Методи та засоби розподіленого імітаційного моделювання електронних систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

Волк Максим Олександрович

УДК 519.711:681.3.06

Методи та засоби розподіленого імітаційного моделювання електронних систем

Спеціальність 01.05.02 - Математичне моделювання

та обчислювальні методи

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському державному технічному університеті радіоелектроніки.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, професор

Горбачов Валерій Олександрович, професор кафедри електронних обчислювальних машин, Харківський державний технічний університет радіоелектроніки

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Тевяшев Андрій Дмитрович, завідувач кафедри прикладної математики, Харківський державний технічний університет радіоелектроніки

кандидат технічних наук, доцент Леонов Сергій Юрійович,

доцент кафедри обчислювальної техніки та програмування, Харківський політехнічний університет

Провідна установа: Харківський державний університет,

кафедра математичного моделювання, Міністерство освіти України, м. Харків

Захист відбудеться “19" жовтня 1999р. о 13-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.02 в Харківському державному технічному університеті радіоелектроніки за адресою:

310726, м. Харків, пр. Леніна, 14, fax: (0572) 40-91-13.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці університету Харківського державного технічного університету радіоелектроніки за адресою: 310726, м. Харків, пр. Леніна, 14

Автореферат розісланий " 10 " вересня 1999р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Безкоровайний В.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На сучасному етапі розвитку засобів дослідження і проектування складних систем, до яких відносяться електронні обчислювальні системи, спостерігається підвищений інтерес до програмних та апаратних систем моделювання. Засоби та алгоритми моделювання постійно розвиваються і поширюють клас та складність об'єктів, що можуть бути досліджені з їхньою допомогою. Вони дозволяють значно скоротити обсяги робіт, вартість і терміни розробок проектів, підвищуючи при цьому їхню надійність та сферу застосування. Більш того, на сьогоднішній день жодна науково-дослідна, прикладна або технічна розробка не обходиться без етапу моделювання.

До одного з найбільш актуальних напрямків моделювання відноситься імітаційне моделювання з використанням ЕОМ. Розроблені засоби та концептуальні схеми імітаційного моделювання дозволяють будувати моделі об'єктів, практично будь-якої складності. Однак швидкий розвиток засобів імітаційного моделювання і розширення галузей його застосування викликають ряд проблем і ставлять перед ним нові завдання. До їхнього числа можна віднести велику різноманітність засобів імітаційного моделювання, відсутність єдиних стандартів на опис об'єктів дослідження і систем моделювання. До постійних питань, які стоять перед розробниками і користувачами систем моделювання, відносяться питання швидкодії моделювання, що визначають цілі напрями в імітаційному моделюванні, основані на застосуванні обчислювальних, апаратних, алгоритмічних, декомпозиційних засобів. До них же можна віднести і засоби використання розподілених ресурсів, доступних системі моделювання.

У практиці імітаційного моделювання існує деяка дистанція між різноманітними методами моделювання, з одного боку, та їхньою реалізацією в середовищі моделювання, з іншого. Кожний розробник, створюючи систему моделювання, орієнтується на конкретну концептуальну схему імітаційного методу і враховує доступні йому обчислювальні ресурси. При цьому безпосередньо розробка середовища моделювання носить евристичний характер, що створює обмеження на універсальність, розповсюдження систем моделювання, а також на можливості їхнього спільного використання.

У даній роботі пропонується концепція єдиного підходу до імітаційного моделювання електронних систем, яка основана на особливостях вибраного класу об'єктів моделювання, існуючих засобах імітаційного моделювання, урахуванні структури середовища моделювання та використанні розподілених ресурсів системи моделювання. Прикладом обчислювального середовища імітаційної системи моделювання в роботі є мережа ЕОМ, яка являє собою один з найбільш перспективних, на сьогоднішній день, засобів паралельного моделювання.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась згідно з планом науково-технічних робіт Харківського державного технічного університету радіоелектроніки в рамках держбюджетних тем:

279-1 “Розробка систем моделювання засобів обчислювальної техніки” на підставі наказу Міносвіти № 68 від 31.03.92 (№ДР 0194 04667);

368-1 “Учбова система автоматизованого проектування мікропроцесорних систем” на підставі наказу ректора ХТУРЕ №03кн від 17.01.94 (№ДР 0194 021695);

030 “Розробка та дослiдження ефективностi iнтелектуальної iнтегрованої платформи засобiв автоматизованого проектування електронних систем” на підставі наказу Міносвіти №37 від 13.02.97 (№ДР 0197 008895).

Мета та задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка та дослідження методів і засобів розподіленого імітаційного моделювання електронних систем. Дана мета розкривається за допомогою рішення наступних задач:

Формалізувати поняття: імітаційна модель електронної системи, система моделювання, розподілений ресурс з єдиної точки зору імітаційного середовища моделювання.

Розробити формальний апарат опису (подання) електронних систем з орієнтацією на створення розподілених моделей.

Узагальнити існуючі та пропоновані методи імітаційного моделювання з точки зору імітаційного середовища моделювання.

