Вставская Е.В. Архитектура ЭВМ, систем, сетей, лекции

Подождите немного. Документ загружается.

этапе МККТТ рекомендует использовать язык SDL, язык CHILL и машинно-

ориентированные языки.

2.4 Основные характеристики программного обеспечения СКПУ

2.4.1 Время реакции СКПУ

Одной из основных характеристик функционирования СКПУ как

системы реального времени является время реакции. Время реакции - это

отрезок времени, измеряемый от момента поступления информации со

стороны объекта управления до момента выдачи на объект управляющего

воздействия. Очевидно, что время реакции зависит от времени выполнения

некоторого множества программ, входящих в состав основного ППО и

исполнительной ОС. Суммарный объём множества таких программ не

превышает, как правило, 4% общего объема основного ППО и

исполнительной ОС. Программы, определяющие время реакции, в

дальнейшем будем называть программами с нормированным временем

выполнения.

Добиться сокращения времени реакции СКПУ можно путём:

- использования для разработки программ с нормированным временем

выполнения языка низкого уровня типа ассемблера;

- использования принципа мультипрограммирования.

Использование языка ассемблера при разработке ПО СКПУ даёт

возможность максимально учесть особенности аппаратного обеспечения

управляющей ЭВМ. Это позволяет получать программы с минимальным

временем выполнения. Применение ассемблера охватывает разработку лишь

необходимого числа программных модулей. При этом на языке ассемблера

могут быть написаны отдельные модули программ, имеющие самостоятель-

ное функциональное назначение. Возможно также использование языка

181

ассемблера на уровне вставок между операторами программы, написанной на

языке высокого уровня. В этом случае язык высокого уровня должен

обеспечить программистам возможность включения таких вставок.

Принцип мультипрограммирования предполагает динамическое

переключение с выполнения одной программы на выполнение другой,

находящейся в оперативной памяти УУ СКПУ. В результате такого

переключения обеспечивается параллельность выполнения целого ряда

процессов. В литературе наряду с термином мультипрограммирования

встречается термин многопрограммное управление.

Основополагающим понятием при реализации многопрограммного

управления является понятие программного процесса (в дальнейшем просто

процесс). Процесс представляет собой программную конструкцию

специального типа, предназначенную для выполнения некоторой

определенной функции. Процесс может находишься в одной из четырех

стадий своего существования. Различают стадии покоя, готовности,

выполнения и ожидания. В состоянии покоя процесс загружен в оперативную

память управляющего устройства СКПУ, но не выполняется вследствие того,

что заявки на его выполнение отсутствуют. Поступление заявки переводит

процесс в состояние готовности. Стадия выполнения - это отрезок времени, в

течение которого процесс использует рабочее время центрального процессора

управляющей системы СКПУ. Стадия ожидания определяет задержку

процесса до момента освобождения необходимого для его выполнения ресурса

или до завершения этапа выполнения других процессов. За время своего

существования процесс, как правило, совершает многократные переходы из

состояния выполнения в состояние ожидания и обратно, обусловленные

принципом многопрограммного управления. Граф возможных переходов

процессов показан на рис.63.

Применительно к введённому понятию процесса принцип

многопрограммного управления можно сформулировать как параллельное

182

выполнение значительного числа процессов в управляющем устройстве

СКПУ. Если используется однопроцессорное управляющее устройство, то

параллельное выполнение реализуется путём деления времени центрального

процессора между процессами.

Готовность

выполнению

Покой

Ожидание

Выполнение

Рис. 63 Граф переходов процессов

Например, если в состоянии готовности находятся n процессов, то

процессорное время делится на n квантов. В течение первого кванта

процессор выполняет команды первого процесса, начало выполнения

которого отражается на графе рис.63 переходом в состояние выполнения. По

завершении кванта выполнение первого процесса приостанавливается (за-

держивается) и начинают выполняться команды второго процесса, при этом

первый процесс переходит в состояние ожидания. По завершении n-ro кванта

вновь возобновляется выполнение команд первого процесса. Таким образом,

процессорное время равномерно распределяется между всеми процессами, чем

и обеспечивается их параллельное выполнение. Это проиллюстрировано на

рис.64.

Рассмотренный выше пример с n процессами является наиболее простым

случаем. Реально все процессы, составляющие алгоритм функционирования

СКПУ, имеют различный приоритет относительно друг друга. Процесс с более

183

высоким приоритетом может прервать выполнение процесса с более низким

приоритетом, а выполнение прерванной программы (процесса)

возобновляется после окончания выполнения процесса с более высоким

приоритетом. В то же время новый процесс не прерывает выполняемый

процесс, имеющий более высокий приоритет. Принцип многопрограммного

управления с учётом приоритетов процессов может быть эффективно

реализован только при наличии в управляющей системе СКПУ развитых

средств аппаратной поддержки многоуровневых прерываний.

