Главная | Обратная связь

Основные требования к УВС и организация решения задач в УВС.

При проектировании УВС необходимо уточнить исходные требования :

- количество разделов в числе, обеспечивающих получение заданной точности расчетов;

- предварительные алгоритмы решения задач и временную диаграмму работы системы ;

- количество абонентов УВС, объем и частоту принимаемой и выдаваемой информации;

- надежность работы УВС и достоверность выдаваемой информации;

- условия работы УВС при механических, климатических и специальных воздействиях окружающей среды;

- специальные требования по защите информации.

Управляющие вычислительные системы, работающие в реальном масштабе времени (РМВ) проводят

вычисления по программам в промежутках между поступлениями данных и выдачей информации для управления.

Исходными данными для организации решения задач в РМВ являются :

- временные диаграммы поступления данных с источников информации ;

- временные диаграммы выдачи управляющих сигналов и массивов информации из УВС;

- перечень задач и алгоритмы их решения, для выработки сигналов и данных, выдаваемых на объект, а также информационных массивов для индикации.

Известны два основных принципа организации решения задач в УВС для работы в РМВ :

1. Статический принцип организации решения задач в УВС. Для его построения период работы системы делится на такты, и для каждого такта формируются постоянные наборы задач, которые должны в нем считаться, т.е. организуется блок для каждого такта ( поэтому этот принцип называют блочным).Выбор такта производится с учетом условий работы объекта, который управляет УВС и организации процесса вычислений в УВС. Максимальное значение такта определяется на основе анализа динамических характеристик объекта исходя из условий обеспечения требований к точности решения задач. Если для различных задач эти требования различны, то выбирается минимальное значение такта. Выбрав такт формируют блоки решаемых задач в каждом такте. При этом производится определение временной последовательности решения задач в соответствии с временными диаграммами поступления и выдачи информации УВС. Затем в каждом блоке программ находится число команд, обеспечивающих решение задач блока, и объемы оперативной памяти, требуемые для вычислительного процесса и обмена информацией в УВС. Полученная временная диаграмма выполнения программы задач в УВС является детерминированной и жестко привязанной к принятой последовательности решения задач и временным диаграммам приема и выдачи информации. Это затрудняет возможность корректировки задач и программ . Поэтому в каждом такте необходимо предусматривать резервное время и свободные такты. При этом изменение состава задач и их объема приводит к необходимости полного перепроектирования организации решения и определения нового состава задач в каждом такте, перерасчета количества команд и требуемых емкостей памяти .

Статический принцип организации решения задач в УВС применяют в системах с устойчивым набором программ решаемых задач, практически не меняющихся в жизненном цикле. Статистический принцип целесообразно применять при связи с объектом, требующим циклической выдачи данных для управления с числом абонентов не более 20 и команд не более 40 тысяч.

2. Динамический принцип организации решения задач в УВС. Планирование вычислительных работ ведется по задачам, а моменты начала счета каждой задачи задаются на основе временных диаграмм приема, выдачи и передачи информации. Последовательность решения задач задается временной диаграммой их решения, которая связана с временной диаграммой работы управляющей системы. Начало вычислений привязывается либо к принимаемым, либо к выдаваемым сигналам и массивам информации. Подобный принцип организации решения дает возможность более полного использования производительности УВС по сравнению со статическим принципом. При этом появляется новая задача связанная с управлением решения по меткам времени. Динамический принцип резко упрощает корректировки программ т.к. при введении новой задачи автоматически перераспределяется время решения задач в зависимости от присвоенных приоритетов. Чем сложнее система, чем больше источников информации и исполнительных устройств, тем эффективнее применение динамического принципа организации решения задач в системах РМВ.

Различают центральный и иерархический принципы управления вычислительным процессом в многомашинных и мультипроцессорных структурах УВС.

Управление вычислительным процессом по центральному принципу характерно тем, что временная диаграмма УВС находится в одном процессоре- вычислителе, который управляет остальными вычислительными средствами для реализации временной диаграммы УВС.

Иерархический принцип управления вычислительного процесса заключается в том , что каждое вычислительное средство ведет свою временную диаграмму и организует свой процесс вычислений, однако эти временные диаграммы являются лишь частями (фрагментами) главной временной диаграммы ведущего вычислительного средства УВС.

Этот принцип дает высокую эффективность использования производительности, но требует больших емкостей памяти для хранения программ и данных временных диаграмм.

Большие УВС (с числом команд 100 тыс. и более) создают по иерархическому принципу, т.к. он дает возможность организовать параллельное ведение работ по отладке и проверке программ УВС. Легче проводится корректировка и модернизация, т.к. ее можно производить последовательно по уровням.

 

4.2.1. Оценка необходимой производительности УВС и емкости памяти.

 

Определение требуемой производительности проводится путем последовательного анализа временных диаграмм обмена информацией с абонентами и порядка решения задач с учетом выбранной организации их решения, а также объема выполняемых команд функциональных задач с учетом выбранной организации их решения.

Первый шаг – выявление групп цепочек параллельно решаемых задач. Выбор цепочек производят из условия исключения связей между ними, по которым может производится передача информации, т.к. при этом цепочка параллельно решаемых задач сокращается.

Второй шаг – согласование временных диаграмм параллельных цепочек задач с общей временной диаграммой УВС обмена информацией с абонентами и между цепочками.

Третий шаг – задание производительности команд по каждой параллельной цепочке и времени их счета. По временной диаграмме определяют производительность, требуемую для решения j - ой задачи в интервале времени ∆ t _j :

П _j = N _j / ∆ t _j (4.1 )

где: ∆ t _j - интервал времени, отводимый по временной диаграмме для решения j -й задачи;

N _j - число выполняемых команд при решении j -ой задачи

N _j = N _jn . K _д

где: N _jn - число команд в программе решения задачи;

K _д - динамический программный коэффициент.

При построении УВС однотипных процессорах- вычислителях, требования к ним по производительности предъявляется по максимальной цепочке:

П= П_jmax ( 1+ А + М ) ( 4.2 )

где: А - коэффициент, учитывающий долю производительности вычислителя, которая требуется

для организации вычислительных процессов в УВС.

Для статического принципа организации А = 0.05 ÷ 0.15 , для динамического А = 0.1 ÷ 0.25.

М - коэффициент, учитывающий долю производительности , предусматриваемую для корректировок задач, или модернизации системы. В среднем для статического принципа организации М = 0.2 ÷ 0.4; для динамического : М=0.1 ÷ 0.3.

Далее рассматриваются пути совмещения решений цепочек задач, для чего определяют время работы цепочек задач в цикле работы системы и оценивают загрузки каждой цепочки в своем процессоре – вычислителе. Возможность совмещения цепочек параллельно решаемых задач на процессорах – вычислителях оцениваются по относительной избыточной производительности УВС.

_s

∆ S _m = S - Σ M _iB ( 4.3 )

ⁱ⁼¹

где S - число цепочек задач

M _iB - коэффициент загрузки выбранного процессора-вычислителя

M _iB = П _iзmax / П_В

где : П_{iз max} - максимальная производительность i -й цепочки задач

П_В - производительность выбранного процессора- вычислителя по наивысшей максимальной производительности из всех цепочек задач. Он для одной задачи равен 1, для остальных < 1.

Если ∆ S _m ≥ 1 , то нужно рассматривать совмещение двух параллельных задач.

Если ∆ S _m ≥ 2 , то совмещение трех параллельных задач, и так далее.

Возможность совмещения параллельных цепочек задач также оценивается коэффициентом занятости вычислителя в цикле : _s

∆ Sω = S - ∑ ω _iB ( 4.4 )

ⁱ⁼¹

где: ω _iB - коэффициент занятости вычислителя решением i -той задачи.

Если ∆ Sω ≥ 1 , то нужно рассматривать возможность совмещения двух параллельных цепочек задач.

Если ∆ Sω ≥ 2 , то необходимо аннулировать возможность совмещения трех параллельных цепочек, и так далее.

В результате анализа устанавливают распределение цепочек задач по процессорам- вычислителям, которое повышает эффективность использования УВС.

Далее производится оценка требуемых емкостей оперативной памяти. Для этого анализируется количество входных и выходных данных, а также числа рабочих ячеек каждой задачи. Для обеспечения восстановления данных в случае их сбоя предусматривается хранение входных данных, и передаваемых между цепочками данных в процессе решения каждой задачи цепочки в течении всего цикла работы системы.

Общее число Q _i ячеек, необходимое для решения всех задач цепочки

Q _i = Q _i∑B + Q _iBx + Q _{i∑ max} ( 4.5 )

где : Q_{i ∑B} ; Q _iBx - суммарное число ячеек, требуемое для хранения входной и выходной информации у

i -ой цепочки задач

Q _{i∑ max} - максимальное число ячеек, используемое в цикле решения цепочек задач.

_s

Общая емкость оперативной памяти Q_o= ∑ Q_i увеличивают до Q=Q_o ( 1+А_п +М_п) (4.6)

ⁱ⁼¹

где : А_п - коэффициент, учитывающий долю памяти, которую предусматривают для организации процесса управления и корректировок: А_п = 0.1 ÷ 0.2 .

М_п - коэффициент, учитывающий долю памяти, предусматриваемую для модернизации. На этапе эскизного проекта М_п = 0.5 ÷ 0.8. На рабочем проекте М_п = 0.3 ÷ 0.5 и после проведения испытаний М_п= 0.15 ÷ 0.2; и позднее - еще меньше.

4.3. Разновидности структурных схем построения УВС.

УВС могут включать в свой состав несколько параллельно работающих вычислительных машин (ВМ).

Каждая ВМ состоит из процессора-вычислителя (ПВ), памяти (П) и устройства обмена (УО) . Связь машин друг с другом осуществляется по каналам связи УО каждой машины. На рис.4.2. приведена структурная схема УВС с УО, построенным по радиальному принципу, по методу соединения «каждый с каждым». Здесь число М подключаемых ЭВМ , зависит от количества К дуплексных каналов УО:

М = К + 1

На рис. 4.3. приведена структурная схема УВС с УО, построенными по магистральному принципу. При радиальном принципе построения каналов УО требуется большой объем кабельной аппаратуры, однако расходуется меньше времени на обмен данными и происходят меньшие потери времени на ожидание. Магистральный принцип построения каналов УО более сложен для реализации резервирования и использования в УВС разнотипных машин, имеющих различные разрядные сетки чисел и команд , производительность и порядок подключения и обмена.

Если при построении УВС используют более, чем две ВМ с радиальным способом построения УО и с одним дуплексным каналом, необходимо коммутирующее устройство с числом каналов, соответствующих числу ВМ (см. рис. 4.4.).