Розробити методи та алгоритми розподіленого імітаційного моделювання електронних систем.

Розробити алгоритми декомпозиції моделей електронних систем для розподіленого імітаційного моделювання.

Розробити засоби й алгоритми оцінки ефективності розподіленого імітаційного моделювання.

Досліджувати запропоновані засоби й алгоритми на практиці.

Наукова новизна одержаних результатів.

Запропонована формальна модель імітаційного середовища моделювання в умовах розподілених ресурсів як сукупність паралельних процесів (отримано вперше).

Розроблені засоби опису й алгоритми паралельного моделювання електронних систем на основі формальної моделі імітаційного середовища моделювання (отримано вперше).

Проведена формальна адаптація існуючих імітаційних алгоритмів моделювання для умов розподілених ресурсів (удосконалено).

Розроблені засоби оцінки ефективності розподіленого імітаційного моделювання та запропоновані шляхи їх використання в алгоритмах декомпозиції імітаційних моделей (отримано вперше).

Розроблені алгоритми декомпозиції процесних імітаційних моделей електронних систем (отримано вперше).

Розроблено модифікований паралельний алгоритм декомпозиції моделей електронних схем (удосконалено).

Практичне значення одержаних результатів. На підставі теоретичних досліджень одержані алгоритми розподіленого імітаційного моделювання та декомпозиції моделей електронних систем. Виявлені особливості застосування алгоритмів, що пропонуються. За результатами проведених досліджень розроблено комплекс програм, які реалізують комп'ютерні елементи системи моделювання та приклади електронних систем, що моделюються.

Теоретичні та практичні результати роботи були використані в науково-дослідних роботах ХТУРЕ (див. п. "Зв'язок роботи дисертації з планом основних наукових досліджень").

Розроблені та досліджені в дисертації алгоритми були впроваджені в Харківському інституті сучасних технологій для розробки програмно-апаратного комплексу діагностики електронних систем, що поширило функціональні можливості комплексу.

Методи розподіленого імітаційного моделювання, пропоновані в дисертаційній роботі, були використані при розробці програмної частини системи сертифікації електронних систем у Науково-дослідному і проектному інституті "Союз" (НДПІ "Союз", м. Харків), що створило можливість збільшити швидкодію системи сертифікації та об'єднати різнорівневі моделі електронних систем.

Результати дисертаційної роботи використані в навчальному процесі при підготовці курсів "Моделювання систем" та "Проектування мікропроцесорних систем" на кафедрі електронних обчислювальних машин ХТУРЕ.

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота є підсумком особистої роботи автора. У роботі [1] автору належить розробка структури системи моделювання та формальна модель керування обчислювальним процесом; [2] - розробка алгоритму розподілення електронних схем; в роботі [3] запропонована ідея процесного способу створення імітаційних моделей електронних систем; у [6] автором розроблено алгоритм синхронізації моделей при змішаному моделюванні електронних систем на різних рівнях в ієрархії абстракції побудови даних моделей; [8] - запропонована ідея ефективного моделювання електронних схем в умовах розподілених ресурсів, до яких віднесено бібліотеку процедур розв'язання лінійних рівнянь; у [9] розроблено алгоритм моделювання систем за допомогою мереж Петрі, який знижує час моделювання та об'єми пам'яті ЕОМ; [10] - запропоновано метод об'єднання моделей з різним механізмом керування модельним часом; у [13] подано аналіз розподілених ресурсів сучасних обчислювальних мереж ЕОМ; у [4,7,13,14] автором розроблені принципи та алгоритми декомпозиції імітаційних моделей електронних систем і їх застосування для розв'язання задач паралельного імітаційного моделювання в умовах розподілених ресурсів.

Апробація результатів дисертації та публікації. Основні результати дисертації доповідалися та обговорювалися на I, ІІ, ІІІ, ІV Міжнародних конференціях "Теорія і техніка передачі, прийому та обробки інформації" (м. Туапсе, 1995, 1996,1997, 1998 рр.), на I, ІІ та ІІІ Міжнародних молодіжних форумах "Електроніка та молодь в XXI сторіччі" (м. Харків, ХТУРЕ, 1997, 1998, 1999 рр.), на науково-методичній конференції "Використання комп'ютерних технологій у навчальному процесі" (м. Харьків, ХТУРЕ, 1997р.), на Міжнародній науково-технічній конференції "Математическое моделирование и информационные технологии ", (Росія, м. Бєлгород, 1997р.), на Міжнародній науково-технічній конференції "Проблемы развития систем аэронавигационного обслуживания и авионики воздушных судов" (м. Київ, 1998р.). Основні положення і результати дисертаційної роботи надруковані в чотирнадцяти публікаціях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, висновків, додатків загальним обсягом 189 сторінок; містить 5 сторінок рисунків, 4 додатка на 28 сторінках, список використаних джерел з 108 наймувань на 10 сторінках.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність проблеми, що розглядається в роботі, показані її сутність, наукова новизна та практичне значення одержаних результатів; вказано на зв'язок роботи з науковими роботами та апробацію результатів дисертації.

