книги из ГПНТБ / Смирнов, К. А. Сбор, передача и обработка данных АСУ

2.5

СТРУКТУРА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ АСУ

К л а с с и ф и к а ц и я В К. Структура вычи­ слительного комплекса АСУ определяется объемом об­ рабатываемой информации, степенью срочности ее об­ работки и возможностью прерывания процесса автома­ тического управления. Для обеспечения обработки тре­ буемого объема информации ВК может быть однома­ шинным или многомашинным. Количество машин в вы­ числительном комплексе определяется числом процессо­ ров. В одномашинном комплексе имеется один процес­ сор, в двухмашинном — два и т. д. В многомашинных комплексах в зависимости от характера взаимодейст­ вия между ЭВМ каждая из машин может работать не­ зависимо или же между ЭВМ может быть организована взаимосвязь.

Большое влияние на структуру ВК оказывает допу­ стимое время обработки информации. Чем это время меньше, тем сложнее становятся меры, обеспечивающие требуемую оперативность работы ВК. В состав ВК дол­ жны входить устройства, осуществляющие быстрый ввод и вывод информации из ЭВМ, а структура рабочей про­ граммы должна быть такой, чтобы информация обраба­ тывалась в соответствии с ее приоритетом.

Наконец, на структуру комплекса значительно влия­ ет требование к непрерывности процесса управления. В том случае, когда прерывание этого процесса приводит к недопустимым последствиям, ВК строится так, чтобы вероятность прерывания технологического процесса не превышала допустимой 'Величины. ВК, (в которых дли­ тельность прерывания процесса управления допускается лишь на очень короткие промежутки времени (секунды и доли секунд), называют комплексами, работающими в реальном масштабе времени. Те ВК, в которых преры­ вание процесса автоматического управления не ведет к серьезным последствиям, называют комплексами, рабо­ тающими в относительном масштабе времени. Работа таких комплексов может приостанавливаться на мину­ ты и даже часы.

Из сказанного выше можно сделать вывод, что струк­ тура ВК всякий раз зависит от сочетания определенных требований к производительности, времени обработки информации и возможности простоя ВК. Однако, не-

90

смотря на большую разницу в структуре вычислитель­ ных центров различных АСУ, все же их можно разбить на три 'основных типа — oawoмашинные, много-машин­ ные комплексы, работающие в относительном масштабе времени, и многомашинные комплексы, работающие в реальном масштабе времени.

В К, р а б о т а ю щ и е в о т н о с и т е л ь н о м м а с ­ ш т а б е в р е м е н и . Если производительность ЭВМ до­ статочна для обработки всего объема информации АСУ, сроки обработки данных относительно велики, а крат­ ковременная остановка ВК не приводит к непоправи­ мым последствиям, то вычислительный комплекс АСУ может иметь одну ЭВМ. Объем оперативной памяти и

Рис. 2.25. Структурная схема одномашинного ВК системы автома­ тического управления цехом аммиачной селитры

щих в состав одномашинного ВК системы автоматиче­ ского управления цехом аммиачной селитры [3].

Следует сказать, что большинство существующих АСУ имеют одномашинные ВК, работающие в относи­ тельном масштабе времени. Такие комплексы входят в состав автоматизированных систем управления произ­ водственными процессами, цехами и другими производ­ ственными подразделениями, а в некоторых случаях и предприятиями. Автоматизация научно-технических ра­ счетов, автоматизация управления всевозможными ис­ пытательными стендами, а также сбор и обработка ин­ формации в некоторых системах, как правило, осущест­ вляются с .помощью одной ЭВМ. Пр'и останове ЭВМ

91

приостанавливается и управляемый ею процесс. Так, на­ пример, при останове ЭВМ в АСУ испытательным стен­ дом испытания могут быть приостановлены и возобнов­ лены (или манаты снова) мосле запуска ЭВМ. Оста­ нов ВК 'Приводит в таких АСУ лишь к увеличению времени решения задачи. Одиако существуют АСУ, где технологический процесс нельзя приостанавливать при выходе из строя ЭВМ. В состав таких АСУ должны вхо­ дить средства, позволяющие при выходе из строя ЭВМ переходить на ручное управление.

