30 декабря 2017г.
Все меры по обеспечению надежности программ направлены на то, чтобы свести к минимуму ошибки при разработке и, как можно раньше, их выявить и устранить после разработки функционального программного обеспечения (ФПО), под которым понимается комплекс управляющих и обрабатывающих программ, предназначенных для организации функционирования аппаратуры вычислительных систем.
Функциональное программное обеспечение (ФПО) создается под конкретную конфигурацию вычислительной системы и разрабатывается на основании требований к ней, внешних спецификаций, описывающих интерфейсы объектов системы с вычислительными средствами, а также внутренних спецификаций, описывающих интерфейсы между программными компонентами [1].
Основным элементом вычислительной системы является специализированная цифровая вычислительная машина (СЦВМ), ориентированная на решение только специального, определенного (неизменного) класса задач.
Проблемная ориентация СЦВМ осуществляется различными способами:
специальной архитектурной организацией самой вычислительной машины и её внешних связей (каналов обмена) по изделию;
созданием для ЦВМ специального программного обеспечения;
введением дополнительных аппаратных блоков, расширяющих те или иные функции, возлагаемые на ЦВМ данной ориентации.
Обеспечение работы СЦВМ в условиях реального времени при сложных по структуре алгоритмах и малых периодах повторения входной и выходной информации на практике приводит к очень жестким требованиям по возможностям организации обмена между СЦВМ и абонентами. В этих условиях ввод- вывод информации должен организовываться в автоматизированном режиме путем применения развитой системы обслуживания запросов от абонентов.
Несомненной особенностью ФПО СЦВМ является постоянство алгоритмов и цикличность решаемых задач, которые остаются постоянными для всего периода эксплуатации СЦВМ. Временные циклы решения этих задач связаны с измеряемой и обрабатываемой информацией. Циклы периодически повторяются, обеспечивая решение одного и того же круга задач при изменяющихся исходных данных [3].
Следует учитывать, что в СЦВМ циклы расчета управляющих воздействий не могут выбираться произвольно, их запаздывание или опережение приводит к нарушению правильности функционирования системы. К аналогичным последствиям может привести и увеличение интервала дискретизации поступающей на обработку в СЦВМ информации, на основе которой производится расчет управляющих воздействий. Интервал дискретизации входного воздействия определяется на основе теоремы Котельникова для случайных процессов с ограниченным спектром. Для детерминированных процессов он выбирается, обычно, исходя из условия не превышения измеряемой величиной порога квантования по уровню за время, равное интервалу дискретизации.
Время цикла расчета управляющих воздействий является функцией скорости изменения состояния объекта управления, т. е. его инерционности и скорости изменения возмущающих воздействий [2].
Если принять допустимый период повторения интервала времени расчета i -го управляющего воздействия равным Ti , то вычислительная система с СЦВМ в контуре управления будет работать в реальном масштабе времени при выполнении условия ограничения времени расчета:
где
t расч.i – время расчета управляющих воздействий для i -го абонента;
tпр.i – время обработки i- го прерывания (постановка на обслуживание, ввод исходных данных),
tв в.i– время ввода информации от i -го абонента в оперативную память;
tв ыв.i = tпер.i – время передачи информации i -му абоненту;
tпрер.i – время, необходимое для принятия решения о необходимости обмена с i -м абонентом.
В СЦВМ для реализации реального времени используются: операционные системы реального времени; сокращенная система команд; центральный процессор с гарвардской архитектурой.
Развитая система прерываний является обязательным признаком вычислительной системы реального времени. Прерывание инициализируют механизмы программно-аппаратного вызова подпрограмм обработки информации, вызванной этим запросом на прерывание. Эффективная работа в режиме прерываний программ – одно из основных отличий СЦВМ от ЭВМ общего назначения.
Комплекс программ, входящих в состав ФПО вычислительных систем реального времени, следует рассматривать как один из типов сложных систем и поэтому к ним полностью относятся все основные проблемы, связанные с проектированием, внедрением и эксплуатацией сложных систем. Особенности функционирования специализированных вычислительных систем реального времени позволяет сформировать требования, предъявляемые к ним:
непосредственный обмен информацией с большим количеством внешних абонентов при одновременном решении основных функциональных задач;
чрезвычайно высокие требования по минимизации времени обработки внешних заявок на обслуживание;
высокая программная устойчивость при большой (сотни и тысячи часов) продолжительности непрерывной работы и высокие требования к достоверности управляющих воздействий при наличии различных возмущений;
большое разнообразие функций, выполняемых комплексами управляющих программ при относительной неизменности состава ФПО в течение всего периода эксплуатации вычислительной системы.
Реальное время является важнейшим требованием, определяющим выходные воздействия и функциональную связь между изменениями состояния управляемых объектов и моделью их состояния в СЦВМ. Искажение значений времени в СЦВМ может нарушить эту временную связь и привести к полному отказу вычислительной системы. Длительность решения задач и темп выдачи информации должны соответствовать режиму работы и текущему состоянию управляемых объектов. Это означает, что скорость обработки информации должна быть выше скорости реального управляемого процесса. Эффективность организации вычислительного процесса в реальном масштабе времени определяется задержкой сообщений перед их обработкой и вероятностью потери сообщений. Поэтому одной из важных для организации работы комплексов управляющих программ является проблема оперативного управления вычислительным процессом в реальном масштабе времени.
Список литературы
1. Волосенков В. О. Методика оценки качества сложных комплексов программ вычислительных систем реального времени // Наука и техника транспорта. – 2007. – № 1. – С. 63-66.
2. Константиновский В.М., Лопашинов П.М., Шалин С.А. Средства разработки и отладки программного обеспечения для систем, работающих в режиме реального времени. ВСРЭ, серия РЛТ, 2000, вып. 1, С. 7- 21.
3. Уласень А. Ф. Выявление ошибок работы с памятью в информационных системах управления специального назначения // Электромагнитные волны и электронные системы – 2014. – № 11. – С. 45-48.