У першому розділі подано аналіз стану імітаційного моделювання складних систем, до класу яких відносяться сучасні електронні системи. Визначені основні поняття і визначення, що використовуються в роботі, такі як: імітаційне моделювання, імітаційна модель, компонента системи, параметри моделі, активність, функціональна дія, середовище моделювання та інші. Аналіз охоплює теоретичні та практичні питання використання засобів імітації. Більш детально досліджені три напрямки у вибраній предметній галузі.

У дисертаційній роботі розглянуті основні методологічні підходи та концептуальні схеми дискретного і безперервного імітаційного моделювання. Відзначається наступне: достоїнства і недоліки кожного з методів; труднощі при виборі засобу моделювання конкретних елементів електронних систем; відсутність стандартів на побудову моделей, середовищ моделювання та обмін даними; проблеми спільного використання різних моделей і систем моделювання; традиційно окремий розгляд засобів моделювання, імітаційних моделей, систем моделювання та обчислювальних ресурсів, що використовуються в процесі імітації.

Досліджується метод декомпозиції в теорії імітаційного моделювання електронних систем як одне з найперспективніших напрямків підвищення ефективності моделювання. У роботі вказуються особливості структурної і функціональної декомпозиції щодо вибраного класу задач, а також розглядаються засоби декомпозиції як основа паралельного імітаційного моделювання.

Проведений аналіз обчислювальних ресурсів, що використовуються для паралельного імітаційного моделювання електронних систем, і моделі обчислювальних ресурсів, що найбільш часто застосовуються. Описується мережа ПЕОМ як засіб паралельного моделювання.

На основі проведеного аналізу сформульовані зазначені вище мета та задачі дисертаційної роботи.

У другому розділі пропонується формальна модель середовища моделювання, яка складається з таких елементів: моделі об'єкта дослідження (ІМ), обчислювальних ресурсів (ЕОМ), системи моделювання (ППм):

{ ІМ, ЕОМ, ППм} (1)

Кожний елемент є сукупністю процесів, а безпосередньо імітація - це результат їх взаємодії.

Формально пропонована імітаційна модель ІМ компоненти (К) системи (тобто підсистеми), що моделюється, має вигляд

ІМ ={ АП,Н,М_Т,ДМ, }, (2)

де АП - реалізує поведінку К;

Н - забезпечує зв'язок моделі з підпрограмами інших компонент системи;

М_Т - процедура керування модельним часом компоненти;

ДМ - дані моделі;

- функція логічного перетворення даних;

- часова функція;

- функція усунення конфліктів даних.

АП,Н,М_Т являють собою структурні елементи ІМ, що виконуються системою моделювання, і становлять собою активності моделі (АК) або, іншими словами, підпрограми моделі (П). Ці елементи створюються до процесу моделювання і фактично, виступають моделлю компоненти системи. ДМ - структурний елемент ІМ, що відображає стан моделі компоненти (ДМ^Л - локальні дані моделі ) та стан усєї системи (ДМ^Г - глобальні дані моделі ), що моделюється. ДМ створюються керуючою програмою системи моделювання під час завантаження та виконання моделі. відображають функціонування системи, що моделюється:

де Т - модельний час.

Елементи АП,Н,М_Т моделі створюються на підставі структурної декомпозиції системи S на окремі компоненти Ki та функціональної декомпозиції кожної компоненти згодно з (2). У роботі поділяється особлива увага питанням створення поданих активностей, а також механізмам керування даними моделі як засобам взаємодії процесів ІМ, системи моделювання і подання стану моделі.

Система моделювання програмним комплексом, що виконується на ЕОМ. Вона відноситься до класу глобальних адміністративних процесів. У свою чергу, її саму можна структурно уявити у вигляді окремих функціональних процедур, що можна визначати як процеси системи моделювання. Отже, формально модель системи моделювання є процес ППМ:

ППМ={ППСЧМ, ППУД, ППВСП, ППИМ, ППМСМ}, (4)

де ПП_СЧМ - процес синхронізації окремих моделей, що відповідає за реалізацію об'єднання окремих моделей до єдиної моделі системи. Вхідною інформацією для даного процесу є структура (граф, список, таблиця) сполучень компонентів системи. До функцій даного модуля входить управління ініціалізацією активностей та спостерігання за інтерпретацією алгоритмів моделей. У межах виділеного ресурсу (ЕОМ) припускається одночасне виконання декількох таких процесів. ППСЧМ забезпечує управління роботою для забезпечення цієї мети;

ППУД - процес управління даними, який забезпечує управління як локальними, так і глобальними даними моделі. Тут є три особливості у порівнянні з традиційними алгоритмами управління даними. По-перше, необхідність врахування можливого одночасного звернення до однієї сукупності даних з боку декількох окремих моделей. По-друге, реалізація управління глобальними даними моделі, розташованими на усунених ресурсах. По-третє, забезпечення можливості реалізації функцій користувача з усунення конфліктів, викликаних розбіжністю форматів даних моделей у випадку змішаного моделювання;