1-й процесс

2-й процесс

n-й процесс

Рис. 64 Распределение времени между процессами

Действительно, прерывание текущего процесса должно обеспечивать

возможность продолжить прерванную программу процесса. Поэтому каждое

прерывание должно сопровождаться запоминанием информации, полностью

определяющей активную точку программы прерываемого процесса:

- адрес следующей команды программы;

- содержимое регистра признаков (флагов);

- содержимое регистров общего назначения.

Запоминание этой информации производится в стеке (последняя запись

извлекается первой). Возобновление выполнения прерванного процесса

происходит после восстановления записанной в стек информации.

184

Многократное прерывание выполняемых процессов приводит к

накоплению в стеке информации о возврате во все прерванные процессы в

той последовательности, в которой производились прерывания. После

завершения выполнения процесса с наивысшим приоритетом, вызвавшим

последнее по счету прерывание, право на продолжение выполнения получает

процесс, прерванный последним. Это реализуется тем, что согласно принципу

работы стека последняя запись в него извлекается первой. На рис. 65

показана последовательность многократного прерывания разноприоритетных

процессов и возвратов из прерываний. Следует сказать, что режим разделения

процессорного времени, по существу, также требует прерывания выполнения

процессов, однако запоминание информации для их последующего

возобновления происходит не в стеке, а в области памяти типа очередь,

реализующей дисциплину "первым пришел - первым обслужен".

Рис.65 Последовательное многократного прерывания

разноприоритетных процессов S

185

Области памяти управляющей системы, отводимые под стек и очередь,

имеют особое значение, так как любой произошедший в них сбой может

привести к нарушению порядка выполнения процессов, реализующих

алгоритм функционирования СКПУ и, как следствие, к полному нарушению

технологического процесса обслуживания заявок. В ЭАТС-200 эта проблема

решена за счёт того, что в управляющей микроЭВМ выделены специальные

области:

- область стека;

- область программ и область данных, обращения к которым

отслеживаются на аппаратном уровне.

Этим достигается защита области памяти, отведенной под стек. Её

достаточно большой объём (до сотен Кбайт) обеспечивает эффективную

реализацию принципа многопрограммного управления.

Использование мультипрограммного принципа в сочетании с

использованием языка ассемблера для разработки программ с

нормированным временем выполнения обеспечивает требуемое время

реакции СКПУ и даёт возможность осуществить обслуживание с заданным

качеством, равным для всех абонентов. В то же время реализация принципа

мультипрограммной работы обеспечивается усложнением структуры

исполнительной ОС. Именно сложность исполнительной ОС является одной

из основных причин высокой удельной стоимости ПО в общих затратах на

разработку проекта СКПУ в целом. Причем удельная стоимость ПО в каждой

новой разработке возрастает, что объясняется двумя факторами. Во-первых,

стоимость аппаратного обеспечения постоянно снижается; во-вторых,

происходит постепенное усложнение функций, выполняемых УС, что может

быть обеспечено только за счёт усложнения программного обеспечения.

Сказанное наглядно проиллюстрировано на рис. 66.

186

2.4.2 Эффективность сопровождения

Жизненный цикл ПО СКПУ можно разделить на три фазы:

- разработка;

- использование;

- сопровождение.

Фаза разработки решает наиболее трудоёмкую задачу - создание ПО

СКПУ, удовлетворяющего всем предъявленным к нему требованиям. Фаза

использования начинается с момента ввода СКПУ в эксплуатацию. Именно на

этой фазе ПО начинает приносить реальную пользу, выполняя возложенные

на него функции. Фаза сопровождения начинается одновременно с фазой

использования. Сопровождение часто называют продолжающейся

разработкой, поскольку именно на этой фазе в ПО СКПУ вносятся коррекции

и изменения. Необходимость доработки ПО СКПУ вызвана двумя причинами.

Программное

обеспечение

Аппаратное

обеспечение

100

Рис .66 Соотношение стоимостей ПО и аппаратного обеспечения СК

187

Одна из причин связана с тем, что в ПО СКПУ всегда имеют место

ошибки, которые допущены на фазе разработки. Действительно, программное

обеспечение СКПУ имеет достаточно большой объём (сотни Кбайт).

