|
Державний університет “Львівська політехніка”
Тимчишин Володимир Олександрович
УДК 681.31
ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ПРОЕКТУВАННЯ
СПЕЦІАЛІЗОВАНИХ КОМП’ЮТЕРНИХ СИСТЕМ
НА БАЗІ ТИПОВИХ МІКРОПРОЦЕСОРНИХ ПЛАТФОРМ
05.13.13 - “Обчислювальні машини, системи та мережі”
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Львів - 1999
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана у Тернопільській академії народного господарства Міністерства освіти України.
Науковий керівник - доктор технічних наук, професор
Саченко Анатолій Олексійович,
директор інституту комп’ютерних інформаційних
технологій, завідувач кафедри інформаційно-
обчислювальних систем та управління
Тернопільської академії народного господарства
Офіційні опоненти :
доктор технічних наук, доцент
Овсяк Володимир Казимирович,
професор кафедри автоматизації та комп’ютерних
технологій Українcької академії друкарства
кандидат технічних наук, доцент
Тесленко Олександр Кирилович,
доцент кафедри спеціалізованих комп’ютерних систем
Національного технічного університету України
“Київський політехнічний інститут”
Провідна установа :
Державний науково-дослідний інститут інформаційної
інфраструктури Національного агенства з питань
інформатизації при Президентові України (м.Львів)
Захист відбудеться “20” жовтня 1999 р. о 14 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д35.052.05 у Державному університеті "Львівська політехніка" (290646, Львів-13, вул. С. Бандери, 12, ауд. 226 головного корпусу).
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Державного університету "Львівська політехніка" (Львів, вул. Професорська, 1)
Автореферат розісланий “16” вересня 1999 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
кандидат технічних наук, доцент _______ С.П.Ткаченко
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Спеціалізована комп’ютерна система (СКС) - це система для розв’язання відносно вузьких класів задач, оптимізована у певній критеріальній сукупності. Задовільнення у СКС суперечливих вимог уможливлює досягнення лише оптимізованих найважливіших функціональних якостей, які наближаються до оптимальних. Розвиток СКС зумовлений зростаючими потребами у них різних сфер і можливостями власної розробки. Математичні методи оптимізації СКС виявляють недоліки систем, взаємозв’язки їх характеристик, напрями підвищення ефективності, але не дають конструктивних розв’язків і змістовної сторони реалізації. Тому процес створення оптимізованих СКС комбінує формальні та конкретно-змістовні методи, які відіграють аналітичну й синтетичну роль.
Оптимізація та проектування комп’ютерних систем і мереж досліджені в роботах S.Iyengar, D.Jayasimha, D.Perry, B.Zeigler, В.Бардаченка, В.Глушкова, А.Гуткіна, Г.Колдасова, Г.Луцького, А.Мельника, В.Одріна, А.Петренка, М.Печуріна, К.Самофалова, В.Соболева, В.Тарасенка, М.Черкаського та ін. Однак відсутні методики, які забезпечують одноетапний синтез оптимізованих варіантів вузлів і сумісної відкритої СКС у цілому.
Програмні продукти для різних етапів проектування компонент і вузлів СКС представлені пакетами фірм Accel, Cadence Design Systems, LSI Logic, Mentor Graphics, National Instruments, OrCAD, Synopsys та ін. Однак, системний етап проектування СКС є відкритим, а створення пакетів цього напряму - найпріоритетнішим. Відсутність на ринку комерційних систем оцінки й оптимізації СКС, орієнтація небагатьох відомих автоматизованих проектувальників систем (як DAQ Designer) на компонування визначеним набором вузлів конкретних фірм не дозволяють об’єктивно оцінити альтернативні рішення за сукупністю функціонально-вартісних характеристик і вибрати варіант, що враховує можливості компонування, адаптації та розробки вузлів системи.
Сформувалися два підходи до проектування СКС: 1) використання стандартних універсальних процесорів із спеціалізованим системним програмним забезпеченням; 2) розробка функціонально- і апаратно-орієнтованих спецпроцесорів. Другий підхід стає перспективнішим за останні роки, однак відсутність технологій виготовлення плат, висока вартість систем проекту-вання і відлагодження, неспроможність замовника фінансувати розробку дорогих СКС гальмують його розвиток. А різноманітність структур СКС, мала частка компонування типовими апаратними і програмними модулями збільшують затрати на створення СКС при обидвох підходах.