ППВСП - процес, що відповідає за часову синхронізацію окремих моделей. Сюди додаються алгоритми модифікації часу MТ, які будуються в моделях компонент, а також алгоритми системи моделювання з управління глобальним модельним часом та модельним часом окремих компонент;

ППИМ - процес інтерпретації моделі. Цей процес виконує команди підпрограми моделі компоненти (АП). Якщо модель трансльована в машинні коди, то даним процесом може виступати процесор ЕОМ. Однак, найчастіше, опис моделі (на одній з формальних мов моделювання) транслюється в логічний код, виконуваний операційною системою, а в більшості випадків - інтерпретатором системи моделювання. Тому, даний процес вважається частиною системи моделювання;

ПП_МСМ - процес монітора системи моделювання, що забезпечує взаємодію користувача з системою моделювання з метою ініціалізації, управління та аналізу результатів процесу моделювання.

ЕОМ, що входить у мережу, може бути представлена як ієрархічна система взаємодіючих паралельно процесів обробки інформації. Формально це можна представити наступним чином:

ЕОМ={ ПП, СС, RR, W W }, (5)

де ПП = {ППi}, i=1,..., п, множина незалежних ієрархічних систем процесів, що реалізуються в глобальних підсистемах ЕОМ. Тут п - кількість систем процесів. До одного з таких глобальних систем процесів відноситься система моделювання;

СС = {ССj}, j=1,..., - безліч системних ресурсів (оперативна пам'ять, процесори, прилади введення-виведення і т. д.); - кількість системних ресурсів (тут під системними ресурсами розуміються будь-які об'єкти ЕОМ, що можуть бути використані двома або більш процесами);

RR = {RR1,..., RRa} - сім'я множин ресурсів користувачів; - число користувачів мережі ЕОМ. Тут кожна безліч RRa включає ресурси користувача, такі, як: пріоритет користувача, відведений користувачу ресурс центральних процесів, ресурс пам'яті і т. п.;

WW - зовнішнє середовище, що визначається системою управління даними Wд, користувачами Wа і програмними підсистемами мережі ЕОМ Wn, WW={Wд, Wa, Wn}.

Кожна система процесів ППi є динамічне дерево взаємодіючих процесів, що визначимо наступним чином:

ППi={ Пi, Ui, Ji, Сi, Ri }, (6)

де Пi - множина вершин дерева ППi, якій відповідає множина взаємодіючих процесів (в графі ППi кожні два суміжних процеси знаходяться в співвідношенні підпорядкування);

Ui, Ji, Сi, Ri - множини відповідно керуючих, інформаційних, ресурсних по системі і ресурсних по користувачам зв'язків між процесами. Термін “динамічне дерево” використаний, щоб підкреслити той факт, що кількість вершин дерева змінюється за перебігом часу.

Множина керуючих зв'язків Ui відповідає за вплив на процеси з боку користувача або операційної системи. Множина інформаційних зв'язків Ji відповідає пересилкам інформації між суміжними процесами; множина системних ресурсних зв'язків Сi - взаємодії процесів по системних ресурсах; множина ресурсних зв'язків користувача Ri - взаємодії процесів по ресурсах користувача. Взаємодія процесів по ресурсах полягає в передачі і поверненні (якщо це можливо) ресурсів між ними.

Кожний процес Пi являє собою деяку сукупність дій, що протікають в часі і що виконуються в обчислювальному середовищі V. Останнє визначається набором ресурсів С і R, множиною керуючих та інформаційних впливів Ua, Uд і Un по відношенню до системи процесів ПП з боку зовнішньої середи (користувачів Wa, системи управління даними Wд і підсистем інших ЕОМ Wn):

V=<C, R, Ua, Uд, Un>. (7)

Джерелами паралелізму у введеній моделі системи є: паралелізм систем процесів ПП1, ПП2,...,ППп, паралелізм взаємодіючих процесів Пi, що полягає в одночасному виконанні суміжних процесів; паралелізм процесів, які знаходяться на різних вітках дерева і незалежні між собою. Дана модель є загальною моделлю розподіленого ресурсу мережі. Проведемо зіставлення елементів узагальненої моделі ресурсу та елементів середовища моделювання.

Програмні модулі системи моделювання складають на кожній з ЕОМ мережі глобальний процес ППi. У загальному випадку, можна навіть виділити серед них окремі глобальні процеси - наприклад, клієнт, сервер, підсистема управління даними та інші. Як ресурсі, які доступні кожному процесу, виступають машинний процесор, оперативна, дискова пам'ять, канал передачі даних мережі (ресурс типу С), а також доступні прикладним процесам і користувачам ресурси операційної системи та загальні ресурси додатків (ресурс типу R). Як зовнішнє середовище виділимо програми операційної системи, термінал системи моделювання (через що користувач здійснює спостереження та контроль за функціонуванням системи моделювання - вплив U), а також реалізацію зв'язків клієнт - сервер. Основним глобальним процесом ППi системи моделювання є підсистема інтерпретатора моделі. По суті, вона породжує і управляє роботою множини процесів, що є приватними моделями об'єкта Пi. Кожний процес Пi для свого функціонування вимагає частини системних ресурсів С і завдяки цьому вступає у взаємодію з іншими процесами, розташованими на тій же ЕОМ, реалізуючи завдяки цьому взаємодію по системних ресурсах Сi. Усі процеси Пi є приватними моделями загальної моделі об'єкта і знаходяться в стані взаємодії між собою (для реалізації функції моделювання системи в цілому), що на нашій моделі розподіленого ресурсу відповідає взаємодії процесів по ресурсах користувача Ri.