Если производительности одной ЭВМ недостаточно для реализации процессов управления, протекающих в относительном масштабе времени, то ВК может состоять из двух и более ЭВМ. При независимой работе машин связь между ними осуществляется путем ручного пере­ носа носителя с информацией (перфокарт, магнитной ленты) с одной ЭВМ на другую. Структура такого ком­ плекса по сути дела качественно не отличается от струк­ туры одномашинного комплекса.

Больший интерес представляет оперативное взаимо­ действие ЭВМ. В качестве примера на рис. 2.26 приве­ дена структура двухмашинного комплекса, работающего

- / 1апая iBh болыиаь :iBh

Рис. 2.26. Пример структуры двухмашинного комплекса, работающе­ го в относительном масштабе времени

92

цпи на разнообразные типы носителей для ее последую­ щей систематизации, организации архива, коррекции и т. д. То же можно сказать и о вводных устройствах, максимально упрощающих общение человека с ЭВМ.

Емкость внешних ЗУ технологической ЭВМ может (в зависимости от назначения АСУ) достигать десятков и сотен миллионов байт. Здесь хранятся всевозможного рода справочный материал, рабочие программы, объем которых велик, а частота использования мала, таблицы, оперативный архив и т. д.

Следует добавить, что в зависимости от типа ЭВМ, входящих в состав ВК, последний при однотипности ЭВМ называется «однородным», а при иеоднотипности — «неоднородным». Вопросы программирования, эксплуатации и ремонта наиболее просто решаются в однородных ВК.

В АСУ, используемых в качестве информационносправочных систем, кроме высокого быстродействия ЭВМ, весьма "важным фактором является организация процесса решения задач. Машины в подобных АСУ ра­ ботают, как правило, в режиме «мультипрограммной» обработки информации, что означает одновременность выполнения ЭВМ различных по характеру задач. Муль­ типрограммная работа, в свою очередь, может произ­ водиться в режиме разделения времени или режиме па­ кетной обработки.

Идея «разделения времени» заключается в исполь­ зовании специальной управляющей программы («про- граммы-диспетчера») для последовательного и кратко­ временного обращения к ряду рабочих программ, каж­ дая из которых решает самостоятельную задачу. Быст­ родействие современных ЭВМ позволяет одновременно обрабатывать по несколько десятков независимых ра­ бочих программ и выдавать решения абонентам АСУ соскоростью, определяемой скоростью работы реги­ стрирующей аппаратуры абонентов. Последняя обычно бывает очень низкой по сравнению с быстродействием ЭВМ.

При работе в режиме разделения времени решение задач производится поочередно. Однако из-за большой частоты повторения циклов у абонентов возникает впе­ чатление непрерывности их обслуживания. .Следует от­ метить, что наряду с обслуживанием абонентов часть абонентских установок может использоваться програм-

9-1

м-и-стами для отладим программ, а это значительно ус­ коряет процесс разработки новых программ.

Особенностью управляющих программ, используе­ мых в режиме разделения времени, является полная за­ щита отдельных рабочих программ и информационных массивов абонентов от взаимного влияния и искажения. Составление программы-диспетчера современной уни­ версальной машины столь же сложно, как и разработ-' ка самой ЭВМ. Так, программа-диспетчер машины ИБМ-7030 состоит из 14 000 слов, записанных в опера­ тивном ЗУ.

Примером АСУ с ЭВМ, работающей с разделением времени, может служить отечественная система «Сире­ на», предназначенная для резервирования мест на авиа­ линиях.

Режим разделения времени выгодно использовать в процессе «диалога» между человеком и ЭВМ, т. е. в том случае, когда машине часто задаются задачи, требую­ щие сравнительно небольшого объема вычислений, а ожидание ответа ЭВМ не является тягостным для або­ нента. Программа-диспетчер ЭВМ отнимает значитель­ ную часть машинного времени. Поэтому для решения за­ дач, требующих значительного объема операций, при условии, что абонент может ждать ответ, используется «пакетная обработка». В этом случае пакеты программ для выполнения заявок устанавливаются в очередь по мере поступления заявок в ЭВМ. При прерывании про­ граммы выполняемой заявки (например, при обращении центральной части ЭВМ к внешнему ЗУ) последняя опять ставится в очередь. После окончания прерывания решается следующая заявка.