Значну частку СКС становлять вимірювально-керуючі та термінальні, без жорстких вимог до масогабаритів, споживання, швидкодії, однак із сукупністю специфічних функціональних і вартісних обмежень, яка зумовлює розробку. Використання функціонально надлишкових універсальних апаратних компонент і ліцензійних програмних пакетів (для зменшення коштів і часу побудови таких СКС за рахунок мінімізації роботи високо-оплачуваних спеціалістів) неприйнятне у ряді випадків через їх високу вартість.
Тому створення наукових основ побудови на базі універсальних процесорів спеціа-лізованих вимірювально-керуючих і термінальних систем та мереж з узагальненою відкритою структурою й оптимізацією їх функціонально-вартісних характеристик є актуальною задачею.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках міжнародного наукового проекту INTAS ? 97-606 “Development of an Intelligent Sensing Instrumentation Structure” на 1998-2001 роки, який виконується в Тернопільській академії народного господарства, і науково-дослідної теми ? 11.02.57.36 “Розробка, виготовлення і впровадження програмно-керованої багатозначної міри опору - перехідної міри опору” ДНДІ “Система” (м. Львів) на 1996-1999 роки.
Метою роботи є створення моделей, структур, методик і алгоритмів покращення функціонально-вартісних характеристик вимірювально-керуючих і термінальних систем на базі універсальних мікропроцесорів (МП) та зменшення затрат при їх проектуванні на основі модифікації під особливості СКС методів векторної дискретної оптимізації та морфологічного синтезу. Для досягнення мети вирішуються такі задачі:
- функціонально-вартісний аналіз універсальних і спеціалізованих комп’ютерних систем;
- аналіз інформаційної структури відкритої СКС з метою її оптимізації;
- дослідження областей економічно ефективного використання типових МП платформ;
- виявлення шляхів оптимізації СКС, розробка комп’ютерної системи оптимізації і методики її використання для виявлення повторюваних вузлів у вимірювально-керуючих і термінальних СКС;
- дослідження тенденцій побудови СКС і створення мінімальної множини нових оптимізованих універсальних варіантів вузлів СКС;
- інтелектуалізація універсальних варіантів вузлів і їх відкритої взаємодії в СКС;
- верифікація результатів дисертаційної роботи при впровадженні різних СКС.
Наукова новизна одержаних результатів. Вперше:
- Розроблено методику оптимізованого комп’ютерного проектування СКС відкритої архітектури, яка полягає у формуванні складових зведеної собівартості і функціональної ефективності, обмежень вузлів і морфологічної матриці їх задовільних варіантів, оптимізації за функціонально-вартісними характеристиками, класифікації варіантів СКС, пошуку повторюваних рішень при зміні умов проектування і типу системи, створенні оптимізова-них варіантів вузлів і оцінці їх функціонально-вартісних характеристик для наступного компонування різних СКС, що забезпечує скорочення коштів і часу проектування.
- Побудовано узагальнену інформаційну структуру дистрибутивної СКС, яка реалізує апаратно-незалежну відкриту взаємодію прикладних програм із вимірювально-керуючими ресурсами на рівні знань про об’єкт СКС, котрі базовим програмним забезпеченням трансформуються в коди взаємодії з ресурсами через рівень фізичних величин і функцій, що потребує розробки лише прикладних програм і скорочує затрати на проектування СКС завдяки компонуванню їх із типових вузлів.
- Створено аналітичну модель зведеної собівартості проектування програмно-апаратних засобів, яка враховує тираж і функціональну складність системи при розробці, адаптації та компонуванні вузлами, забезпечує дослідження зон економічно-ефективного використання типових МП платформ і їх вибір при заданих параметрах проектованої СКС.