Для відображення моделі процесу моделювання, яка об'єднає моделі обчислювального ресурсу, системи моделювання та об'єкта моделювання, введемо наступні операторні співвідношення:

П - запуск (ініціалізація) процесу П. У випадку подібного запису будемо говорити, що процес ініційовано із зовнішнього середовища, тобто у ситуації, коли не важливе або не відоме джерело ініціалізації;

Пi Пj - ініціалізація процесу Пj, зроблена процесом Пi. Наприклад, запуск операційною системою процесу підтримки мережі;

ПiПj процес Пi породжує процес Пj, з завершенням свого функціонування.

Наприклад, програма завантаження та розміщення моделі завершує свою роботу, залишаючи в пам'яті сукупність процесів моделі; Пi Пj - взаємодія процесів ,що функціонують, наприклад, шляхом посилки повідомлень або через структури даних моделі. Розрізняються взаємодія по ресурсах системи моделювання, по ресурсах операційної системи , інформаційна взаємодія та керуюча взаємодія.

На рис. 1 подана схема взаємодії процесів окремої ЕОМ при роботі системи моделювання.

На даній схемі операційна система подана такими процесами, що складають:

ПП^ДОС - процес управління даними; ПП^СОС - процес управління мережею; ПП^ВОС - процес управління завданнями; ПП^СРОС - процес управління ресурсами іншої ЕОМ. Крім того, на схемі використані такі позначки:1, N1, 1, Nn, де N - кількість окремих моделей у системі моделювання, n - кількість систем моделювання; WW - зовнішнє середовище (розробник, система автоматизованого проектування та інше).

Опишемо порядок активізації та взаємодії процесів. Процес - користувач (ППП) активізує процес моделювання (ППМ), що в пам'яті комп'ютера створює ряд підпроцесів - ППСЧМ, ППУД, ППВСП, ППИМ, (метою яких є обслуговування процесів моделей), а також монітор моделювання ППМСМ, що відповідає за управління середовищем моделювання. Монітор моделювання одержує від користувача (ППП) або усуненої ЕОМ завдання на виконання (модель або окрему модель об'єкта) і виконує команду запуску моделі, для чого ініціюється процес запуску моделі, метою якого є створення множини процесів моделі (), після чого процес закінчує свою роботу (вивантажується з пам'яті). Монітор моделювання ППМСМ , якщо це вимагається, виконує декомпозицію моделі, розподіляє активності серед доступних ресурсів, і здійснює управління та контроль над процесами системи моделювання. Множина процесів ППСЧМ, ППУД, ППВСП, ППИМ, ППМСМ, побудована таким чином, щоб забезпечити взаємодію моделі об'єкта з ресурсами операційної системи: мережі (ПП^СОС), даними (ПП^ДОС), обчислювальними (ПП^ВОС ).

У третьому розділі описано розроблені алгоритми дискретного та безперервного моделювання електронних систем в умовах розподілених ресурсів. За основу були взяті три методи імітаційного моделювання: перегляду активностей та процесний для дискретного і метод підсхем для безперервного моделювання. Подані методи були модифіковані для умов розподілених ресурсів на підставі моделі імітаційного середовища моделювання, наведеної в другому розділі. Приведені граф-схеми та опис алгоритмів.

Розглядається важливе питання змішаного моделювання, яке дозволяє об'єднати у єдиній моделі електронної системи окремі моделі, створені в рамках різних методів моделювання, а також дає можливість спільного використання різних систем імітаційного моделювання. Доведено, що у введеній моделі середовища моделювання змішана імітація можлива, коли можливі погодження по даних і по часі. Ця можливість здійснюється двома елементами імітаційної моделі - функцією усунення конфлікту даних (Н) та процедурою керування модельним часом окремої моделі (М_Т).

У четвертому розділі на підставі розглянутої структури середовища моделювання (1), а особливо - структури ІМ (2), розглянуті критерії ефективності процесу моделювання, до основних з яких віднесено часові оцінки та оцінку розподілу пам'яті.

Для оцінки часу виконання окремої моделі компоненти електронної системи (тобто активності моделі) пропонується використовувати таке рівняння:

(8)

де - середній час виконання активностей;

- час виконання i-ої активності;

- імовірність того, що активність АКi є єдиною ініційованою активністю на даному етапі моделювання;

- імовірність того, що активність АКi та активність АКj є єдиними ініційованими активностями на даному етапі моделювання і т.д.

Середній час виконання активностей знаходиться таким чином:

, (9)

де - час розпізнання стану моделі компоненти;

- час виконання функціональної дії моделі;

- час обміну даними моделі.

