2. Управление процессами.
1. Стремительно развиваются вычислительные машины, которые предназначены для управления процессами, протекающие в реальных условиях:
- управление движением самолетов, автоматов и других авиационных систем;
- управление воздушным движением;
- управление поездов на железных дорогах;
- управление работой атомных электростанций;
-управление полетов космических аппаратов;
… металлорежущих станков и др.
2. Одна из отличительных особенностей управляющих компьютеров в том, что они взаимодействуют с физическими объектами, а не с человеком – оператором.
Вторая особенность – невозможность самостоятельно выбирать темы работы: он обязан лишь вовремя реагировать на разнообразные изменение в управляемом им процессе.
3. Понятие системы управление.
Система управления имеет:
- цель управления;
- обратную связь.
Условно СУ состоит из объекта управления и устройства управления.
УУ обобщает все входящие в контур управления элементы, используемые с целью организации самого процесса управления. На вход системы управления подается задающее воздействие X(t), определяющее желаемый характер управляемого процесса Y(t) (цель управления).
УУ на основании информации X(t) и Y(t), а также на основании данных о возмущениях f(t) рассчитывает управление U(t) с помощью которого воздействует на объект управления с целью поставить процесс Y(t) в соответствии сигналу X(t).
4. Связующим звеньями между «К» и процессом служат датчики и исполнительные механизмы.
Как правило, датчик воспринимает аналоговую информацию (например, изменение температуры), которую прежде чем ввести в компьютер («К») необходимо преобразовать в цифровую форму.
5. Системные программы обеспечивают периодический запрос информации от них (от датчиков), либо датчики в произвольные моменты сами прерывают выполнение программ с целью выдачи информации.
СУ обязательно содержит устройство задания временного режима – часы (тактовый генератор), которые также можно рассматривать как датчик.
6. Исполнительный орган воздействует на реальный процесс с помощью либо электрических, либо электромеханических средств. Например, вкл/выкл. вентилятора с целью регулирования температуры.
7. Взаимодействие между «К» и оператором осуществляется через устройство ввода- вывода.
Типичное устройство ввода - клавиатура. Другие средства ввода: световое перо, мышь.
Экран – устройство вывода, отображающего информацию о состоянии управляемого процесса.
Световая и/или звуковая сигнализации, уведомляющая что на некоторую часть процесса следует обратить особое внимание.
8. Центральным звеном всякой управляющей вычислительные системы являются модель реально протекающего процесса.
Такая модель вкл. 3 компонента:
- модельное состояние
- функцию модификацию состояний
- функцию предсказания.
Модельное состояние содержит данные, представляющие полное реальное описание реального процесса в каждый момент t.
Функция модификация состояний на основе информации, получаемой от датчиков осуществляет переход от данного модельного состояния к другому.
Функция предсказания при условии, что она имеет дело с точно заданным модельным состоянием, формирует набор машинных команд, позволяющих установить некоторое требуемые условия для управляемого процесса.
Перечисленные формализованные компоненты описывают замкнутую систему управления: программы получают информацию от датчиков, реализуют функции модификации состояний и предсказания и выдают команды на исполнительные органы. Результаты выполнения этих команд сказываются в дальнейшем на информации, поступающей с датчиков.
9. Самостоятельную не связанную с моделью, но вместе с тем крайне важную для функционирования системы роль играет обобщенный план. Он определяет последовательность состояний, через которые должен проходить управляемый процесс. Например, в СУ движением городского транспорта подобный план задает состояния светофоров в зависимости от времени и интенсивности движения. Указанный план может подготавливаться специалистами, либо автоматически «генерироваться» программными средствами на основе комплекса более абстрактных целей, которые ставят разработчики системы.
<Пример, отопительные системы>
<Движение автомобилей> и др.
10. Следовательно, расчет и планирование это задачи которые часто приходиться решать во многих случаях применения выч. машин: в программах управления используются те же универсальные алгоритмы, которые применяются в программном обеспечении для решения других различных задач.
С другой стороны, требования к СУ процессами отличны от тех, которые предъявляются в других сферах приложениях «К».
Одно из таких требований – повышенное быстродействие. Точное распределение времени редко имеет большое значение для «К», играющего в шахматы или обрабатывающие платежные ведомости, т.к. полученные даже с задержкой результаты не теряют своего смысла.
Система же, управляющая самолетом, обязана принимать решения быстро, т.е. д. функционировать в «реальном времени». Она должна отвечать на многочисленные запросы по мере возникновения и при этом как можно точнее синхронизировать свою работу для решения разнообразных задач.