- Розроблено алгоритми інтелектуалізованої системи, якими виконується декомпозиція СКС на базові програмно-апаратні вузли, дискретна оптимізація за функціонально-вартісними характеристиками і швидкий одноетапний морфологічний синтез Паретової множини сумісних варіантів складових дистрибутивної системи, що забезпечує скорочення часу і коштів синтезу та аналізу й отримання при заданих обмеженнях оптимізованих СКС.
- Встановлено математичну залежність об’єму переданої інформації в мережі топології “спільна шина” від кількості робочих станцій, періоду опитування, розміру кадру повідомлення і ймовірності перебування станції в одному з робочих режимів, на основі якої розроблені способи виклику штучних колізій, побітового контролю передачі, неруйнівного арбітражу й адаптивного опитування станцій сервером, досліджено вплив цих способів на підвищення пропускної здатності та завадостійкості мережі і показано, що така мережа реалізується модифікацією низьковартісного стандартного інтерфейсу.
Практичне значення одержаних результатів полягає у зменшенні коштів і часу проектування СКС і розширенні сфери їх впровадження за рахунок використання інтелектуалізованих засобів: 1) розроблена, реалізована і використана для проектування СКС універсальна інтелектуалізована система оптимізації, яка забезпечує економічно ефективне проектування СКС із заданими функціональними характеристиками; 2) одержано мінімально необхідну для реалізації різних СКС множину типових МП платформ і операційних систем, побудовані нові універсальні структурні вузли (дистанційно репрограмований контролер, єдина архітектура плат розширення для МП платформ 80x86 і 8x51, міні-термінали, адаптивна двопровідна мережа та базове програмне забезпечення СКС відкритої архітектури).
Розроблені, реалізовані та впроваджені такі оптимізовані СКС:
1. СКС лікувального закладу на базі спеціалізованих міні-терміналів у санаторії “Медобори” (с. Конопківка Теребовлянського району Тернопільської області) забезпечила комплексну автоматизацію управління санаторієм при низькій собівартості.
2. Комплекс циклічного відтворення оцифрованого звуку “PARROT-8” в ТДУДПЕЗ “Укртелеком” (м. Тернопіль) забезпечив зниження кількості повторних дзвінків за помилковими номерами і пошкодженими напрямами.
3. Дворівнева СКС програмно-керованої багатозначної міри опору в ДНДІ “Система” (м. Львів) забезпечила функціональні вимоги та інтегрування в склад робочого еталону температури при мінімальних затратах.
4. Електронний накопичувач для персональних комп’ютерів (ПК) IBM у Тернопільській дирекції АКБ “Україна” підвищив захищеність систем від комп’ютерних вірусів і стійкість на несанкціонований доступ, забезпечив роботу при складних кліматичних умовах.
Особистий внесок здобувача. Усі положення, які становлять суть дисертації, були сформульовані та вирішені автором самостійно. У спільних публікаціях здобувачу належать: [1] - експериментальні дослідження впроваджені як курс робіт з програмування ПК IBM і периферії; [4, 10] - аналіз варіантів побудови СКС санаторію, розробка її архітектури, протоколів і програмного забезпечення; [8, 12, 13, 20, 21] - формалізація процедур дискретної оптимізації СКС, розробка інтелектуалізованої системи оптимізації (ІСО) і методики її використання; [5, 7, 23] - архітектура мережі та контролера і спосіб його дистанційної реконфігурації; [22] - модель мережі “спільна шина” і способи покращення її характеристик; [14, 15] - пристрої реалізації мережі “спільна шина” і спосіб покращення її характеристик; [6, 19] - відкрита взаємодія програм з вимірювальними платами; [21] - мінімальна множина вузлів для СКС; [17, 18] - трирівневе представлення інформації в СКС, структура відкритої взаємодії прикладних програм з ресурсами СКС на рівні знань.
Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідалися на конференціях “Metrology” (Созопол, Болгарія’94 і ’95), 4 і 5 симпозіумах IFAC “Low Cost Automation” (Буенос-Айрес, Аргентина’95 і Шеньян, Китай’98), 41 Міжнародному колоквіумі (Ільменау, Німеччина’96), 10 симпозіумі IMEKO “Development in Digital Measuring Instrumentation” (Неаполь, Італія’98), міжнародній конференції з математичного моделювання (Лазурне’98), конференціях “Застосування обчислювальної техніки, математичного моделювання та математичних методів у наукових дослідженнях” (Львів’94, ’95, ’97, ’98), Міжнародній конференції “Актуальні проблеми вимірювальної техніки” (Київ, “Вимірювання-98”), Міжнародній конференції “Instrumentation and Measurement Technology Conference IMTC’99” (Венеція, Італія’99). СКС лікувального закладу демонструвалася на виставці “Здоров’я-98” (Тернопіль’98), інші розробки - на виставці “Сучасна освіта в Україні” (Київ’99).
Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 30 робіт (з яких 7 - одноосібні), у т.ч. 12 наукових статей (з яких 8 - у фахових журналах), 15 - матеріали і тези конференцій, 2 патенти України, 1 навчальний посібник.
Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота (загальним обсягом 200 сторінок) складається з вступу, п’яти розділів, висновків, викладених на 114 сторінках тексту, переліку використаних джерел з 187 найменувань на 14 сторінках, 13 додатків на 42 сторінках, ілюструється 42 рисунками і 10 таблицями на 30 сторінках.
ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обгрунтована актуальність роботи, сформульована мета, визначені основні задачі і методи дослідження, показана наукова новизна і практична цінність отриманих результатів, висвітлені питання реалізації, апробації та впровадження результатів роботи.
У першому розділі зроблено аналітичний огляд стану і тенденцій побудови типового апаратного забезпечення (АЗ) і програмного забезпечення (ПЗ) комп’ютерних систем. АЗ і ПЗ універсальних систем є функціонально і вартісно надлишковим для потреб СКС, що ускладнює їх застосування. Обгрунтовано шляхи функціонально-вартісної оптимізації СКС, які базуються на виявленні універсальних вузлів (придатних для компонування різних систем), розробці здешевлених їх варіантів за рахунок інтелектуалізації ПЗ і структури відкритої взаємодії прикладного ПЗ СКС із вимірювально-керуючими і термінальними ресурсами. Сформульовано задачі, що визначають структуру і напрями досліджень, для їх проведення обгрунтовано набір наукових методів і методологічних принципів.
На основі аналізу застосувань засобів штучного інтелекту виділено трирівневе представлення інформації в інтелектуальній СКС (код сигналу сенсора - фізична величина - знання), розроблено узагальнену структуру ресурсо-незалежної відкритої взаємодії прикладного ПЗ із вимірювально-керуючими ресурсами на рівні знань про об’єкт СКС. У правильно спроектованій дистрибутивній СКС з такою структурою рівень взаємодії периферії з об‘єктом визначається найвищим рівнем представлення інформації (рівнем сервера), а інтелектуальна підтримка сервером знижує затрати на периферійне обладнання.
Для реалізації оптимізованих за узагальненим критерієм “функціональна ефективність - вартість” СКС створено математичну модель зведеної (до тиражу програмно-апаратної системи) собівартості Sm розробки, адаптації та компонування робочої станції (РС):
Sm = Swh + (Sdh + Sah + 2.8 * Y * kпр * (kм * L / 1000)1.2) / N, (1)
де Swh, Sdh, Sah - собівартість, відповідно, виготовлення АЗ екземпляру РС, його розробки або адаптації до задачі СКС; Y - собiвартiсть людино-мiсяця розробки;
kпр - коефiцiєнт рiвня розробки прикладної програми (ПП), функція 15 коефіцієнтів;
kм - коефiцiєнт рiвня мови ПП (мови високого рівня типу С++ або машинної - Асемблер);
L - зведений еквівалент інтелекту (ЗЕІ) ПП, у кількості рядків на мові високого рівня;
N - кількість однотипних РС у системі, обслуговуваній одним сервером.
Створене на мові C++ ПЗ дозволило дослідити Sm як функцію від L і N згідно (1) для варіантів: 1) розробки РС СКС на базi мікроконтролера типу 8x51; 2) адаптацiї МП комплекту типу Z-80; 3) розробки РС на основі Z-80; 4) адаптацiї обчислювальної потужності ПК IBM (80x86) для РС СКС. На рис. 1 наведена залежність (1) для першого варіанту, а знайдені зони мінімуму Sm(L, N) для розглянутих чотирьох випадків - на рис. 2.