У свою чергу наведені часові характеристики означені як:

, (10)

, (11)

, (12)

де - імовірність знаходження активності в стані Zi;

- час перевірки знаходження активності в конкретному стані;

- час виконання функціональної дії в стані Zi та вхідних даних j;

- кількість звернень до пам'яті при виконанні функціональної дії в стані Zi (Л - локальної, Г - глобальної пам'яті).

Для оцінки необхідної пам'яті моделі, у загальному випадку, використовується рівняння вигляду:

(13)

де fixedE, swapE, translE, mapE характеризують відповідно необхідну оперативну, віртуальну пам'ять, буфер обміну даними та пам'ять, яка спільно використовується певною кількістю моделей.

Кожний з наведених параметрів аналізується для різнобічних ситуацій, у тому числі для умов розподілених ресурсів.

На підставі цих характеристик у роботі розроблено ряд алгоритмів ефективного розподілення ресурсів для моделей, поданих набором активностей. Більш детально з ціми алгоритмами можна ознайомитися в дисертаційній роботі та в роботах автора [1, 2, 5]. Особливістю поданих алгоритмів є використання імовірних характеристик імітаційних моделей та параметрів доступних ресурсів в інтегральному вигляді:

, (14)

де ₁, ₂, ₃ - коефіцієнти ваги, що характеризують ступінь критичності моделі до того або іншого ресурсу;

- характеристика швидкодії r-го ресурсу;

- об'єми доступної оперативної та віртуальної пам'яті.

У п'ятому розділі описані програмні експерименти, що призначені оцінити розроблені засоби та алгоритми. При цьому особлива увага приділена двом основним цілям, що переслідувалися в ході проведення даної роботи. Сформулюємо ці цілі і зробимо стислу характеристику реалізації їхнього рішення.

1. Розробка концепції побудови розподіленої системи моделювання. Даний напрямок покликаний дати основу для створення систем моделювання, що дозволить виділяти в таких системах елементи (або підсистеми), які можуть функціонувати паралельно (незалежно на певному інтервалі часу), на різних обчислювальних ресурсах (наприклад, персональних ЕОМ), організовуючи шляхом взаємодії єдиний процес імітації. При цьому припускається, що, з одного боку, система моделювання для реалізації мети функціонування може використати доступні їй ресурси з метою передачі їм частини своїх обчислювальних функцій. З іншого боку, система моделювання сама може виступати як частина іншого обчислювального процесу, тобто функціонувати як елемент іншого середовища моделювання. Слід відзначити, що в роботі робиться акцент саме на розподіленому процесі моделювання, бо рішення питання просторового рознесення окремих блоків системи моделювання (наприклад, підсистеми введення проекту, бібліотеки моделей компонентів, інтерпретації моделі, перегляду результатів моделювання та інше) є очевидним. При цьому в роботі досліджені можливості побудови подібних систем як з точки зору однорідних моделей (створених в рамках єдиного концептуального підходу - див. Розділ 2 дисертації), так і різнорідних моделей (змішане моделювання - див. п.3.4 дисертації).

Для досягнення цієї мети була побудована розподілена імітаційна модель системи, компоненти якої були розроблені в рамках різноманітних концептуальних підходів та двох систем моделювання. Детальний опис даної системи моделювання наведений у п. 5.2 дисертації.

2. Використання розподіленого моделювання для підвищення ефективності процесу моделювання електронних схем. Основним напрямком, який визначає реалізацію цієї мети, є паралельне моделювання, що дозволяє підвищити швидкодію і використовувати більшу кількість ресурсів (наприклад, більші обсяги пам'яті) для зберігання та обробки моделей. При цьому концепції побудови моделей, що пропонуються в роботі, дозволяють реалізувати цей напрямок на об'єктному рівні, тобто шляхом виділення в моделях елементів (компонент), які можуть бути виконані паралельно.

Як практична реалізація даної мети була розроблена програма розподіленого аналогового (безперервного) моделювання електронних схем. Проведено ряд експериментів з оцінки ефективності паралельного моделювання в залежності від кількості обчислювальних ресурсів, вимірності задач, що вирішуються, і стратегій організації процесу імітації. Опис системи та експериментів наведені в п. 5.3 дисертації.

У висновках поданий загальний огляд можливих галузей впровадження та використання результатів дисертаційної роботи.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

У роботі подано аналіз сучасного стану імітаційного моделювання складних систем за трьома напрямами: основні методологічні підходи та концептуальні схеми дискретного і безперервного імітаційного моделювання, метод декомпозиції в теорії імітаційного моделювання, обчислювальних ресурсів, що використовуються для паралельного імітаційного моделювання. На його підставі запропонована актуальна предметна галузь дослідження, яка є об'єднанням цих трьох напрямків.

У роботі запропонована формальна модель середовища моделювання, яке складається з таких елементів: системи моделювання, обчислювальних ресурсів, моделі об'єкта дослідження. Кожний елемент є сукупністю процесів, а безпосередньо імітація - це результат їх взаємодії.