11. Более важное значение для систем, используемых в самолете, приобретают и надежность, поскольку здесь ошибки программирования связаны с риском для жизни, а не с проигрышем партии или финансовым убытками.
Обеспечение быстродействия, синхронизации и надежности осложняется конструктивными особенностями системы и условиями эксплуатации: часто К, датчики и исполнительные органы находятся на большом расстоянии друг от друга или вынуждены функционировать в тяжелых эксплуатационных условиях.
12. Программные средства для управления процессами организуются в виде набора взаимодействующих и в месте с тем самостоятельных задач. Задача определяется как независимая последовательность машинных команд.
Несколько задач могут выполняться на ряде процессоров – по одной задаче на процессор. В более типичной конфигурации применяется мультизадачная операционная система с целью распределения времени выполнения многих задач на одном компьютере.
Простым примером установления очередности выполнения задач является круговая последовательность, при которой каждая задача получает в своё распоряжение интервал времени, в течение которого она выполняется от начала до конца. При этом подходе выполнение другой задачи может надолго задержаться, если предшествующей ей задаче требуется длительное время.
Второй способ – круговая последовательность с прерыванием. В этом случае каждой задаче отводится непродолжительный период времени, а затем процессор переключается на другую задачу. Если первая задача не завершилась, она получает в распоряжение ещё один промежуток времени, когда подходит её очередь.
Третий способ – приоритетное планирование. Задача с более высоким приоритетом получает более длительные и чаще повторяющиеся периоды времени.
Четвертый способ – планирование конечного срока. Устанавливается крайний срок, к которому д.б. завершено выполнение каждой задачи, а система пытается устанавливать очередность так, чтобы все они достигли поставленных перед ними целей.
13. Рассмотрим простой случай мультизадачной управляющей программы, скоординированного между собой выполнения 2-х задач. Пусть задача с высоким приоритетом получает входную информацию асинхронно (т.е. в непредсказуемые моменты времени) от оператора и/или датчиков. Вторая задача периодически настраивает исполнительные органы в соответствии с последними входными данными.
Если в момент выполнения задачи с низким приоритетом с клавиатуры или с одного из датчиков приходит сигнал о наличии новых данных, опреационная система прерывает эту задачу и только после того, как указанные данные будут считаны, возобновляется её выполнение.
Такую мультизадачную конфигурацию имеют практически все системы управления процессами.
14. При выполнении первой задачи информация с клавиатуры (или с датчиков) просто-напросто загружается в область памяти, которая выделяется для хранения модельного состояния и к которой имеет доступ также и вторая задача. Подобный метод совместного использования рабочего пространства памяти служит мощным и эффективным средством обмена данными между задачами. Он применяется в качестве обязательной процедуры в тех системах управления процессами, которые ограничены рамками одной ЭВМ.
15. Однако межзадачный обмен данными через память коллективного пользования влечет за собой ряд проблем. Одна из них связана с синхронизацией. Это м.б. прерывание задачи с низким приоритетом после того, как она уже восприняла ряд элементов модельного состояния, но не ушла считать другие его элементы. После прерывания и изменения модельного состояния расчёт может основываться на несуществующем сочетании старых и новых данных.
16. Для синхронизации доступа к памяти коллективного (общего) доступа существует несколько подходов:
- выделяются участки программы, для которых задача не может быть прервана;
- блокировка, т.е. прежде, чем получить доступ к данным, задача должна запросить право на это у ОС. Когда же такая задача завершит работу с данными (обновление, считывание всех новых данных), она сообщает ОС, что доступ к данным свободен и ими могут пользоваться другие задачи.
Т.о. ОС гарантирует доступ к данным в каждый момент времени только одной задаче.
17. В мультизадачных программах существует принципиальный источник ошибок. Отчасти это из-за того, что сбои синхронизации чрезвычайно трудно обнаружить. (задержка 1-го полета ШАТТЛа была связана со сложной ошибкой в синхронизации: Рош=1:65 запусков).
Трудности с синхронизацией м. влиять на надежность системы: например ошибка в программировании м. привести к зацикливанию задачи в тот период, когда она выполняется в режиме блокировки прерываний и другие задачи м.б. исключены из процесса решения.
18. С памятью коллективного пользования возможны проблемы, не связанные с синхронизацией. Т.к. доступ к памяти имеет совместный характер, задачи не изолированы друг от друга и исключить последствия сбоя весьма непросто. Некорректное выполнение одной задачи м. повлечь изменение модельного состояния и , следовательно, нарушается ход решения других задач.
Для вычислительных сетей, где К располагаются в различных географических пунктах совместное использование памяти становится невозможным ещё и по причинам, связанным с аппаратными средствами.
