Проектирование вычислительной системы реального времени

Расчет трудоемкости алгоритма. Определение быстродействия процессора. Характеристика контроллеров серии Direct Logic DL. Устройства, которые вошли в структуру системы. Выбор программного обеспечения. Расчет работоспособности и надежности системы.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Размещено на

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

2. ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ

3. РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ВС

3.1 Расчет трудоемкости алгоритма

3.2 Определение быстродействия процессора

4. ВЫБОР ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

4.1 Direct Logic DL05

4.2 Direct Logic DL205

4.3 Direct Logic DL405

5. ОПИСАНИЕ СТРУКТУРЫ (СХЕМЫ) СИСТЕМЫ

6. ВЫБОР ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

7. РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ

Выводы

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

ВВЕДЕНИЕ

Основой развития современного научно-технического прогресса стало совершенствование электронно-вычислительной техники, широко используемой во всех отраслях научной, производственной и хозяйственной деятельности. В настоящее время вычислительная техника направлена в первую очередь на организацию и выполнение работ, связанных с вычислениями и логической обработкой информации.

Применение вычислительной техники предполагает создание вычислительных систем, объединяющих оборудование одной или нескольких электронно-вычислительных машин (ЭВМ), а также разработку управляющих, обслуживающих и прикладных программ. При создании ВС необходимо учитывать сведения о назначении системы для определения ее структуры и номенклатуры алгоритмов, реализующих требуемую задачу. Для успешного решения задач подобного рода, необходимо располагать знаниями о том, как влияют различные способы структурной организации ВС и управления вычислительными процессами на характер протекания последних в ВС. Эти вопросы рассматривает теория вычислительных систем.

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

Целью данного проекта является изучение методов проектирования ВС реального времени и определения ее основных параметров (характеристик).

Проектируемая ЦУС предназначена для управления работой конкретной системы, указанной в техническом задании. Динамика управляемого объекта определяет темы выполнения программы. Задержка в получении результатов может привести к снижению качества работы управляемого объекта. Проектирование ВС сводится к выбору такой структуры и стратегии управления ВС, которые обеспечивают реализацию заданных функций при затратах оборудования и времени, лимитируемых заданными ограничениями и критерием эффективности.

Теория ВС направлена на разработку метода синтеза оптимальных структур ЭВМ и стратегий управления вычислительными процессами, причем структуры выявляются с точностью до устройств.

Исходные данные длярасчета быстродействия процессора КС реального времени:

Исходные данные для расчета трудоемкости алгоритма (рис. 1.1):

Рисунок 1.1 - Граф алгоритма

Ki - трудоемкость оператора

K1=140K4=100K7=100K10=210

K2=230K5=350K8=380

K3=580K6=520K9=460

Исходные данные для расчета надежности:

0 - интенсивность потока отказов;

пф - интенсивность профилактических испытаний;

пф - интенсивность профилактики;

H - интенсивность восстановления;

g - доля контролируемого оборудования.

0 = 0,5пф = 0,65пф = 0,5H = 0,7g = 0,73.

2. ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ

Цифровая управляющая система функционирует в реальном масштабе времени (согласно с темпом поступления заявок на обработку задач). Система управления выполняет следующие функции:

прием информации от датчиков и измерительных приборов;

обработка данных в соответствии с заданным алгоритмом управления;

выдача результатов и воздействие на объект управления;

ЭВМ и объект управления соединены каналами ввода-вывода информации, по которым в ЭВМ поступают сигналы опроса, характеризующие состояние объекта, а из нее - поток управляющих сигналов, воспринимаемых исполнительными устройствами объекта.

Для данной управляющей системы применяется операционная система реального времени.

3. РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ВС

3.1 Расчет трудоемкости алгоритма

При расчете трудоемкости алгоритма используются универсальный (машинный) и сетевой методы. Исходной информацией при расчете является граф алгоритма, приведенный на рис.3.1.