Проведені в роботі дослідження теоретичного й експериментального характеру показують можливість використання розробленої концепції подання імітаційних моделей для більшості сучасних методів імітаційного моделювання. У роботі подані модифіковані для умов розподілених ресурсів методи дискретного та безперервного імітаційного моделювання.

Запропонована модель середовища моделювання є основою для створення розподілених систем моделювання. Процесний об'єктно-орієнтований підхід, що пропонується, дозволяє кожний елемент середовища моделювання розглядати як незалежний ресурс (його залежність виявляється тільки під час функціонування через логічний взаємозв'язок процесів). При цьому, з одного боку, система моделювання може використовувати для своєї мети будь-які доступні їй процеси (у тому числі і моделі та елементи моделей). З іншого боку, сама система моделювання може виступати як обчислювальний ресурс іншого глобального процесу.

Запропонована модель середовища моделювання дозволяє створювати системи паралельного імітаційного моделювання.

Розроблені оцінки та характеристики процесу моделювання, алгоритми декомпозиції імітаційних моделей та розподілу ресурсів довели на практиці свою ефективність.

Узагальнюючи отримані результати, відзначимо, що запропоновані моделі, методи та алгоритми можна використовувати в таких галузях: при побудові розподілених систем моделювання; при використанні існуючих систем моделювання електронних систем у глобальних обчислювальних процесах; в організації моделюючих центрів; при розробці імітаційних моделей електронних компонентів; при виконанні декомпозиції моделей та організації взаємозв'язку приватних моделей системи; при застосуванні існуючих моделей як частини моделей більш складних систем; як основу для побудови імітаційних систем, що підтримують паралельне моделювання; при вивченні особливостей імітаційних систем моделювання.

імітаційна система моделювання електронний

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

За матеріалами дисертації опубліковано 14 друкованих праць (13 - російською мовою, 1 - англійською мовою).

Горбачев В.А., Волк М.А., Бабаев А.П. Организация эффективного моделирования сложных систем // Автоматизированные системы управления и приборы автоматики. -1997. - №104. - С. 61-69.

Горбачев В.А., Волк М.А., Бабаев А.П. Методы декомпозиции моделей непрерывных систем для моделирования в условиях распределенных ресурсов // Радиоэлектроника и информатика. - 1998.- №1. - С.35-38.

Горбачев В.А., Волк М.А., Бабаев А.П. Процессный метод описания электронных систем // Радиоэлектроника и информатика.-1998.- №2.-С.114-118.

Волк М.А., Федюшин И.М. Декомпозиция сети Петри при организации моделирования сложных систем // Сборник материалов мини-конференции "Математическое моделирование и информационные технологии". - Россия: Белгород. - 1997. - С. 29-33.

Волк М.А. Алгоритм декомпозиции модели электронной системы для моделирования в условиях распределенных ресурсов // Сборник материалов 3-й молодежного форума "Электроника и молодежь в XXI веке". - Харьков: ХТУРЭ. - 1999.- С. 307-310.

Горбачев В.А., Волк М.А., Бабаев А.П. Смешанное моделирование в САПР - электроника // Тезисы 1-й Международной конференции “Теория и техника передачи, приема и обработки информации”. - Туапсе. - 1995. - С.229.

Горбачев В.А., Волк М.А., Бабаев А.П. Алгоритм синхронизации для системы моделирования в САПР-электроники // Тезисы 2-й Международной конференции “Теория и техника передачи, приема и обработки информации”. - Туапсе. - 1996. - С. 159.

Горбачев В.А., Волк М.А., Бабаев А.П. Экспертная система выбора методов решения систем линейных уравнений в процессе аналогового моделирования // Тезисы 2-й Международной конференции “ Теория и техника передачи, приема и обработки информации”. - Туапсе. - 1996. - с.176.

Волк М.А., Матейченко В.В., Иващенко О.Щ. Моделирование на сетях Петри в условиях ограничения на память // Тезисы 2-й Международной конференции “ Теория и техника передачи, приема и обработки информации”. - Туапсе. - 1996.-С.238.

Волк М.А., Бабаев А.П. Управление модельным временем в системах моделирования непрерывно-дискретных объектов // 1-й международный молодежный форум "Электроника и молодежь в XXI веке". - Харьков: ХТУРЭ, 1997. - С.229

Волк М.А., Походенко В.А., Бабаев А.П. Декомпозиция моделей сложных систем // 3-я Международная конференция "Теория и техника передачи, приема и обработки информации". - Туапсе. - 1997. - С.172

Волк М..А. Методы декомпозиции моделей электронных систем при параллельном моделировании на сети ЭВМ // Научно-методическая конференция "Використання комп'ютерних технологій у навчальному процесі". - Харьков: ХТУРЭ. - 1997. - С.184

Горбачев В.А., Волк М.А., Саранча С.Н. Об одном методе защиты информации в компьютерных системах // 4-я Международная конференция "Теория и техника передачи, приема и обработки информации". - Туапсе. - 1998.- С. 498

Volk M.A., Fedjushin I.M. Decompression of a Petri net for simulation of complex systems // Theses of conference "Mathematical modelling and information technologies". - Russia: Belgorod. - 1997. - Р.8.