• При пакетной обработке за счет большей упорядо­ ченности чередования программ ЭВМ ее производитель­ ность используется гораздо полнее, чем в случае рабо­ ты в режиме с разделением времени.

В К, р а б о т а ю щ и е в р е а л ь н о м м а с ш т а б е

вр е м е н и . Вычислительный комплекс, 'обеспечивающий

втечение длительного промежутка времени (исчисляе­ мого иногда годами) безыскаженный прием и обработ­ ку информации, часто называют комплексом, работаю­ щим в реальном масштабе времени. Структура ВК, ра­ ботающих в реальном масштабе времени, зависит от выбранного способа резервирования ЭВМ,' поскольку

только резервированием ЭВМ достигается высокая сте­ пень надежности работы ВК в целом. Существующие в

95

настоящее время принципы резервирования ЭВМ пока­ заны на рис. 2.27.

Наибольшее распространение получили ВК с дубли­ рованными ЭВМ (рис. 2.27а). Здесь одна и та же ин­ формация вводится одновременно в две ЭВМ и одно­ временно там обрабатывается. Вывод данных осущест­ вляется лишь из одной машины — основной. При ее по-

!

II

В)

I !

гэ

«о

8)

Рис. 2.27. Структура ВК с дублированными ЭВМ ( а ) , строенными ЭВМ ( б ) ,и с ЭВМ, имеющими скользящее резервирование ( в )

вреждении устройство контроля и резервирования под­ ключает каналы вывода данных к резервной ВМ, кото­ рая с этого момента будет являться основной. При та-

96

Кой структуре ВК необходим двойной объем оборудова­

ния.

Существуют и более экономичные варианты построе­ ния ВК, когда дублируются только центральные устрой­ ства машины. Устройства внешней памяти и некоторые другие устройства при этом являются общими для о0оих центральных устройств и резервируются по способу «соколь'зящего'» резерва. Ори тавр еждет ни общих для ВК устройств комплекс продолжает функционировать, но его емкость уменьшается.

АСУ, построенные на базе дублированных ЭВМ, при­ меняются для управления движением поездов на же­ лезнодорожном транспорте, для диспетчеризации дви­ жения поездов метро, в системах, автоматизирующих процессы прохождения дискретной информации на круп­ ных узлах связи. В последнем случае такие комплексы называются станциями коммутации сообщений.

Известны также ВК с тремя параллельно работаю­ щими ЭВМ. Такие системы называются строенными (рис. 2.27б). Прием информации и ее обработка про­ изводятся здесь одновременно тремя ЭВМ. Одноимен­ ные каналы из ЭВМ заводятся на мажоритарные схе­ мы, на выходе которых появляется результат выбора «из 3 по 2». В этом случае поток исходящей информа­ ции должен синхронизироваться с точностью до бита. При выходе из строя одной из ЭВМ строенная система превращается в дублированную.

. Строенная система обеспечивает исправление оши­ бок, возникающих на этапе обработки информации в ЭВМ.

Несмотря па большие капитальные затраты, рассма­ триваемая система' выгодна тем, что эксплуатационные расходы в дат ном случае минимальны. вК может об­ служиваться персоналом, работающим в одну смену. Дублированные же системы требуют трехсменного об­ служивания. Строенные ЭВМ применяются в центрах коммутации сообщений и для управления особо важ­ ными технологическими процессами. Более подробное описание их структуры и работы приведено ниже.

Наименьший объем оборудования имеют ВК со скользящим резервированием ЭВМ. Примерная структу­ ра такого ВК приведена на рис. 2.27е. В этом случае вычислительный комплекс состоит из однотипных ЭВМ. Часть машин (3BMi_4) используется для предваритель­ ной обработки информации, одна машина (ЭВМ5) слу­

жит центральным обрабатывающим устройством и одна! (ЭВМС) находится в резерве. Подобный ВК сохраняет работоспособность даже при выходе из строя четырех ЭВМ. Правда, его производительность уменьшается при этом на 3/4.

