Требования к проектированию вычислительных систем

Общие сведения о проектировании

 

Проектирование  – процесс создания описаний, необходимых для построения в заданных условиях  еще не существующего объекта на основе первичного описания.

 

Первичное описание – задание на проектирование. Оно включает в себя назначение, параметры, способы функционирования, конструктивную реализацию и т.д.

Проектное решение – промежуточное или конечное описание объекта, созданные в процессе проектирования, необходимое и достаточное для определения дальнейшего направления и окончания проектирования. Оформляется в виде проектного документа.

 

Проект – совокупность всех вышеперечисленных документов.

Временное распределение  процесса проектирования

 

1. Предпроектное исследование.
2. Техническое задание (ТЗ).
3. Техническое предложение на основе ТЗ.
4. Эскизный проект (предварительные наброски ).
5. Рабочий проект (руководство для создания системы, указать комплектующие ).
6. Технический проект – решение технических вопросов.
7. Изготовление.
8. Отладка и испытание его в действии.

 

 

1  -   обязательно  если создается система; когда выделяются средства, на месте необходимо решить какие задачи будут решаться, размещение, условия работы, и т.д. , т.е. конкретные условия.

3  -   обсуждение  на основе ТЗ.

Этапы , при создании новых объектов

 

1. Этапы НИИ. Предприятие исследует ТЗ, часть технических предложений.
2. Опытно – конструкторские работы; часть технического проектирования; Эскизный проект ( предварительные наброски ). Рабочий проект ( руководство для создания системы, указать комплектующие ).
3. Этап рабочего проектирования (все остальное ).

Уровни  проектирования

 

1. Функциональное  проектирование.
2. Алгоритмическое проектирование.
3. Конструкторское проектирование.
4. Технологическое проектирование.

 

Для  1:

Включает анализ ТЗ и  на его основе вывод методики построения и путей реализации.

-    системный   уровень

-    логический  уровень                  

-    схемотехнический  уровень

 

Эти три пункта – функциональное проектирование.

Для  2 :

Разработка алгоритмов программирования.

Для  3 :

Размещение аппаратуры (шкафы, стойки, панели,  и т.д. ).

Для 4 :

Выбор технологии для  изготовления.

Классификация  ВС

 

1. Проблемно – ориентированные истины.
2. ВС  общего  назначения.

 

Большинство систем  -  проблемно – ориентированные, используются для реализации конкретной  задачи.

Управляющие системы непосредственного управления технологии производства , система управления производством.

Система  оперативной  обработки  для научно – технических расчетов.

Структура систем массового  обслуживания

Сообщения, поступающие  в систему из вне и проходящие по ней называются  заявками (требованиями).

Те устройства, которые  обрабатывают эти сообщения – обслуживающие устройства. Сообщения или заявки могут храниться в памяти системы, образуя очередь заявок.

Основные  элементы  системы  массового  обслуживания

 

• Источники заявок
• Потоки заявок
• Очереди заявок
• Обслуживающие устройства

 

                                                      Обслуж. Устр

    ИЗ                 ОЧ

            вп  

                                                             оО                                       Выходной  поток

 

ИЗ   -  источник  заявок.

ВП   -  входной поток.

ОЧ   -   очередь.

 

Системы  бывают по типу :

• замкнутые
• разомкнутые

 

В замкнутых системах число заявок , циркулирующих в них ,  = const .

Пусть max число заявок = N , тогда пусть

n  - число заявок  в ОП

q  - число заявок  в ОЧ    , тогда в ИЗ  :    N = ( q+n )

Если  q+n=N  , тогда число заявок  в ИЗ = 0 =>  поток заявок является  переменным.

                              

                                                       ИЗ :  0 .. N

 

В  разомкнутых  системах  емкость  ИЗ  принимается  неограниченной  и  => интенсивность поступления  заявок  из  этой  системы  является  независимой  величиной  ( т.е.  независимой  от     

q и n  ).

 

По  числу  обслуживающих  приборов Системы Массового Обслуживания  делятся на

 

-      одноканальные   - с  одним  обслуживающим  прибором.

• многоканальные -  несколоко  параллельно  обслуживающих  приборов.

 

многофазные  :

 

В  зависимости  от  очереди :

 

• Очередь  может отсутствовать , т.е. система без очереди. Заявка поступает на ОП  и обнаруживая его закрытым , происходит потеря заявки. Такие системы  называются – системы с потерями заявок.

 

Системы с очередями

 

Системы с ожиданиями .

Если ОП занят при поступлении заявки , то она помещается в очередь.

 

Системы с чистым ожиданием ( системы без  потерь ) .

Если число мест для  ожидания не ограничено, то любая заявка ставится в очередь.

• Системы с ограниченной длиной  очереди. Если места в очереди нет , тоновая заявка в такой момент будет потеряна. Это системы с ожиданиями ( с потерями ) .
• Системы с ограниченным временем ожидания. Заявка после окончания времени ожидания покидает очередь не обслуженой. Это системы смешанного типа , т.е. с потерями и ожиданиями.
• Cистемы с ограниченным временем пребывания заявок в системе. Это системы  с потерями и ожиданиями.