АНОТАЦІЇ

Волк М.О. Методи та засоби розподіленого імітаційного моделювання електронних систем. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.05.02 - Математичне моделювання та обчислювальні методи. - Харківський державний технічний університет радіоелектроніки, Харків, 1999.

Дисертація присвячена питанням побудови імітаційних моделей і систем моделювання (на прикладі моделювання електронних систем). У роботі розвивається напрям, який ґрунтується на концепції структурно-функціональної декомпозиції. Запропонована нова модель імітаційного середовища моделювання, яка складається з трьох основних елементів: імітаційної моделі об'єкта дослідження, системи моделювання та обчислювального ресурсу. Кожний з елементів у результаті декомпозиції являє собою сукупність взаємодіючих процесів обчислювального середовища. Запропоновані засоби та алгоритми розподіленого (у тому числі і паралельного) моделювання електронних систем, а також алгоритми декомпозиції імітаційних моделей і розподілу обчислювальних ресурсів, ефективність яких підтверджена практично. Основні результати знайшли промислове застосування в апаратно-програмних комплексах діагностики і сертифікації електронних систем, а також при побудові навчальних імітаційних моделей та САПР - електроніки.

Ключові слова: імітаційне моделювання, система моделювання, модель, активність, компонента, процес, обчислювальний ресурс.

Волк М.А. Методы и средства распределенного имитационного моделирования электронных систем. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 01.05.02 - математическое моделирование и вычислительные методы. - Харьковский государственный технический университет радиоэлектроники, Харьков, 1999.

Диссертация посвящена вопросам построения имитационных моделей и систем моделирования (на примере моделирования электронных систем). В работе развивается направление, основанное на концепции структурно-функциональной декомпозиции.

В диссертации проведен анализ состояния имитационного моделирования сложных систем, к классу которых относятся современные электронные системы. Анализ охватывает теоретические и практические вопросы использования средств имитации. Более подробно исследованы три направления в выбранной предметной области: основные методологические подходы и концептуальные схемы дискретного и непрерывного имитационного моделирования; метод декомпозиции в теории имитационного моделирования электронных систем как одно из перспективных направлений повышения эффективности моделирования; вычислительные ресурсы, используемые для параллельного имитационного моделирования электронных систем и модели вычислительных ресурсов, которые наиболее часто применяются.

Предложена новая модель имитационной среды моделирования, включающая три основных элемента: имитационную модель объекта исследования, систему моделирования и вычислительный ресурс. Каждый из элементов в результате декомпозиции представлен совокупностью взаимодействующих процессов вычислительной среды. В структуре имитационной модели выделены процедуры поведения компоненты системы, согласования данных и управления модельным временем, а также данные модели как средство реализации состояния моделируемой системы. В системе моделирования выделены такие процессы как синхронизации частных моделей, управления данными, временной синхронизации моделей, интерпретации модели и монитора системы моделирования. Вычислительный ресурс представлен совокупностью системных процессов.

Предложены методы и алгоритмы распределенного (в том числе и параллельного) моделирования электронных систем, основанные на модели среды моделирования и широко распространенных методах дискретного (метод просмотра активностей и процессный метод) и непрерывного (метод подсхем) моделирования. С точки зрения созданной модели рассматривается вопрос смешанного моделирования, которое позволяет объединить в едином процессе имитации разнородные модели и системы моделирования.

Разработаны алгоритмы декомпозиции имитационных моделей и распределения вычислительных ресурсов, которые основаны на введенных в работе критериях и оценках эффективности. В работе описаны программные эксперименты, которые подтверждают эффективность предложенных методов и алгоритмов.

Основные результаты нашли промышленное применение в аппаратно-программных комплексах диагностики и сертификации электронных систем, а также при построении учебных имитационных моделей, САПР- электроники.

Ключевые слова: имитационное моделирование, система моделирования, модель, активность, компонента, процесс, вычислительный ресурс.

Volk M. A. Methods and Facilities of Distributed Simulation of Electronic Systems. - Manuscript.

Thesis for the candidate degree of the technical sciences on the specialty 01.05.02 - The mathematical modeling and computing methods. - Kharkov state technical university of radioelectronics, Kharkov, 1999.

The dissertation is devoted to questions of building of simulation models and modeling systems (as the latter there is an electronic system modeling). A direction that based on the concept of structured-function decompositions is developed. Offered new model of simulation environment includes three main elements: simulation model of object of study, modeling system and computing resource. Each of elements as a result of decompositions is present by the collection of interacting processes of computing environment. Offered methods and algorithms distributed (including and parallel) electronic system modeling, as well as algorithms to decompositions of simulation models and sharing the computing resources, which efficiency was confirm practically. Main results have found an industrial using in hardware and software of complexes of diagnostics electronic systems, as well as at the building of scholastic simulation models, CAD- electronic.

Keywords: simulation, modeling system, model, activity, component, process, computing resource.

Размещено на Allbest.ru