Моделирование системы передачи данных

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

10

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Воронежский Государственный технический университет»

Факультет автоматики и электромеханики

Кафедра автоматизированных и вычислительных систем

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине "Моделирование"

Тема: "Моделирование системы передачи данных"

Разработал студент Н.А. Кудинова

Руководитель Б.В. Мистюков

Нормоконтролер В.А. Качанов

Воронеж 2009

Реферат

Процесс выполнения курсового проекта состоит из трех этапов: построение концептуальной модели системы и ее формализация, алгоритмизация модели и ее машинная реализация, получение и интерпретация результатов моделирования.

На первом этапе проведения моделирования конкретного объекта (системы) на базе ЭВМ строится концептуальная (содержательная) модель М_к процесса функционирования этой системы, а затем проводится ее формализация, т.е. основным содержанием этого этапа является переход от словесного описания объекта моделирования к его математической (аналитико-имитационной) модели. Наиболее ответственными моментами в этой работе является упрощение описания системы, т.е. отделение собственно системы S от внешней среды Е и выбор основного содержания модели М_к путем отбрасывания всего второстепенного с точки зрения поставленной цели моделирования [3].

На втором этапе моделирования системы математическая модель, сформированная на первом этапе, воплощается в конкретную машинную модель М_м. Второй этап моделирования представляет собой практическую деятельность, направленную на реализацию идей и математических схем в виде машинной модели, ориентированной на использование конкретных программно-технических средств.

На третьем этапе моделирования инструментальная ЭВМ используется для проведения рабочих расчетов по составленной и отлаженной программе. Результаты этих расчетов позволяют провести анализ и сформулировать выводы о характеристиках процесса функционирования моделируемой системы S.

Содержание

Введение

1. Построение концептуальной модели системы и ее формализация

1.1 Постановка задачи машинного моделирования

1.2 Анализ задачи моделирования

1.3 Описание концептуальной модели

2. Алгоритмизация модели и ее машинная реализация

2.1 Построение логической схемы модели

2.2 Построение схемы программы и проверка достоверности схемы программы

2.3 Проведение программирования модели

2.4 Проверка достоверности программы

3. Получение и интерпретация результатов моделирования

3.1 Представление результатов моделирования

3.2 Подведение итогов моделирования и выдача рекомендаций

Заключение

Список литературы

Приложения

Введение

Имитационное моделирование является мощным инженерным методом исследования сложных систем, используемых в тех случаях, когда другие методы оказываются малоэффективными. Имитационные модели реализуются программно с использованием различных языков. Одним из наиболее распространенных языков, специально предназначаемых для построения имитационных моделей, является GPSS: General Purpose System Simulator (Моделирующая система общего назначения). Этот язык разработан фирмой IBM в начале 60-х годов. Имеются трансляторы с языка GPSS для различных ЭВМ.

Система GPSS ориентирована на класс объектов, процесс функционирования которых можно представить в виде множества состояний и правил перехода из одного состояния в другое, определяемых в дискретной пространственно-временной области. Примерами таких объектов являются вычислительные системы, сети ЭВМ, системы передачи сообщений, транспортные объекты, склады, магазины, предприятия и т.п. В качестве формальных моделей таких объектов используют системы массового обслуживания, автоматы, стохастические сети.

В состав GPSS входят следующие типы объектов: транзакты, блоки, списки, устройства, памяти, логические ключи, очереди, таблицы, ячейки, функции, переменные. Любую модель на языке GPSS можно представить в виде комбинации компонентов, взятых из числа названных объектов. Модель имеет три уровня представления: верхний уровень, определяемый комбинацией основных функциональных объектов: устройств, памятей, ключей, очередей; средний уровень, представляемый схемой из типовых блоков, между которыми перемещаются транзакты; нижний уровень-уровень физической реализации GPSS в виде программ и наборов данных, составляющих основу симулятора GPSS.

Разработчик конструирует модель из блоков, прибегая, как правило, к наглядной форме ее отображения в виде блок-схемы. Для удобства графического представления модели каждый блок GPSS имеет принятое стандартное обозначение. Построенная схема является одновременно программой на языке GPSS. Для ее ввода в ЭВМ необходимо последовательность блоков представить в виде списка операций, добавив к названиям блоков требуемые операнды.

Каждый блок GPSS имеет входы и выходы, с помощью которых осуществляется их связь в модели.

Функционирование объекта отображается в модели в виде перемещения транзактов от блока GENERATE в блок TERMINATE через промежуточные блоки. Транзакты или сообщения являются абстрактными подвижными элементами, которые могут моделировать различные объекты реального мира: сообщения, программы, транспортные средства, людей и т.п. Перемещаясь между блоками модели, транзакты вызывают (и испытывают) различные действия. Возможны их задержки в некоторых точках модели, изменения маршрутов и направлений движения, расщепление транзактов на несколько копий и т.п.

Устройства моделируют объекты, в которых может происходить обработка транзактов. Как правило, она связана с затратами времени. Особенность устройств состоит в том, что каждое из них в данный момент времени может быть занято лишь одним транзактом. Существует аналогия между устройствами GPSS и каналами систем массового обслуживания. В GPSS имеется возможность моделировать прерывания устройств. Существуют средства логической проверки состояния устройств. Каждое из действий с устройством отображается в модели определенным блоком.

Памяти служат для моделирования объектов, обладающих определенной емкостью.

Транзакты в процессе движения могут задерживаться перед блоками, вход в которые в данных условиях невозможен (если в этом блоке не указан альтернативный выход и проверяемое условие не выполняется). При поступлении транзактов на вход задерживающих блоков образуются очереди. Эти блоки сами по себе не создают очередь, а лишь являются средством ее регистрации.

Для сбора статистических данных о различных отчетах модели и их представления в стандартной табличной форме используют таблицы.

1. Построение концептуальной модели системы и ее формализация

1.1 Постановка задачи машинного моделирования

На вычислительном центре в обработку принимаются три класса заданий “A”, “B”, “C”. Исходя из наличия оперативной памяти ЭВМ задания классов “A” и “B” могут решаться одновременно, а задания класса “C” монополизируют ЭВМ. Задания класса “А” поступают через 15-25 мин, класса “B” через 10-30 мин и класса “С” через 20-40 мин и требуют для выполнения: класс “A” - 15-25 мин, класс “B” - 18-24 мин и класс “C” - 23-33 мин. Задачи класса “C” загружаются в ЭВМ, если она полностью свободна. Задачи классов “A” и “B” могут дозагружаться к решаемой задаче.

Смоделировать работу ЭВМ вычислительного центра в течение 80 ч. Определить загрузку ЭВМ заданиями каждого класса. [2]

1.2 Анализ задачи моделирования

В процессе обработки заданий в ВЦ возможны следующие ситуации:

1) на обработку приходит задание класса “С” и проверяет является ли оперативная память полностью свободной, если да, то обрабатывается, если нет, то ждет в очереди полного освобождения оперативной памяти (ОЗУ не занято ни одной из задач трех классов);

2) приходит задача класса “А” и проверяет наличие необходимой ей части оперативной памяти, если таковая существует, то задача поступает в оперативную память и выполняется, иначе - ждет выполнения данного условия (ОЗУ не занято задачами классов “C” и “А”);

3) приходит задача класса “В” и проверяет наличие необходимой ей части оперативной памяти, если таковая существует, то задача поступает в оперативную память и выполняется, иначе - ждет выполнения данного условия (ОЗУ не занято задачами классов “C” и “В”).

1.3 Описание концептуальной модели

Учитывая, что по своей сути описанные процессы являются процессами обслуживания обработки заданий ресурсами ВЦ, используем для их формализации аппарат Q-схем [4]. В соответствии с концептуальной моделью, используя символику Q-схем, структурная схема модели данного примера может быть представлена в виде, показанном на рис. 1, где И - источник; К - канал; Н-накопитель (очередь). При этом источники И1, И2 и И3 имитируют процесс прихода задач классов “A”, “B” и “C” соответственно, т.е. при построении модели сделано допущение, что входящие потоки заданий рассматриваются как воздействия внешней среды Е, т.е. здесь, исходя из целей решения задачи моделирования, условно проведена граница “система S - внешняя среда Е” [4]. Система клапанов регулирует процесс выхода задач (заявок в терминах Q-схем) из очереди Н1 и направление их в необходимый канал К1, К2 или К3. Канал К1 имитирует первую часть ОЗУ, необходимую для обработки задачи класса “A”, канал К2 - вторую часть ОЗУ, необходимую для обработки задачи класса “В”. Канал К3 имитирует полный объем ОЗУ, необходимый для обработки задачи класса “С”. Система клапанов функционирует следующим образом: клапан 1 открыт, если свободны каналы К1 и К3, что соответствует тому, что на данный момент времени в ОЗУ не обрабатываются задачи классов “А” и “С” и если в этот момент времени первой в очереди находится задача класса “А”, то она идет на обработку в ОЗУ; клапан 2 открыт, если свободны каналы К2 и К3, что соответствует тому, что на данный момент времени в ОЗУ не обрабатываются задачи классов “В” и “С” и если в этот момент времени первой в очереди находится задача класса “В”, то она идет на обработку в ОЗУ; клапан 3 открыт, если свободны каналы К1, К2 и К3, что соответствует тому, что на данный момент времени ОЗУ полностью свободно и если в этот момент времени первой в очереди находится задача класса “С”, то она идет на обработку в ОЗУ.

2. Алгоритмизация модели и ее машинная реализация

2.1 Построение логической схемы модели

Так как в рассматриваемом примере моделирования для реализации выбран пакет моделирования дискретных систем ПМДС GPSS/PC V 2, то необходимо разработать блок-диаграмму модели, по сути представляющую собой логическую схему, адаптированную к особенностям использования для машинной реализации модели ПМДС.

Блок-диаграмма модели процесса функционирования ВЦ для данного примера приведена на рис. 1, где для структурных элементов модели, введены следующие обозначения: для каналов обработки заданий: К1 - ramp1, К2 - ramp2, К3 - ramall; очередь с номером 1 соответствует очереди Н1.

За единицу системного времени выбрано 1/100 мин, так как при этом обеспечивается наилучшее качество псевдослучайных последовательностей [3].

2.2 Построение схемы программы и проверка достоверности схемы

программы

В рассматриваемом примере при реализации программы с использованием ПМДС отпадает необходимость в построении схемы программы, так как блок-диаграмма дает достаточную степень детализации, поддерживаемую средствами ПМДС, для генерации рабочей программы моделирования.

С учетом использования для реализации модели процесса обработки заданий в ВЦ пакета ПМДС в рассмотренном примере проверка достоверности схемы программы не требуется, так как средствами пакета обеспечивается однозначный переход от блок-диаграммы ПМДС к рабочей программе.

Рисунок 1. - Блок-диаграмма ПМДС модели процесса обработки

заданий в ВЦ

2.3 Проведение программирования модели

загруженность вычислительный моделирование дискретный

Программа ПМДС, полученная из блок-диаграммы, приведена ниже, а ее описание с комментариями - в табл. 2.1.

2.4 Проверка достоверности программы

Для рассматриваемого примера моделирования процесса обработки заданий в ВЦ сгенерированная рабочая программа в ПМДС GPSS/PC V 2 однозначно соответствует блок-диаграмме и не требует такой проверки, что еще раз подчеркивает преимущества использования для моделирования специализированных пакетов прикладных программ, реализованных на базе языков имитационного моделирования.

Таблица 2.1

Номер Карты	Номер блока	Пояснения
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25-30 31-35 36 37-38 39 40	- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24-29 30-34 35 36-37 - -	Карта запуска симулятора Генерация транзактов с заданным интервалом и одним параметром «байт» - имитация поступления заданий класса «В» Первому параметру транзакта присваивается число 2 Передача транзакта в очередь по метке МЕТ1 Генерация транзактов с заданным интервалом и одним параметром «байт» - имитация поступления заданий класса «С» Первому параметру транзакта присваивается число 3 Передача транзакта в очередь по метке МЕТ1 Генерация транзактов с заданным интервалом и одним параметром «байт» - имитация поступления заданий класса «А» Первому параметру транзакта присваивается число 1 Вход транзактов в очередь с номером 1 Проверка - выключен ли ключ 1 (если ключ 1 включен, то в данный момент на проверке выбора канала уже находится транзакт и ключ 1 блокирует поступление транзактов на проверку) Установка ключа 1 в состояние «включен» Проверка незанятости устройства RAMALL Проверка на неравенство первого параметра транзакта единице, т.е. если проходит задание не «А» класса, то оно идет в следующий блок, если задание «А» класса, то оно минует проверку на занятость устройства RAMP2 (переход по метке GOTO1) Проверка незанятости устройства RAMP2 Проверка на неравенство первого параметра транзакта двойке, т.е. если проходит задание не «В» класса, то оно идет в следующий блок, если задание «В» класса, то для него проверка выполнена и оно идет на обработку в устройство RAMP2 (переход по метке МЕТ2) Проверка незанятости устройства RAMP1 Проверка на неравенство первого параметра транзакта тройке, т.е. если проходит задание не «С» класса (это задание «А» класса), то оно идет в следующий блок, если задание «С» класса, то для него проверка выполнена и оно идет на обработку в устройство RAMALL (переход по метке МЕТ3) Выход из очереди одного транзакта Установка ключа 1 в состояние «выключен» Занять устройство RAMP1 Задержка на заданное число единиц времени Освободить устройство RAMP1 Переход транзакта по метке ENDP Блоки, аналогичные блокам 18-23 (только для устройства RAMP2) Блоки, аналогичные блокам 18-22 (только для устройства RAMALL) Удаление транзакта из системы Системные часы на 480000 единиц времени Прогон модели Карта окончания моделирования

3. Получение и интерпретация результатов моделирования

3.1 Представление результатов моделирования

Файл отчета с результатами моделирования представлен в приложении 2.

3.2 Подведение итогов моделирования и выдача рекомендаций

Для рассматриваемого примера моделирования процесса обработки заданий в ВЦ можно сделать вывод, что полученные на ЭВМ результаты отражают основные особенности функционирования объекта и позволяют качественно и количественно оценить его поведение.

Загрузка ЭВМ заданиями “A” класса - 46,3%.

Загрузка ЭВМ заданиями “В” класса - 47,5%.

Загрузка ЭВМ заданиями “С” класса - 42,3%.

Из сгенерированных за все время моделирования (80 ч или 4800 мин) 239 заданий “A” класса обработку успело пройти 109, из 240 сгенерированных заданий “В” класса обработку прошло 108 и одно задание находится еще в обработке на момент окончания моделирования, из 163 сгенерированных заданий “С” класса обработку прошло 75.

На основе полученных оценок характеристик можно, например, дать следующие рекомендации. Можно расширить ОЗУ ЭВМ в два раза, для того чтобы задачи класса “С” могли выполняться параллельно с задачами классов “A” и “В”, т.е. в одной половине расширенного ОЗУ будут выполняться задачи класса “С”, а другой половине задачи класса “A” и “В”.

Листинг программы, которая моделирует такой процесс обработки заданий в ВЦ при увеличении исходного объема ОЗУ в два раза приведена в приложении 2, а файл отчета с результатами моделирования работы ВЦ этой программой представлен в приложении 3. Из файла отчета видно, что загрузка ЭВМ заданиями класса “A” составляет 99%, заданиями класса “В” - 99,6%, заданиями класса “С” - 9,49%. Показатели загрузки ЭВМ заданиями каждого класса и выполнения количества сгенерированных заданий за время моделирования системы говорят о целесообразности такого решения с увеличением ОЗУ в два раза.

Заключение

В рассматриваемом примере моделирования процесса обработки заданий в ВЦ для реализации выбран пакет моделирования дискретных систем ПМДС GPSS/PC V 2. Специальные средства ПМДС позволяют получить формализацию описания системы S, промежуточную между графической и программной моделями. Построение блок-диаграммы ПМДС позволяет облегчить разработку программной модели, а так же упростить контроль правильности логической структуры модели. Статистика, собираемая в ПМДС-программе, является очень полной. Важна так же достаточная простота в разработке программы с помощью пакета GPSS, по сравнению с различными не специализированными для таких целей языками высокого уровня.

Задачей моделирования было определить загруженность ЭВМ, работающую на ВЦ, задачами трех классов (см. п. 1.1). Результаты следующие:

Загрузка ЭВМ заданиями “A” класса - 46,3%.

Загрузка ЭВМ заданиями “В” класса - 47,5%.

Загрузка ЭВМ заданиями “С” класса - 42,3%.

При подведение итогов моделирования был сделан анализ полученных результатов моделирования системы и так же даны рекомендации по увеличению первоначальной оперативной памяти ЭВМ в два раза и были получены результаты для примера моделирования процесса обработки заданий в ВЦ для такого модернизированного рекомендуемого условия и на основании этих результатов был сделан вывод о целесообразности принятия такого решения (см. п. 3.2).

Для рассматриваемого примера моделирования процесса обработки заданий в ВЦ можно сделать вывод, что полученные на ЭВМ результаты отражают основные особенности функционирования объекта и позволяют качественно и количественно оценить его поведение, что еще раз подчеркивает преимущества использования для моделирования специализированных пакетов прикладных программ, реализованных на базе языков имитационного моделирования.

Список литературы

Бурковский В.Л., Кравец О.Я., Подвальный С.Л. Основы моделирования в среде GPSS. ? Воронеж, 1994.

Бурковский В.Л., Кравец О.Я., Сочнев А.В. Методические указания по выполнению курсовой работы “Моделирование вычислительных систем”. ? Воронеж, 1993.

Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем: Курсовое проектирование. ? М., 1988.

Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. ? М., 1998.

Приложение 1

Листинг программы

; GPSS/PC Program File KURSMOD.GPS. (V 2, # 37349) 05-17-1999 23:07:18

SIMULATE

1 GENERATE 2000,1000,,,,1PB

2 ASSIGN 1,2

3 TRANSFER,MET1

4 GENERATE 3000,1000,,,,1PB

5 ASSIGN 1,3

6 TRANSFER,MET1

7 GENERATE 2000,500,,,,1PB

8 ASSIGN 1,1

9 MET1 QUEUE 1

10 GATE LR 1

11 LOGIC S 1

12 GATE NU RAMALL

13 TEST NE P1,1,GOTO1

14 GATE NU RAMP2

15 TEST NE P1,2,MET2

16 GOTO1 GATE NU RAMP1

17 TEST NE P1,3,MET3

18 DEPART 1

19 LOGIC R 1

20 SEIZE RAMP1

21 ADVANCE 2000,500

22 RELEASE RAMP1

23 TRANSFER,ENDP

24 MET2 DEPART 1

25 LOGIC R 1

26 SEIZE RAMP2

27 ADVANCE 2100,300

28 RELEASE RAMP2

29 TRANSFER,ENDP

30 MET3 DEPART 1

31 LOGIC R 1

32 SEIZE RAMALL

33 ADVANCE 2800,500

34 RELEASE RAMALL

35 ENDP TERMINATE

36 GENERATE 480000

37 TERMINATE 1

START 1

END

Приложение 2

Файл отчета с результатами моделирования процесса обработки заданий в ВЦ

GPSS/PC Report file REPORT.GPS. (V 2, # 37349) 05-17-1999 23:08:10 page 1

START_TIME 0	END_TIME 480000	BLOCKS 37	FACILITIES 3	STORAGES 0	FREE_MEMORY 150352

LINE 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37	LOC 1 2 3 4 5 6 7 8 MET1 10 11 12 13 14 15 GOTO1 17 18 19 20 21 22 23 MET2 25 26 27 28 29 MET3 31 32 33 34 ENDP 36 37	BLOCK_TYPE GENERATE ASSIGN TRANSFER GENERATE ASSIGN TRANSFER GENERATE ASSIGN QUEUE GATE LOGIC GATE TEST GATE TEST GATE TEST DEPART LOGIC SEIZE ADVANCE RELEASE TRANSFER DEPART LOGIC SEIZE ADVANCE RELEASE TRANSFER DEPART LOGIC SEIZE ADVANCE RELEASE TERMINATE GENERATE TERMINATE	ENTRY_COUNT 240 240 240 163 163 163 239 239 642 294 294 294 294 184 184 184 184 109 109 109 109 109 109 109 109 109 109 108 108 75 75 75 75 75 292 1 1	CURRENT_COUNT 0 0 0 0 0 0 0 0 348 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0	RETRY 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

FACILITY	ENTRIES	UTIL.	AVE._TIME	AVAILABLE	OWNER	PEND	INTER	RETRY	DELAY
RAMALL RAMP2 RAMP1	75 109 109	0.423 0.475 0.463	2709.99 2094.08 2040.08	1 1 1	0 294 0	0 0 0	0 0 0	0 1 0	0 0 0

GPSS/PC Report file REPORT.GPS. (V 2, # 37349) 05-17-1999 23:08:10 page 2

QUEUE 1	MAX 349	CONT. 349	ENTRIES 642	ENTRIES(0) 2	AVE.CONT. 173.57	AVE.TIME 129774.99	AVE.(-0) 130180.54	RETRY 0

XACT_GROUP POSITION	GROUP_SIZE 0	RETRY 0

LOGICSWITCH 1	VALUE 1	RETRY 348

Приложение 3

Листинг программы, моделирующей процесс обработки заданий в ВЦ при увеличении исходного объема ОЗУ в два раза

; GPSS/PC Program File KURSMOD.GPS. (V 2, # 37349) 05-17-1999 23:17:28

SIMULATE

1 GENERATE 2000,1000

2 TRANSFER,MET2

3 GENERATE 3000,1000

4 TRANSFER,MET3

5 GENERATE 2000,500

6 SEIZE RAMP1

7 ADVANCE 2000,500

8 RELEASE RAMP1

9 TRANSFER,ENDP

10 MET2 SEIZE RAMP2

11 ADVANCE 2100,300

12 RELEASE RAMP2

13 TRANSFER,ENDP

14 MET3 SEIZE RAMALL

15 ADVANCE 2800,500

16 RELEASE RAMALL

17 ENDP TERMINATE

18 GENERATE 480000

19 TERMINATE 1

START 1

END

Приложение 4

Файл отчета с результатами моделирования процесса обработки заданий в ВЦ при увеличении исходного объема ОЗУ в два раза

GPSS/PC Report file REPORT.GPS. (V 2, # 37349) 05-17-1999 23:18:12 page 1

START_TIME 0	END_TIME 480000	BLOCKS 19	FACILITIES 3	STORAGES 0	FREE_MEMORY 207136

LINE 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19	LOC 1 2 3 4 5 6 7 8 9 MET2 11 12 13 MET3 15 16 ENDP 18 19	BLOCK_TYPE GENERATE TRANSFER GENERATE TRANSFER GENERATE SEIZE ADVANCE RELEASE TRANSFER SEIZE ADVANCE RELEASE TRANSFER SEIZE ADVANCE RELEASE TERMINATE GENERATE TERMINATE	ENTRY_COUNT 241 241 164 164 239 238 238 237 237 229 229 228 228 162 162 161 626 1 1	CURRENT_COUNT 0 12 0 2 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0	RETRY 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

FACILITY	ENTRIES	UTIL.	AVE._TIME	AVAILABLE	OWNER	PEND	INTER	RETRY	DELAY
RAMP1 RAMP2 RAMALL	238 229 162	0.990 0.996 0.949	1997.80 2088.92 2814.16	1 1 1	641 613 635	0 0 0	0 0 0	0 0 0	1 12 2

XACT_GROUP POSITION	GROUP_SIZE 0	RETRY 0

Размещено на Allbest.ru