Рис. 1. Залежність Sm(L, N) для РС на базi 8x51. Рис. 2. Зони мiнiмуму Sm(L, N) РС.
Досліджено вплив на Sm зміни Swh, (Sdh+Sah), Y, kпр для імітації параметрів різних СКС і умов їх проектування. Показано, що при малих тиражах або великому об’ємі ПЗ, як база СКС, оптимальна МП платформа 80x86, а для значних тиражів і нескладного ПЗ - платформа 8x51. Інші платформи можна не використовувати, що скорочує кількість апаратних стандартів спеціалізованих плат розширення і варіантів операційних систем (ОС) за рахунок здешевлення 80x86 i нарощення потужності 8x51.
У другому розділі обгрунтована декомпозиція узагальненої структури дистрибутивної СКС на вузли, для яких доцільний вибір їх альтернативних варіантів при побудові конкретних СКС і пошук універсальних варіантів для різних СКС. У перелік вузлів (апаратних і програмних структурних компонент) РС включені наступні класи і типи:
- МП платформа - визначає обчислювальні можливості РС та інтерфейси її АЗ;
- апаратно-програмні вузли - містять апаратну частину і її програмний драйвер (базова обчислювальна потужність (БОП), пристрої введення-виведення, вимірювальні і керуючі плати, накопичувачі, інтерфейси мережі);
- операційна система - визначає перелік базових програмних функцій РС (багатозадачність, інтерфейси, підтримка АЗ на системному рівні);
- програмні вузли - варіанти виконання прикладного ПЗ, обміну інформацією з сервером.
Для одноетапної оптимізації як варіантів РС, так і сумісної дистрибутивної СКС у цілому, у структуру складових РС запропоновано включити:
5) зведені характеристики сервера і мережі - визначаються інтерфейсом мережі РС;
6) зведені характеристики сервера інформаційної бази - залежать від клієнта обміну РС.
На основі модифікації морфологічного методу, апарату векторної і скалярної оптимізації, з врахуванням особливостей проектування СКС і розроблених алгоритмів, формалізовано рішення задачі дискретної оптимізації СКС, що забезпечило розробку ІСО. За критерії оптимізації вузлів прийнято:
1) зведену собівартість S розробки, адаптації і виготовлення РС, включаючи затрати на сервер мережі та інформації. Затрати Snm на реалізацію m-варіанту n-вузла РС становлять:
 , (2)
де Sds, Sas, Sws - відповідно собівартість розробки, адаптації і відтворення екземпляру ПЗ варіанту вузла; Ns, Nw - кількість тиражованих систем і однотипних РС у СКС;
- нормований показник E комплексної функціональної ефективності СКС (кращій системі відповідає менше значення E). Для m-варіанту n-вузла РС
 , (3)
де E1 виражає у процентах відносну ефективність варіанту, а E2 - вагу вузла у системі.
Для СКС критерії оптимізації розраховуються як сума відповідних критеріїв Snm і Enm вибраних варіантів вузлів морфологічної матриці:
 ,  , (4)
де Xnm - Булеві змінні, рівні ‘1’ при виборі m-варіанту n-вузла.
Інші характеристики задані через технічні обмеження (ТО) вузлів СКС (включаючи часові і вартісні обмеження проектування). Зведені затрати розробки Sds й адаптації Sas ПЗ кожного m-варіанту n-вузла розраховуються за (1) на основі заданого L (Sdh=Sah=Swh=0).
Уся різноманітність обмежень і вимог морфологічного методу зводиться до трьох типів умов: 1) альтернативності рішень за сторонами; 2) сумісності (або зв’язності) деяких рішень; 3) переваги одних рішень над іншими.
Перша умова забезпечується тим, що варіанти Xnm реалізації вузлів у межах кожного рядка морфологічної матриці альтернативні. Для її реалізації при синтезі вимірювально-керуючих (ВК) систем, функції яких вимагають поєднання декількох різних ВК плат, розглядаються віртуальні варіанти відповідного вузла, які передбачають як розробку єдиної плати, так і компонування існуючих. Однак компонування висуває вимогу модульного підключення ВК плат розширення до БОП (через системну шину тощо).
Для формалізації другої умови кожен вузол характеризується двома коефіцієнтами, які описують спосіб поєднання (зв’язування) вузлів системи між собою: α ∈{1...6} задає належність вузла до одного з наведених вище класів; β визначає номер базового вузла, до якого прив’язаний даний вузол (лише з αr∈{5,6}). Сумісність виражено залежностями:
1) варіантів вузлів r - від базових b, які вибираються з однаковим індексом j:
 для (αr ∈ {5, 6} та βr = b); (5)
2) параметрів апаратних вузлів h∈ - від c-варіанту вибраної МП платформи (при виборі Xhj приймаються параметри Phjc його субваріанту для вибраної X1c БОП):
Phj=Phjc для (αh ∈ {1, 2, 3, 5}, X1c=1, Xhj=1); (6)
3) параметрів програмних вузлів s∈ - від вибраного o-варіанту ОС рядка OS матриці:
Psj=Psjo для (αs ∈ {4, 6}, XOSo=1, Xsj=1). (7)
Включення зв’язаних вузлів у перелік вузлів РС забезпечило зведення багатоетапного синтезу СКС до одноетапного з синтезом сумісних підрозділів і системи у цілому.
Третя умова (перевага одних рішень над іншими) передбачає знаходження вектора  , який визначає конфігурацію вибірки (одну з можливих комбінацій індексів ji множини ), що забезпечує мінімізацію цільової функції за двома критеріями:
 . (8)
В ІСО реалізовані відомі методи зведення векторного синтезу до скалярного: знаходження оптимального рішення (8) за результуючим показником якості (мінімумом добутку критеріїв якості або зваженої їх суми), показником ефективності, мінімаксним методом, переведенням одного з критеріїв у розряд обмежень і пошуком мінімуму (4) за іншим. Протиріччя “функціональні можливості-вартість” виключає краще за обома критеріями рішення, тому доцільне поєднання досвіду експерта-розробника з автоматизова-ним синтезом негірших рішень. Спочатку згідно безумовного критерію переваги Парето синтезуються негірші конфігурації, потім з отриманої множини експерт вибирає кінцеве рішення з допомогою скалярних методів (враховуючи перспективи розширення СКС).
Для зменшення необхідного об’єму пам’яті ІСО і часу обробки (107-109 варіантів для типової СКС) розроблено адаптивний двопрохідний алгоритм синтезу негірших рішень. На першому кроці ІСО перебирає варіанти згідно (4) і знаходить задану кількість негірших рішень за кожним (одним) критерієм S і E без обмежень за іншим. Це характерні області рішень {Emin при Smax} і {Smin при Emax} на кінцях лівої нижньої границі. На другому кроці діапазон пошуку звужується (відповідно до знайдених Smax і Emax) і ділиться за критерієм E на вказану експертом кількість Z зон {(Emax - Emin) / Z}, у кожній зоні знаходиться задана кількість Kz негірших рішень за S для побудови лівої нижньої границі (рис. 3).
Розроблено інформаційне забезпечення ІСО, яке складається з довідників постійної інформації (класи систем і вузлів, типи і варіанти вузлів і ТО, складові критеріїв оптимізації субваріантів вузлів для БОП і ОС, попередні рішення СКС), параметрів СКС (тип, тираж, ТО) і результатів її проектування (вузлів, задовільних варіантів, розрахованих значень критеріїв оптимізації, переліку негірших рішень). Сформовано довідники функціонально-вартісних характеристик варіантів вузлів АЗ і ПЗ і створено їх узагальнену морфологічну матрицю для проектованих СКС. Розроблені алгоритми, даталогічна модель бази даних і меню-орієнтована ІСО на мові FoxPro забезпечують зручну підтримку довідників експертом, ітераційну векторну і скалярну оптимізацію з графічним (на С++) і текстовим представленням результатів. Розроблено алгоритм взаємодії експерта з ІСО під час типового сеансу ітераційної оптимізації конкретної СКС. Скорочення часу синтезу рішень і підвищення якості оцінки в ІСО досягнені завдяки закладеним новим інтелектуальним можливостям, серед яких: розгляд варіантів компонування вузлів незалежних фірм, розробки чи адаптації вузлів системи; одноетапний синтез оптимізованої СКС у цілому з врахуванням сумісності її підрозділів; задання експертом вигляду Е як функції 5 складових; швидкий адаптивний пошук усієї множини негірших рішень; самонавчання експерта при взаємодії з ІСО (виявлення нетрадиційних оптимальних варіантів, тенденцій покращення СКС, взаємозалежних ТО вузлів).