Рисунок 3.1 - Граф алгоритма

Вероятности перехода для графа:

P(0,1)=1P(4,5)=1P(8,9)=1

P(1,2)=1P(5,6)=1P(9,10)=1

P(2,3)=0.37P(6,4)=0.12P(10,2)=0.24

P(2,7)=0.63P(6,9)=0.88P(10,k)=0.76

P(3,4)=1P(7,8)=1

Среднее число ni обращений к операторам алгоритма определяется корнями системы линейных алгебраических уравнений:

Гдеnj - вершина, которая рассматривается по отношению к i-вершине;

ij - символ Кронекера;

Pji - вероятность перехода;

Значение ni определяется решением системы линейных алгебраических уравнений:

(P11-1)n1+P21n2+P31n3+…+Pk-1,1nk-1=-1

P12n1+(P22-1)n2+P32n3+…+Pk-1,2nk-1=0

P1,k-1n1+P2,k-1n2+P3,k-1n3+…+(Pk-1,k-1nk-1-1)=0

На основе заданного графа строим систему из 10 уравнений:

~

Произведем расчет корней системы уравнений с помощью программы tminmax.exe. Результат машинного расчета приведен в ПРИЛОЖЕНИИ А.

Рассчитаем среднюю, минимальную и максимальную трудоемкости заданного алгоритма сетевым методом.

Сначала рассчитываем среднюю трудоемкость алгоритма.

Прежде всего необходимо устранить ВСЕ циклы, начиная со внутренних (с меньшим рангом). Для этого отдельно вырисовываем цикл с наименьшим рангом:

Рисунок 3.2 - Наименьший цикл графа

Определим для него среднее число обращений к каждой из операторных вершин при одном прогоне алгоритма:

Следовательно, можно заменить цикл С1 одной вершиной со средней трудоемкостью Kc1.

Далее, устраняем следующий цикл, С2:

Рисунок 3.3 - Цикл графа С2

Рисунок 3.4 - Конечный графа

Теперь можно посчитать среднюю трудоемкость всего алгоритма:

Далее рассчитываем минимальную и максимальную трудоемкости алгоритма.

Устраняем все циклы, начиная со внутренних (рис. 3.2):

где 0<<1/(1-0,12)где 1/(1-0,12)<

Таким образом, вычислены минимально и максимально возможные значения трудоемкости для цикла С1.

Аналогично, для цикла С2 (рис. 3.3):

где 0<<1/(1-0,24)где 1/(1-0,24)<

Для конечного графа (рис. 3.4):

Таким образом, минимальная и максимальная трудоемкости всего алгоритма равны соответственно:

3.2 Определение быстродействия процессора

Правильный выбор быстродействия процессора обеспечивает приемлемое качество обслуживания заявок в системе и позволяет создать систему с оптимальными материальными затратами.

Для решения задачи нахождения оптимального быстродействия процессора необходимо определить:

Нижнюю границу быстродействия процессора, при которой гарантируется стационарный режим;

Уточнить режим обслуживания заявок;

Оптимальное быстродействие с учетом минимальных потерь, связанных с простоем процессора.

Определим оптимальное быстродействие при отсутствии ограничений на время пребывания заявок, используя выражение

Где i - интенсивность потока заявок;

k - коэф. пропорциональности;

i - трудоемкость обслуживания;

i(2) - второй начальный момент трудоемкости;

=i - суммарная интенсивность поступления заявок в систему.

Значение i(2) определим из выражения

i(2) = 2i2

Определим некоторые значения, вошедшие в формулу для нахождения :

1.

1(2)=2(2700)2=1458104

2(2)=2(3200)2=2048104

3(2)=2(2700)2=1458104

4(2)=2(1900)2=722104

5(2)=2(4510)2=4068.02104

2.

3.

4.

Найдем для ВС с неограниченным временем пребывания заявок минимально необходимое быстродействие процессора, при котором существует стационарный режим работы:

Bmin<B - нижняя оценка быстродействия

Определим среднее значение времени обслуживания заявок разных типов и в качестве быстродействия процессора возьмем полученное ранее :

Определим вторые начальные моменты среднего времени обслуживания: