Функциональное проектирование на примере информационно-управляющих систем реального времени

Раздел 4. Функциональное проектирование (на примере информационно-управляющих систем реального времени)

СОДЕРЖАНИЕ

4.1. Постановка задачи функционального проектирования....................................... 2

4.2. Оценка нижнего быстродействия процессора...................................................... 3

4.3. Синтез метода диспетчеризации............................................................................ 7

4.4. Определение оптимальной производительности системы................................ 10

4.5. Проектирование систем реального времени с вероятностными ......................... ограничениями................................................................................................... 11

4.1. Постановка задачи функционального проектирования 

Объектом исследований в данном разделе являются информационно-управляющие системы (ИУС), находящиеся, обычно, в контуре систем автоматического управлении и функционирующие в реальном масштабе времени (в режиме реального времени). Примерами таких систем могут служить системы управления производственными процессами и подвижными объектами, характерной особенностью которых является наличие жестких ограничений на время реакции (ответа), превышение которых недопустимо или же крайне нежелательно, поскольку это может привести к резкому ухудшению производственного процесса или вообще к выходу системы из строя. Поскольку указанные ограничения во многих случаях могут составлять доли миллисекунд и даже микросекунд, то одна из особенностей таких систем заключается в отсутствии обмена с внешней памятью в процессе управления. Таким образом, внешняя память не влияет на эффективность функционирования системы в целом и, в частности, на время реакции (время ответа), являющееся основной характеристикой функционирования ИУС.

Задача функционального проектирования ИУС для ограничений любого вида решается с использованием базовой модели в виде СМО с неоднородным потоком запросов и, в простейшем случае, сводится к выбору стратегии управления вычислительным процессом, в частности, стратегии управления потоком поступающих в систему запросов, задаваемой в виде определенной дисциплины обслуживания (ДО) запросов.

В общем случае функциональное проектирование реализуется в три этапа.

1.  Определение нижнего значения производительности системы, представляющего собой границу, начиная с которой можно искать стратегию управления вычислительным процессом (дисциплину обслуживания), обеспечивающую выполнение заданных ограничений.

2.  Синтез стратегии управления вычислительным процессом (метода диспетчеризации поступающих в систему запросов), заключающийся, в простейшем случае, в выборе ДО, наилучшим образом обеспечивающей выполнение заданных ограничений.

3.  Определение оптимальной производительности системы, обеспечивающей требуемое качество обслуживания запросов для выбранной ДО при минимальной стоимости системы.

В качестве исходных данных для решения задачи функционального проектирования ИУС с использованием базовой модели в виде одноканальной СМО с неоднородным потоком заявок служит следующая совокупность величин:

1)  количество классов запросов Н, поступающих в систему;

2)  интенсивности λ₁,K,λ_H потоков запросов, которые полагаются простейшими;

3)  средние ресурсоемкости θ₁,K,θ_H обработки запросов, задаваемые в виде среднего числа команд, выполняемых в ЦП при обработке одного запроса соответствующего класса;

4)  коэффициенты вариации ν₁,K,ν_H ресурсоемкостей обработки запросов;

5)  ограничения u₁^*,K,u^*_H на время пребывания в системе запросов классов 1,K,H .

Задержки, т.е. времена пребывания u₁ ,K,u_H запросов в системе, зависят в данном случае от производительности (быстродействия) V системы и дисциплины обслуживания  запросов. Очевидно, что требуемое качество функционирования ИУС, заданное в виде ограничений u₁^*,K,u^*_H всегда может быть достигнуто только за счет производительности системы при любой ДО, т.е. возможно множество решений, из которых должно быть выбрано оптимальное. В качестве критерия эффективности ИУС используется стоимость системы, отражающая экономическую целесообразность предлагаемого решения. Из всех возможных решений наилучшим является такое, при котором стоимость ИУС минимальна. В этом случае задача проектирования ИУС формулируется следующим образом: выбрать ДО и определить производительность системы, которые обеспечивают выполнение заданных ограничений u₁^*,K,u^*_H при минимальной стоимости системы. 

Применительно к рассматриваемой базовой модели стоимость системы определяется как

S =S₁+S₂ , где S₁ =dV^χ- стоимость процессора, связанная прямопропорциональной зависимостью с его производительностью (быстродействием) V через коэффициенты пропорциональности d и нелинейности ^χ; S₂ = S_П+s₀E - стоимость памяти, складывающаяся из стоимости памяти

S_П , отводимой под хранение программ (системных и прикладных), и стоимости памяти, отводимой под хранение данных, поступающих в систему в виде запросов на обработку прикладными программами, и определяемой как произведение стоимости s₀ одной единицы памяти  (например, байта) на требуемую емкость E памяти для хранения запросов.

Емкость памяти E определяется максимальным числом k-запросов mˆ _k , которые могут одновременно находиться в системе:

H

E =∑d_kmˆ _k , 

k=1

где d_k - объем памяти, занимаемый одним запросом класса k.

В общем случае максимальное число запросов mˆ _k может быть представлено как mˆ _k = f_k m_k , где m_k =λ_ku_k - среднее число запросов в системе, f_k - коэффициент, зависящий от закона распределения числа запросов в системе и допустимой вероятности потерь

запросов из-за ограниченной емкости памяти (k=1,H). Таким образом, стоимость ИУС запишется в следующем виде:

H

                  S = dV^χ+ S_П+ s₀ ∑d_k f_kλ_ku_k (ДО,V),                                                            (4.1)

k=1

где u_k (ДО,V) - среднее время пребывания в системе k-запросов, являющееся функцией дисциплины обслуживания (ДО) и  быстродействия процессора V.

Выражение (4.1) используется в качестве критерия эффективности для выбора ДО и оптимальной производительности системы.

4.2. Оценка нижнего быстродействия процессора

На предварительном этапе функционального проектирования определяется нижнее значение производительности системы, начиная с которого может решаться задача выбора ДО. Другими словами, если производительность системы будет меньше, чем нижнее, то можно утверждать, что не может быть найдена ДО, обеспечивающая требуемое качество функционирования ВС. Кроме того, нижнее значение производительности служит мерой качества решения задачи выбора ДО. Отметим, что нижнее значение производительности определяется безотносительно к какой-либо ДО.

Одним из основных требований, предъявляемых к любой системе, является