Рис. 3. Синтезовані при роботі в ІСО варіанти термінальних СКС.
Розроблена методика проектування на базі ІСО (ітераційного виявлення, створення і апробації типових вузлів СКС) оптимізованих СКС складається з наступних етапів:
- актуалізація інформації про функціонально-вартісні характеристики вузлів;
- ітераційний аналіз взаємозалежностей між ТО проектованої СКС, коригування її ТО;
- класифікація негірших рішень для заданого тиражу і обмежень системи;
- пошук стійких рішень вузлів при зміні умов проектування (тиражу, призначення СКС);
- аналіз тенденцій побудови оптимізованих СКС даного класу, пошук напрямів вдосконалення існуючих систем;
- виявлення повторюваних варіантів вузлів при оптимізації СКС різних класів;
- об’єктивна оцінка результатів оптимізації (реалізація етапів 1-6 різними експертами, аналіз спільних рішень і протиріч в оцінках, самонавчання експертів);
- створення макетів, дослідних зразків оптимізованих варіантів вузлів для покращення функціональних характеристик (автономно і в складі СКС) і зниження собівартості;
- створення й оцінка оптимізованих промислових вузлів і їх впровадження в різних СКС.
У третьому розділі проведено аналіз оптимізованих з використанням ІСО варіантів термінальних СКС і апаратно-програмного ядра вимірювально-керуючих СКС, який реалізує 1-6 етапи розробленої методики. Виділені три області рішень (високопродуктивних, середніх і низьковартісних) і 5 класів за кожним з критеріїв оптимізації та виявлені повторювані варіанти вузлів для різного тиражу і типів СКС дозволили сформувати множину оптимізованих типових вузлів. Обгрунтовано доцільність створення нових типових варіантів програмно-апаратних вузлів: БОП на базі 8x51, мережі топології “спільна шина” на базі послідовного інтерфейсу RS-232C, накопичувача на флеш-пам’яті, єдиного набору плат розширення для системної шини ISA IBM і шини БОП на 8x51, протоколів і ПЗ відкритої взаємодії.
Спроектований інтерфейс розподіленої апаратно-незалежної відкритої багатозадачної взаємодії ПП у реальному часі з вимірювально-керуючими ресурсами (ВКР) дозволяє інтегрувати в систему довільні сенсори й ефектори, а також вимірювально-керуючі плати шляхом розробки відповідного драйвера і задання параметрів у таблиці ВКР на стадії компонування системи, дистанційно відлагоджувати ПЗ у СКС. Обгрунтована структура і функції ПЗ сервера та РС СКС, зокрема, функції драйверів ВКР для ефективної багатозадачної роботи в реальному часі, структура запису (з 27 полів) таблиці ВКР, розподіл таблиці на сервері (інформація про ресурси) і на РС (адреси, діапазони - у ПЗП; статус та результати останніх операцій - в ОЗП). Взаємодію (рис. 4) ПП та експертної системи ЕС (через сервер віддаленого керування СВК) із ВКР СКС у реальному часі забезпечує планувальник асинхронних подій ПАП, який використовує таблицю ВКР для взаємодії з драйверами сенсорів, ефекторів, драйверами вимірювальних ДВП і керуючих плат ДКП та переривань на 1-3 рівнях представлення інформації в СКС.
Рис. 4. Взаємодія у СКС через таблицю ВКР.
