Моделирование распределенной микропроцессорной системы обработки данных

 

Министерство образования Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Рязанский государственный радиотехнический университет

Кафедра САПР ВС

Моделирование распределенной микропроцессорной системы обработки информации

пояснительная записка к курсовому проекту

по курсу: " Микропроцессорные системы"

Выполнил: Ст. гр. 848Б

Райков А.И.

Руководитель: доц. каф. САПР ВС

Хрюкин В.И.

Рязань, 2012

Содержание

Введение

.Анализ задания

.Разработка структурной схемы исследуемой МПС

.Анализ алгоритма функционирования исследуемой МПС

.Модель исследуемой МПС в виде системы массового обслуживания (СМО)

.Разработка программы моделирования на языке GPSS

Заключение

Библиографический список

Приложения

Введение

В настоящее время использование современных компьютеров является мощным средством реализации имитационных моделей в САПР вычислительных средств. Для того, чтобы реализовать имитационную модель сложной системы в составе САПР требуются специальные средства автоматизации моделирования, в состав которых обычно входят язык описания объектов моделирования, средства обработка языковых конструкций (компилятор или интерпретатор), система организации имитационного процесса во времени.

Применение универсальных языков программирования в имитационном моделировании вычислительных систем позволяет достигнуть гибкости при разработке, отладке и испытании модели. Однако при этом затрачиваются большие усилия на программирование, так как моделирование элементов вычислительных систем, отсчёт модельного времени, управление и контроль процесса моделирования существенно усложняются. Поэтому целесообразно применять специализированные средства имитационного моделирования, которые имеют следующие преимущества перед универсальными языками:

существенно меньшие затраты времени на программирование;

возможность предварительной разработки набора стандартных компонент имитационных моделей для заданного класса объектов;

удобство описания моделей, а также представления входных и выходных данных;

автоматическое формирование необходимых типов данных и распределение памяти в процессе имитационного эксперимента и т.д.

Одним из таких специализированных и эффективных средств имитационного моделирования и исследования сложных техническим систем является GPSS (GENERAL PURPOSE SIMULATION SYSTEM). Это универсальная система имитационного моделирования дискретных объектов и процессов и одноимённый входной язык, предназначенные для построения моделей и проведения вычислительного эксперимента. Язык GPSS ориентирован на класс объектов, которые можно представить в виде систем массового обслуживания. В него входят специальные средства, позволяющие описывать поведение исследуемых систем в динамике.

Целью данной курсовой работы является изучение и освоение навык создания имитационных моделей систем массового обслуживания на ЭВМ с помощью специального языка моделирования GPSS , который позволяет при моделировании на ЭВМ проводить всего за несколько секунд реального времени эксперименты, отнимающие недели, месяцы и даже годы модельного времени.

1. Анализ задания

Исходные данные:

Распределенная микропроцессорная система обработки данных обеспечивает обработку заявок, поступающих от территориально удаленного объекта с частотой 100 кГц, и состоит из трех микропроцессоров, объединенных в конвейер. Из входного буфера системы заявки с равной вероятностью направляются в буфер одного из двух микропроцессоров 1-го сегмента конвейера, объем которого рассчитан на 8 заявок. Время обработки заявки в 1 сегменте конвейера составляет 206 мкс. При достижении входным буфером порогового значения в 7 заявок происходит подключение резервного (четвертого) микропроцессора и заявка передается на обработку из начала входного буфера, достигшего порогового значения, в резервный микропроцессор. Резервный микропроцессор своего буфера не имеет. Микропроцессор в 2-го сегмента обрабатывает заявки за 115 мкс.

Смоделировать работу системы обработки данных в течение 5 мс. Определить объемы входных буферов системы и микропроцессора 2-го сегмента. Оценить вероятность подключения резервного микропроцессора. Как изменяются статистические показатели работы системы при увеличении интенсивности входного потока до 125 кГц.

Проанализируем исходные данные:

Имеем систему, состоящую из 3-х и еще одного резервного микропроцессора. Также есть удаленный объект, из которого с частотой 100 кГц поступают заявки во входной буфер. Для удобства перейдем от частоты ко времени периода поступления заявок:

где - частота поступления, а Т- время периода поступления.

мкс;

мкс;

Таким образом, данные поступают во входной буфер системы через каждые 10 мкс и с равной вероятностью поступают в буферы первого и второго микропроцессоров, если же во входном буфере накапливается больше 7 заявок, то они направляются в резервный микропроцессор (четвертый). Далее заявки обрабатываются соответственно и выходят из первого сегмента. Затем поступают в буфер третьего микропроцессора и обрабатываются в микропроцессоре №3.

По условию задания требуется определить объемы входных буферов системы и третьего микропроцессора. Вероятность подключения резервного микропроцессора определим как отношение числа заявок прошедших через микропроцессор №4 к общего числу заявок, вошедших в систему. Также выявим как изменяются статистические показатели при уменьшении периода поступления заявок.

2. Разработка структурной схемы исследуемой МПС

В нашем случае имеется система обработки информации от удаленного объекта, состоящая из:

входного буфера данных системы;

четырех микропроцессоров, объединенных в конвейер.

В свою очередь конвейер разбит на 2 сегмента. Первый содержит 2 микропроцессора и один резервный, а второй один микропроцессор.