19. По ряду причин, включая рассмотренные выше, некоторые системы управления процессами организуются в виде набора задач не разделяющих между собой модельное состояние, а непосредственно обмениваясь информацией путем передачи сообщений. Каждая задача отслеживает те элементы модельного состояния, которое ей необходимо разместить в собственном сегменте памяти индивидуального пользования. Функции отправки и приёма сообщений выполняет ОС,
(Только для простых средств управления процессами конфигурация с пересылкой сообщений представляется более сложной и менее эффективной, нежели память коллективного доступа).
20. системы, которые состоят из нескольких согласованно функционирующих ЭВМ, применяются всё более широко в управлении процессами и при научных расчётах, обработке данных и в решении задач искусственного интеллекта.
В некоторых конфигурациях такого типа несколько процессоров пользуются общей памятью: однако совместный доступ возможен, только если ЭВМ размещены рядом. (передача сигнала на 1км – это несколько мс, что является недопустимой задержкой при интенсивном обмене данными).
21. Если компьютеры территориально разнесены, то система строится в виде набора процессоров, у каждого их которых предусмотрена своя память. Такие процессоры соединяются каналами связи, образуя сеть. Эти так называемые распределенные системы всегда строятся на принципе передачи сообщений.
Полоса частот эквивалентна числу бит/сек, а интервал ожидания – это запаздывание приема информации по времени относительно момента её отправки.
22. Наиболее существенная причина широкого применения распределенных вычислений в области управления процессами состоит в том, что они служат эффективным средством обеспечения надежности (сбой в одной машине не должен повлечь отказ всей системы).
23. когда необходимо добиться того, чтобы система в целом функционировала непрерывно, необходимы резервные средства обработки. Но этого не достаточно. Выход из строя отдельного звена управляющей системы не должен нарушать непрерывную работу К и его программного обеспечения и всей системы – от датчиков до исполнительных органов.
(Машина, функционирующая правильно, но получающая неверную инф. от датчиков и, соответственно, выдающую некорректные команды исполнительным органам, может принести больший ущерб, чем ЭВМ, которая вообще прекратила работу).
24. Главная цель мероприятий по повышению надежности – это обеспечение непрерывной работы системы, на которую никак не влияют ошибки и сбои. В принципе такая цель недостижима.
(Характер компромиссных решений м. проиллюстрировать подходом, который был принят в США при создании челноков ШАТТЛ, т.к. основная бортовая вычислительная система корабля дублируется, то сбой не вносит никаких изменений в программу полета. Второй сбой также не опасен для космического корабля, однако корабль срочно возвращается на землю, поскольку последующие сбои м.б. роковыми).
25. Если обеспечить работоспособность всей системы после отказа невозможно, надо добиться того, чтобы она в этих условиях могла выполнять хотя бы часть своих функцией. Такое свойство системы носит название «плавная деградация». К примеру, система, потерявшая способность управлять процессом автоматически, может все же воспринимать команды, задаваемые оператором с клавиатуры, т.е. вести управление вручную.
Если в случае серьезного отказа, невозможно выполнение даже частичных функций, то система должна по крайней мере обеспечить упорядоченный останов процесса, чтобы избежать возможных аварий.
26. Ошибки программного обеспечения могут появляться 3-мя возможными способами:
- нарушение требований самой системы к реализации функций управления процессами, в результате чего выполнение даже правильно составленной программы будет приводить к ошибкам (при первом полете ШАТТЛа недостаточное знание летных характеристик корабля привело к тому, что он все время перемещался по восходящей траектории и это могло бы сделать невозможной его аварийную посадку в случае возникновения аварийной ситуации);
- логические алгоритмы, лежащие в основе программного обеспечения, м. не соответствовать поставленному техническому заданию (типографская опечатка);
- ошибки по вине оператора, работающего с программными средствами.
27. Защита от ошибок – ключевая проблема во всех случаях применения выч. техники (и не только). А в управлении процессами высокая вероятность сбоя синхронизации и распределения времени, более высокие издержки, которые м.б. вызваны подобными ошибками, повышает как важность, так и сложность реализации защиты от них (эксперты, параллельные группы программистов и т.д.).
28. Для защиты от ошибок со стороны операторов система д. обладать свойством защиты «от дурака»:
- более тщательно разрабатывать логику и ПО;
- контролировать достоверность введенной информации – находится ли вводимые величины в установленном диапазоне;
- возможность представлять оператору переосмыслить свои действия «действительно ли Вы намереваетесь остановить процесс?».
29. Замечательная особенность программных средств в том, что после достижения правильной работы программы она будет работать сколь угодно долго: ПО не «ломается» в отличие от аппаратных средств:
- процессоры м. ломаться и допускать ошибки в расчетах;
- ЗУ и датчики способны выдать неверную информацию;
- в каналах связи данные м. исказиться и теряться;
- исполнительные органы м. неправильно работать.
Утратить работоспособность м. и один компонент и полностью компьютер со своими каналами связи – как, например, при пожаре в самолете. Отказ вычислительной системы не исключен, он м. произойти вследствие изменения внешних условий: скачка напряжения или из-за перегрева/охлаждения.
30. Т.к. от СУ требуется надежность в работе, противостоять причинам, вызывающим отказ. Избежать влияния подобных причин позволяют разнообразные формы конструктивной избыточности или резервирования.
31. избыточность м. предусмотреть в составе самой аппаратуры. Например, каждому элементу данных в памяти сопутствует дополнительная информация, что позволяет автоматически исправлять определенное число ошибок, связанных с хранением (передачей) информации. Некоторые процессоры повторно выполняют «сбойную» команду. С той же целью в аппаратных средствах м. дублироваться основные логические блоки или даже целые процессоры.
Результаты, полученные с помощью таких устройств, работающих параллельно, сравниваются, и окончательный итог определяется по «большинству голосов» (мажоритарный выбор). Этот метод на. Избыточностью по модулю n. При n>3 можно получить правильное значение, когда число ошибок не превышает (n-1)/2. При увеличении числа n надежность системы возрастает, если её блоки отказываю независимо друг от друга.
32. Повышают надёжность и средствами ПО. Программы способны повторно выполнять процедуры после сбоя.
Программы многократно дублируют передачу одних и тех же данных же тех пор, пока не будет получено уведомление, что все данные дошли до адресата. Программные средства м. обратиться к дублирующему источнику информации, если первый отказал. При ошибочной работе исполнительного органа, команды м. подаваться на другой исполнительный орган.
33. В многомашинной системе программные процедуры м. выполняться несколькими процессорами, чтобы избежать нежелательных последствий неисправности какого-либо процессора. ПО м. составляться независимо для каждого процессора, повышая вероятность того, что как мин. Одна версия программы будет корректной.
Если система состоит из автономных процессоров, кот. Имеют раздельное питание, разнесены на некоторое расстояние друг от друга и соединяются линиями связи с резервированием каналов, то возможность выхода из строя всей системы весьма мала. При наличии же избыточных датчиков и исполнительных органов надежность всей системы м.б. чрезвычайно высокой.
34. Один из методов реализации широкого резервирования в том, что одному из К присваивается статус основного, а др. считаются дополнительными. Основной К принимает информацию от датчиков и выдает команды исполнительным органам. Доп. машина также м. принимать инф. с датчиков, так что если одной из них придется принять на себя обязанности основного К, она будет располагать точным модельным состоянием. (Проблема – это безошибочное определение момента отказа основного К). Может возникнуть ситуация, когда неисправная доп. машина может «перехватить» управление у правильно работающей основной ЭВМ.
Другой метод организации многомашинных систем основан на принципе мажоритарного выбора. Такой подход основан на работе с избыточностью по модулю n, за исключением того, что мажоритарный выбор осуществляется программными, а не аппаратными средствами. Модули программ выполняют расчеты, обмениваются результатами и проводят «голосование».
(Система на таком принципе управляет полетом ЩАТТЛа на наиболее ответственных участках траектории. В ее составе 4 автономных процессора. Каждый процессор выдает отдельному исполнительному органу команду на выполнение любой функции, например, при изменении положения плоскостей крыльев при полете в атмосфере. Мажоритарный выбор осуществляется гидравлическим методом: 3 исполнительных механизма могут «пересилить» один).
35. Некоторые СУ процессами весьма просты (например, установка для управления отопительной системой). Другие, в частности, управление ВС, космическим кораблем, телефонным коммутатором, относятся к наиболее сложным. Для них требуется создание более совершенных обобщенных планов функционирования системы, оптимальное распределение её временных ресурсов, высокие эксплуатационные характеристики, надёжность. Добиться этого м., используя принципы инженерного проектирования программ, архитектуры аппаратных средств, системотехники, операционных систем и искусственного интеллекта. Для создания сложного комплекса типа БВУ космического корабля необходимы многолетние усилия тысяч специалистов.
Здесь проблема в снижении затрат времени на проектирование сложной системы управления. В принципе разработка аппаратуры и программных средств для управления процессами возможна практически в любом случае. Однако подобная задача м. оказаться исключительно дорогостоящей.
Существует реальная потребность в усовершенствовании методов разработки технических условий и составления программ, в упрощении принципов анализа и испытаний, а также в улучшении системных архитектур.