Для реалізації оптимізованого варіанту мережі “спільна шина” для СКС проаналізовані основні недоліки виробничих мереж і сформульовані вимоги до них. Математична модель мережі з N робочих станцій, які при опитуванні обмінюються з сервером повідомленнями K типів (розміром Bk’ і ймовірністю появи Pk кожен), при ймовірності передачі в мережі байта з помилкою εb та кадру без помилки εk, описує кількість переданих байт Bad (включаючи повторну передачу кадрів із помилкою) за одиницю часу при допустимому середньому періоді опитування τ й коефіцієнті терміновості наступного опитування РС Zk:
 . (9)
Збільшення τ досягається адаптацією ПЗ сервера до реальної мережі за рахунок апріорної інформації про неї та об’єкт, а також динамічної інформації про статус РС. Для кожного виду k-повідомлень задається Zk, виходячи з її попереднього статусу (для неадаптивного опитування отримаємо B при Zk=1). Коефіцієнт Q=B/Bad*100% відображає покращення параметрів мережі при адаптивному опитуванні (рис. 5, а), зокрема, збільшення кількості обслуговуваних РС.
Використання штучних колізій при виявленні приймачем помилки всередині кадру для припинення його передачі покращує (B i Bad на рис. 5, б) параметри мережі згідно:
 . (10)
Моделювання дозволило виявити програмно-апаратні заходи (прослуховування мережі, використання штучних колізій, побітовий контроль передачі і неруйнівний арбітраж, адаптивне опитування РС мережі сервером), які підвищують пропускну здатність і завадостійкість мережі топології “спільна шина”, що забезпечує реалізацію (шляхом модифікації RS-232C) низьковартісної мережі, придатної для використання у виробничих умовах.
 
Рис.5. Параметри мережі для 2400 біт/с і τ=1.0с при εb 0...5%, Bk=10 для неадаптивного B і адаптивного Bad опитування: без використання (а) та з використанням (б) штучних колізій.
Для реалізації єдиного набору плат розширення для МП-платформ 80x86 і 8x51 спроектовані інтерфейс системної шини контролера на 8x51 з платами розширення (як підмножини шини ISA IBM) та його базова система введення-виведення. Синтезована структура накопичувача об’ємом 1М на флеш-пам’яті, алгоритми його автоматичного виявлення і взаємодії на рівні BIOS комп’ютера IBM (повна емуляція накопичувача гнучких дисків) дозволили реалізувати єдиний оптимальний варіант накопичувача РС на 80x86 і 8x51 (підтримка завантаження ОС і ПП на бездисковій робочій станції ПК IBM).
У четвертому розділі розроблені структури, алгоритми, апаратна і програмна реалізація оптимізованих базових вузлів СКС для платформ 80x86 i 8x51. Апаратно-програмна реалізація комплексу заходів з підвищення пропускної здатності мережі топології “спільна шина” (рис. 6) забезпечує створення мережі загальною довжиною до 2км із кількістю РС до 250, здатну працювати в умовах підвищених завад, на базі поширеного RS-232C і низьковартісного неекранованого кабеля.
Рис. 6. Структура модифікованого RS-232C.
Повторювач Rep (у 80x86 ) - або узгоджувач рівнів 0/+5В↔±12В (у 8x51) відділяє передавач TxD від сигнального провідника Line i приймача RxD для реалізації “спільної шини”. Компаратор Comp реалізує побітове прослуховування сигналів передавача і лінії, який виробляє сигнал DSR переривання 8259A при їх неспівпадінні. Схема Br припиняє передачу байта активацією DTR при побітовому керуванні. Структура програмно реалізує виклик штучних колізій і побітовий пріоритетний неруйнівний арбітраж.
Синтезовано структуру низьковартісної мережі РС (рис. 7), обслуговуваних сервером IBM, на модифікованому RS-232C. БОП для таких РС є контролер на AT89C51, адресний простір якого розділений на 32К ОЗП (ПЗП), 16К інтерфейсу системної шини (ІСШ) і 16К - базових портів введення-виведення (БПВВ). Останні дозволяють підключити рідкокристалічний матричний дисплей, кнопкову чи стандартну клавіатуру, друкуючий пристрій і вимірювально-керуючі пристрої з нескладними інтерфейсами.
| 
