает наличие различных механизмов переключения заданий и позволяет использовать эти сведения при настройке диспетчеризации. Регулярный тип заданий, включенный в модель, позволяет детальнее описывать поведение заданий, обрабатывающих циклические асинхронные события, а тип заданий строгого времени – поведение низкоуровневых заданий, не требующих обязательной обработки всех событий инициации.
-
Алгоритм оценки выполнимости набора заданий для модифицированной модели функционирования устройства и реализующий его комплекс программ. Приведено условие для расчета времени отклика регулярных заданий, которое равно удвоенному времени выполнения собственно задания, а также времени его вытеснения высокоуровневыми заданиями. Показано, что количество выполненных запросов регулярного задания может быть на один запрос больше, чем у периодического задания за аналогичное время. Доказано, что влияние заданий с одинаковыми приоритетами равносильно влиянию заданий с более высоким приоритетом.
-
Алгоритм модификации набора заданий, который позволяет учесть особенности влияния механизма диспетчеризации на возможность выполнения устройством заданного набора заданий. Для апериодического подхода задание диспетчера должно быть разделено на набор подзаданий с параметрами, определяемыми свойствами прикладных заданий.
-
Применение модифицированной модели и разработанного для нее алгоритма оценки выполнимости позволяет с большей точностью описывать функционирование ЦВУ, а также использовать нестандартные, такие как апериодический, подходы к организации диспетчера. Апериодический подход позволяет сократить накладные расходы на диспетчеризацию и увеличить вероятность выполнимости набора более чем в два раза по сравнению с классическим подходом при малом количестве прикладных заданий и при малом времени работы диспетчера.
5) Структура и принцип функционирования аппаратного диспетчера – устройства, реализующего часть функций по переключению между заданиями аппаратными средствами, а также принципы его взаимодействия с ЦВУ.
Практическая значимость работы. Предлагаемые решения позволяют
улучшить эффективность организации диспетчеризации и с большей вероятностью
получать положительные оценки выполнимости наборов заданий на
вычислительных устройствах даже с низкой производительностью, что сокращает затраты на разработку ЦВУ и СУ. Также предлагаемые решения позволяют увеличивать границу максимальной вычислительной нагрузки на действующие ЦВУ, повышая тем самым их технические характеристики.
Предлагаемые алгоритмы могут применяться при проектировании и создании реальных вычислительных устройств. Возможность учета аппаратного механизма переключения между заданиями позволяет проводить анализ выполнимости наборов заданий при отсутствии программного диспетчера.
Реализация и внедрение результатов работы проведены совместно с ОАО «КБ Электроприбор» в рамках исследовательских и опытно-конструкторских работ по изделиям КРД (комплексный регулятор двигателя), ПКД (пульт контроля и диагностики) и СУДГ (система управления и диагностики генератора), что подтверждается актами внедрения.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы
докладывались и обсуждались на 6 международных конференциях:
международная конференция «Проблемы управления, обработки и передачи информации (АТМ-2011)», Саратов, 2011; XXVI международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-26», Саратов, Нижний Новгород, 2013; международная конференция «Проблемы управления, обработки и передачи информации (АТМ-2013)», Саратов, 2013; XXVII международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-27», Саратов, Тамбов, 2014; 13-я международная конференция "Авиация и космонавтика – 2014", Москва, 2014; XXVIII международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-28», Саратов, 2015; и представлены в 20 печатных работах, 5 из которых – в изданиях, включенных в перечень рекомендуемых ВАК РФ. Имеются 3 свидетельства о регистрации программы для ЭВМ.
Результаты диссертационного исследования включены в Отчет о выполнении НИР по теме «Разработка JUSTEX – простота и качество экзоядра», поддержанной по программе «У.М.Н.И.К.» Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (договор № 4122ГУ2/2014 и № 470ГУ1/2013).
Личный вклад автора состоит в разработке модели функционирования устройства , в разработке методик оценки выполнимости и интеграции диспетчера в набор заданий [2, ; помимо этого, автор принимал участие в проектировании и реализации инструментальных средств для исследования результатов работы .
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка терминов, списка цитируемой литературы и приложений. Общий объем составляет 147 страниц, включая 63 рисунка, 6 таблиц, список литературы из 132 наименований и 3 приложения.