Лабораторная работа № 4

Оценка эффективности управления технологическим процессом

при использовании вычислительных систем с иерархической памятью

ВВЕДЕНИЕ

Управление технологическим процессом с помощью электронных вычислительных машин (ЭВМ) может быть определено как способ применения ЭВМ для управления технологическим процессом в целом и используемым в нем оборудованием с целью обеспечения определенных эксплуатационных и экономических показателей.

Системы машинного управления технологическими процессами выполняют три основные функции:

• обработку данных и слежение за ними;

• непосредственное и программное управление;

• оптимальное управление.

На рис.1 показаны взаимосвязи ЭВМ с технологическим процессом, датчиками и автоматическими регуляторами.

Рис. 1

Одним из основных устройств в системе управления является память. Она хранит команды, которые предстоит выполнить; информацию, полученную с датчиков технологического процесса; промежуточные данные, таблицы, константы и результаты вычислений.

При управлении установившимися технологическими процессами на ЭВМ решаются задачи со стационарными статистическими характеристиками. Поэтому при выборе той или иной вычислительной машины ее математическое обеспечение и оборудование, в частности память, должны анализироваться как единое целое, предназначенное для наиболее эффективного использования ЭВМ в данном классе задач управления технологическим процессом.

Причины технологического и стоимостного характера не позволяют использовать в вычислительных системах (ВС) только устройства оперативной памяти (ОП). Наряду с ОП неотъемлемой частью памяти ВС являются более дешевые и с большей емкостью устройства памяти на магнитных дисках, барабанах, лентах и др., на которых, как правило, размещается большая часть информации.

Применение этих устройств памяти, имеющих на несколько порядков меньше быстродействие, чем быстродействие ОП, выдвинуло чрезвычайно сложную задачу максимального приближения быстродействия памяти ВС к быстродействию ОП соответствующего управления всей системой памяти. Одним из этапов решения этой задачи явилось создание иерархической памяти, которая подразумевает упорядочение по уровням различных устройств памяти в соответствии с их быстродействием. Физически такая память реализуется в виде многоуровневого запоминающего устройства (ЗУ). При этом непосредственно с ОП связано наиболее быстродействующее из внешних ЗУ (например, ЗУ на магнитных барабанах), далее с этим ЗУ связано следующее по быстродействию устройство памяти (например, ЗУ на магнитных дисках) и т.д. Эффективность использования памяти с такой схемой во многом зависит от алгоритмов управления ею. Эти алгоритмы осуществляют автоматическое перемещение информации между уровнями памяти, обеспечивая так называемое динамическое распределение памяти.

Наиболее известен и широко применяется на практике страничный способ динамического распределения памяти. Этот способ основан на концепции математической или виртуальной памяти, представляющей собой упорядоченное множество математических адресов, которые используются при составлении программы на машинном языке. Все поле математической и физической памяти разделено на равные части, называемые соответственно физическими и математическими страницами. Программисты имеют дело с математическими страницами. Распределение математических страниц по физическим осуществляется автоматическими диспетчерскими программами операционной системы. ВС непосредственно имеет доступ только к оперативной памяти. Из–за ограниченного объема этой памяти там может находиться только небольшая часть страниц программы. В случае отсутствия в ОП затребованной страницы она вызывается из внешней памяти и записывается на место одной из страниц, находящихся в ОП. Правила, которые определяют замещаемую страницу в ОП, называются дисциплинами или алгоритмами замещения.

Задача организации замещения страниц в ОП является экстремальной. При ее решении стремятся к минимизации числа обменов между ОП и внешней памятью путем рационального выбора алгоритма замещения.

Модель управления технологическим процессом при использовании иерархической памяти приведена на рис. 2.

Рис. 2

Иерархическая память ЭВМ состоит из двух уровней: ОЗУ и ВЗУ. В ЭВМ поступают сигналы с датчиком. Каждому сигналу ставится в соответствие некоторая страница программы, после обработки которой ЭВМ выдает соответствующее управляющее воздействие. При этом реакция системы управления зависит от того, где находилась требуемая страница: в оперативной или внешней памяти.