Вследствие этого время, затрачиваемое на его разработку, составляет

величину в сотни человеко - лет. Создание сложного по структуре ПО такого

объёма неизбежно сопровождается ошибками. Часть ошибок обнаруживается

и исправляется на фазе разработки в процессе выполнения верификации,

тестирования и отладки. Однако выявить и исправить все допущенные

ошибки не представляется возможным. Слишком много путей

предусматривает общий алгоритм, слишком много возможных вариантов

обрабатываемых данных и их комбинаций, причём некоторые из этих

комбинаций возникают крайне редко. Выявление всех ошибок в

соответствующих частях ПО на этапе разработки может потребовать

недопустимо длительного времени. Учитывая вышесказанное, выявление и

устранение относительно редких во времени ошибок производятся уже на

этапе использования ПО СКПУ. Второй причиной доработки программного

обеспечения является то, что СКПУ постоянно развивается (увеличивается

число предоставляемых услуг, изменяются число обслуживаемых абонентов и

коды направлений). Это находит отражение в изменении отдельных

составляющих частей ПО. Перечислим более подробно задачи, решаемые на

фазе сопровождения или продолжающейся разработки ПО СКПУ:

- исправление ошибок, допущенных на этапе разработки и не

выявленных в ходе верификации;

- включение известных функций, необходимость обеспечения которых

была определена ещё на стадии разработки, но реализация отложена из-за

несоблюдения сроков окончательного ввода в строй СКПУ;

188

- модификация данных с целью: учёта изменения кодов направлений,

изменения количества обслуживаемых абонентов и их категории, изменения

числа соединительных линий;

- включение новых функций с целью обеспечения абонентам

дополнительных видов услуг и работы с системами коммутации, типы

которых не были предусмотрены на этапе разработки;

- модификация ПО, связанная с модификацией аппаратуры, которая

неизбежна за длительный период эксплуатации СКПУ.

Например, возможна установка новых типов накопителей на магнитной

ленте или дисплеев. Может быть установлена аппаратура СК,

функционирование которой несколько отличается от первоначальной. Все это

вызывает необходимость изменения в программах ПО СКПУ. Объём работ,

выполняемых на стадии сопровождения, с течением времени может

сравняться и даже превышать объём работ на фазе разработки. Именно

поэтому считают, что ПО СКПУ разрабатывается в течение всего жизненного

цикла, разделяемого на две фазы:

- фазу собственно разработки;

- фазу продолжающейся разработки.

Работа, направленная на модификацию ПО СКПУ на фазе

сопровождения по существу аналогична работе, выполняемой на фазе

разработки. Поэтому в обоих случаях её эффективность зависит от наличия у

программиста хорошо развитых инструментальных средств, обеспечивающих

максимум удобств в использовании. Эти средства практически едины на

обеих стадиях разработки ПО, более того используются одни и те же методы

разработки программ. Подобная унификация повышает эффективность

сопровождения ПО СКПУ, которая играет решающую роль в эффективности

функционирования СКПУ в целом.

189

2.4.3 Качество

Другим важнейшим показателем функционирования СКПУ является

показатель надёжности. Как показано выше, наличие ошибок в ПО является

неизбежным фактором их создания, поэтому при оценке общей надёжности

СК необходимо учитывать влияние ошибок, допущенных в ПО. Следует особо

подчеркнуть, что первичные ошибки вносятся в ПО на этапе разработки.

После завершения этапа разработки ошибки в ПО уже не возникают, а

постоянно присутствуют и постепенно выявляются в процессе эксплуатации

СКПУ. Поскольку ошибки сами по себе в ПО СКПУ возникнуть не могут,

вместо термина «надёжность ПО» целесообразно употреблять термин

«качество ПО». Качество ПО в значительной степени определяется

количеством ошибок в ПО, допущенных на этапе разработки. Действительно,

при большом числе выявленных ошибок качество ПО будет низким, что

послужит причиной различного рода отказов СКПУ.

Поскольку определение точного количества ошибок в ПО не

представляется возможным (иначе их легко было бы исправить), то для

количественной оценки качества ПО СКПУ используются следующие

интегральные показатели:

- среднее время безошибочной работы (T

бр

);

- среднее время устранения ошибок (Т

);

- вероятность неправильного установления соединения (p

ну

);

- вероятность нарушения установленного соединения (р

нс

);

- интенсивность перезапусков СК

Среднее время безошибочной работы зависит от общего числа ошибок N

ош

допущенных в ПО СКПУ. Число это подвержено динамическому изменению.

С одной стороны, величина N

ош

постоянно уменьшается за счёт выявления и

устранения ошибок на фазе сопровождения. С другой стороны, большинство

задач, решаемых на фазе сопровождения, связаны с модификацией и

расширением ПО, т. е. с разработкой новых программ, что неизбежно влечёт

190