Следует отметить, что в ВК с такой структурой уст­ ройства контроля й резервирования получаются доволь­ но сложными, и надежность работы их в целом снижа­ ется. Применяются они в центрах коммутации сообще­ ний американской военной сети передачи и обработки данных «АВТОДИН.».

Комплектация ЭВМ, работающих в реальном мас­ штабе времени, отличается от состава машин, работаю­ щих в относительном масштабе времени. Объясняется это тем, что в ВК первого типа исходная информация поступает в ЭВМ, минуя человека, а результаты ее об­ работки передаются в первую очередь объекту управ­ ления. В этом случае в процессе нормальной работы ВК объем информации, которой обмениваются человек и ЭВМ, минимален. Эта информация отражает основ­ ные характеристики процесса управления и нужна че­ ловеку для контроля и документирования. Поэтому ВК, работающий в реальном масштабе времени, должен иметь такие внешние устройства, как ЭЛИТ, алфавитноцифровые печатающие устройства, графопостроители. Что касается устройств ввода информации с перфолен­ ты и перфокарт, то их число в ВК ограничивается пот­ ребностями коррекции рабочих программ и контроля работоспособности отдельных устройств ВК в периоды устранения повреждений.

Из сказанного выше видно, что надежность являет­ ся одним из важных параметров резервируемого ВКБолее или менее точная оценка надежности является сложной задачей, поскольку она характеризуется це­ лым рядом показателей. Поэтому остановимся лишь на двух основных ее показателях: времени наработки на

О Т К аЗ Г н ар И Коэффициенте 1Г0Т01В1Н0СТ1И Кг-

В соответствии с ГОСТ 13377—67 временем наработ­ ки на отказ называют среднюю продолжительность вре­ мени между отказами. В простейшем случае для дубли­ рованного ВК, состоящего из двух параллельно рабо­ тающих ЭВМ, время наработки на отказ находится из выражения

t2

Т__ нар

98

где /нар — среднее число часов наработки на отказ од­ ной ЭВМ; /вое — время восстановления, т. е. среднее время, требуемое для отыскания и устранения повреж­ дения ЭВМ.

Из гориведенного выражения видно, что время 7'нар растет с увеличением надежности ЭВМ и уменьше­ нием времени восстановления. В современных ЭВМ тре­ тьего поколения время наработки на отказ лежит в пре­ делах 1—5 тыс. часов при времени восстановления 0,5— 1 ч. Это позволяет получить время наработки на отказ для дублированного ВК, равное нескольким годам.

Определить коэффициент готовности можно двояким образом. Для нахождения /<г проектируемого ВК удоб­ нее пользоваться вероятностной формулировкой. В этом случае Кг находится как вероятность того, что ВК бу­ дет работоспособен в произвольно выбранный момент времени:

Кг = ---- ^ ---- , 7'нар + ^вос

где Твое — среднее время восстановления ВК- В дубли­ рованном ВК МОЖНО принять Твое ~ 0,5 /вое-

Для работающего комплекса коэффициентом готов­ ности Кг удобнее считать время безотказной работы оборудования, выраженное в процентах в период веде­ ния измерений:

где Г„з — время, в течение которого производились из­ мерения; Етвос — суммарное время, затраченное на ре­ монт комплекса. В современных дублированных ВК аб­ солютное значение Кг достигает величины 0,999-ь0,9999.

2.6

ВОПРОСЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

Процесс решения математических и логи­ ческих задач на ЭВМ, осуществляющих функции управ­ ления, может быть разделен на следующие этапы: 1) формулировка задачи; 2) выбор метода решения зада­ чи; 3) разработка алгоритма; 4) составление програм­ мы; 5) отладка программы; 6) решение задачи на ЭВМ. Рассмотрим более подробно круг вопросов, решаемых