                          Q + n = время пребывания.

 

В зависимости  от дисциплины обслуживания заявок.

Это порядок , в соответствии с которым выбираются заявки из очереди , на обслуживание.

 

• В порядке поступления очереди  ( FIFO ) .
• В инверсном ( обратном ) поступлении  ( СТЕК ) .
• Циклическое обслуживание , т.е.  производится циклический опрос заявок в очереди с последующим циклическим обслуживанием.

 

Приоритеты могут быть :

• Абсолютными.
• Относительными.
• Альтернирующиеся ( чередующиеся ).

 

В системах с абсолютным приоритетом заявка , поступающая  в систему , в очередь не помещается , а сразу  подается  на  ОП . Если в это время  в ОП была другая заявка с низшим приоритетом , то ее обслуживание прекращается и она помещается в очередь. Если поступила заявка с низшим приоритетом , то  она  сразу  помещается в очередь.

В системах с относительным  приоритетом  заявкам присваивается  приоритет. Если у заявки выше приоритет , а ОП занят , то она становится первой в очереди и дожидается освобождения ОП.

В альтернирующих системах существуют  две очереди заявок. Заявки с абсолютным  и относительным приоритетом . Очередь заявок  первого типа будет обслуживаться до тех пор , пока она не станет пустой. В этот момент происходит накопление второй очереди.

Назначение приоритетов

• Стоимостные
• Временные затраты

 

Пример

 

“ Обработка заявок в ЦУС “

ЦУС  -  цифровая управляющая система.

Z₁  Z₂  Z _k   -  заявки ( требования ) , поступающие в систему от объекта управления.

Пр  -  устройство прерывания.

Д1 , Д2  -  диспетчеры.

П₁  ,  … , П_k   -  программы , реализующие обработку  заявок.

Пр  -  процессор , реализующий прикладную программу.

УПр  -  обеспечивает прием заявки.

Д1  -  для принятой заявки определяет ее тип ( класс ) и перенаправляет ее в соответствующую очередь.

Д2  -  определяет , какая программа будет обрабатывать данную заявку.

 

Выделяют еще  Сети  массового  обслуживания.

В такой системе заявки поступают в систему по одному выбранному пути.

Показатели  эффективности  Систем  Массового  Обслуживания

1. Для систем с отказами

• вероятность отказа  ( Р_отк )  - вероятность того , что  поступившая в систему заявка  застанет занятый ОП  и будет потеряна.

• вероятность обслуживания заказа  =  1 – Р_отк

 

2. Для систем с чистым временем ожидания

• время ожидания заявки в системе.  t_ож – случайная величина (непрерывная ) .

•      - среднее время ожидания  математического выражения с. в. t_ож
• дисперсия . s²_ож – разброс параметров  t_ож  относительно
• длина  очереди  - число заявок , находящихся в очереди – это случайная  дискретная величина  ,  т.е.  1, 2, 3  …
• средняя длина очереди  (  ) .

 

3. Для  систем  обоих  типов

-      время ответа  (  Т =  +     ) .

                      -  среднее время ожидания заявок в очереди

                     -  средняя длительность обслуживания  заявки.

 

       Для  систем с отказами   = 0 .

• среднее время загрузки обслуживающих приборов  ( ОП )  .

К _з   - среднее относительное время загрузки  ( занятости )   ОП  - коэфф. Загрузки . Циклы обслуживания ОП = длительность занятости + длительность простоя. Чем больше длительность простоя , тем  экономически  невыгодно . Чем больше длительность занятости , тем  больше вероятность  потери .

 

= 1 -       ,  где   - среднее время простоя.

• среднее число занятых каналов ( для многоканальных систем ) .

   

На основе этих показателей можно построить  критерий эффективности системы :

 

W_{эф =} С₁Р_отк + С₂ + С₃ +  С₄   +  . . .               ,  где

 С₁Р_{отк  -}  потеря  от  отказа.

С₂   - потеря от ожидания в очереди.

W_{эф =}       ,  где C_i -  коэфф. Потери в денежном выражении.

  

Семантика

 

1.   Каналы  связи

 

                                  Техническая  система  

 

Модель  данной  системы

 

Сообщение   -  предварительные пакеты  информации.

Очередь 1     -  память  аппаратуры  связи ( АС )  [ обычно  конечна ] , т.е.  £ ¥ .

Обслуживающее устройство 1  ( ОУ 1) -  в данном случае это среда передачи ( если пакеты приходят быстрее чем передаются , то  t _{обсл =} t _{п е ре д а ч и}

Очередь 2     -  память  аппаратуры  сопряжения ,  £ ¥ .

Обслуживающее устройство 2  ( ОУ 2) -  устройство  обработки принятых  сообщений.

 

Такая  система  дает  возможность исследовать.

Пользовательские  характеристики  системы

 

·   Длина очередей ( средняя ) , т.к. это случайная величина  ( Q ) .

     Момент   k – го  порядка :

                m_x = ¶ F (x)       ,   где F (x) – функция распределения.

 

 

·   Время пребывания в очереди -  задержка  в  системе  ( W ) .