Графически схема представлена на рис. 1:

Рис.1. Структурная схема исследуемой МПС

3. Анализ алгоритма функционирования исследуемой МПС

Алгоритм обработки транзактов:

1.Вход заявки (транзакта) в модель;

.Вход в буфер системы (VHODBUF);

.Проверка количества транзактов в очереди входного буфера системы, если больше 7, то транзакты поступают в микропроцессор №4;

.Равновероятный переход в буферы №1 и №2;

.Вход в буфер №1 (BUF1);

.Выход из буфера системы (VHODBUF);

.Вход в Микропроцессор №1 (PROC1);

.Выход из буфера №1 (BUF1);

.Обработка транзакта за 20±6 мкс;

.Выход из микропроцессора №1 (PROC1);

.Переход в буфер №3;

.Вход в буфер №2 (BUF2) (по условию выполнения п.4);

.Выход из буфера системы (VHODBUF);

.Вход в Микропроцессор №2 (PROC2);

.Выход из буфера №2 (BUF2);

.Обработка транзакта за 20±6 мкс;

.Выход из микропроцессора №2 (PROC2);

.Переход в буфер №3;

.Вход в микропроцессор №4 (PROC4) (по условию выполнения п.3);

.Обработка транзакта за 20±6 мкс;

.Выход из микропроцессора №4 (PROC4);

.Вход в буфер №3 (BUF3);

.Выход из буфера системы (VHODBUF);

.Вход в Микропроцессор №3 (PROC3);

.Выход из буфера №3 (BUF3);

.Обработка транзакта за 20±6 мкс;

.Выход из микропроцессора №3 (PROC3);

.Уничтожение транзактов;

Блок-схема программы, моделирующей систему будет иметь вид:

Рис. 2. Блок-схема алгоритма

. Модель исследуемой МПС в виде системы массового обслуживания (СМО)

При решении задач моделирования с помощью СМО процесс анализа связан с исследованием прохождения через эти системы заявок (транзактов). Все транзакты являются случайными процессами и при моделировании СМО могут быть известны лишь законы распределения и числовые характеристики этих случайных распределений, т.е. СМО носит статистический характер.

Устройства, в которых производится обслуживание транзактов, называются обслуживающими аппаратами (ОА) или каналами. ОА в совокупности образуют статические объекты. Транзакты являются динамическими объектами. ОА (каналы) описываются в СМО с помощью булевых переменных: «свободно» или «занято» («1» или «0»).

В процессе работы СМО могут возникать очереди. Количество очередей может быть бесконечно или с ограничением. Правила, согласно которым заявки выбираются из очереди, называются дисциплиной обслуживания. Величина, выражающая преимущество на право обслуживания называется приоритетом.

В соответствии с полученной структурной схемой модели, представим её в виде СМО. В нашей модели роль сигналов, поступающих с частотой 100кГц, выполняют транзакты (динамические объекты), поступающие в модель каждые 10 (8) мкс. Приоритет этих транзактов, согласно заданию, одинаков (они поступают с равной вероятностью), но если во входном буфере накопилось больше 7 транзактов, тогда приоритет меняется. В качестве микропроцессоров: PROC1, PROC2, PROC3, PROC4 выступает ОА типа прибор (FACILITY); в качестве входного буфера системы и буферов микропроцессоров соответственно: VHODBUF, BUF1, BUF2, BUF3 - ОА типа память (STORAGE). За единицу модельного времени принята 1 мкс.

Передача сигналов из входного буфера системы (VHODBUF) осуществляется в буфер одного из двух микропроцессоров первого сегмента конвейера, т.е. либо в BUF1 , либо в BUF2 соответственно, с равной вероятностью или в резервный микропроцессор, который не имеет буфера ( по выше написанному условию). Затем обработанные данные поступают в буфер микропроцессора второго сегмента конвейера, т.е. в BUF3. И на этом система обработки заявок заканчивает свою работу. Данная модель реализована на рисунке ниже:

УО-удаленный объект;

Рис.3. Модель в виде СМО

. Разработка программы моделирования на языке GPSS

микропроцессорный программа модель имитационный

Согласно алгоритму функционирования исследуемой МПС, СМО и условию задачи реализуем программу на языке GPSS.

Имитационный эксперимент №1:

VHODBUF STORAGE 700;объем входного буфера системы

BUF1 STORAGE 8;объем буфера №1

BUF2 STORAGE 8;объем буфера №2

BUF3 STORAGE 100;объем буфера №3

SIMULATE;разрешение на моделирование

GENERATE 10;генерация транзактов

TEST LE S$VHODBUF,7,BL3;проверка количества транзактов во ;входном буфере системы, если больше 7, ;то переход на метку BL3

ENTER VHODBUF;вход во входной буфер системы

TRANSFER 0.5,BL1,BL2;перераспределение транзакта с ;вероятностью 0.5 на метки BL1, BL2

BL1ENTER BUF1;вход в буфер №1

LEAVE VHODBUF;выход из входного буфера системы

SEIZE PROC1;занятие МП №1

LEAVE BUF1;выход из буфера №1

ADVANCE 20,6;задержка на 20±6 мкс

RELEASE PROC1;освобождение МП №1

TRANSFER,BL4;перераспределение транзакта на

;метку BL4

BL2ENTER BUF2;вход в буфер №2

LEAVE VHODBUF;выход из входного буфера системы

SEIZE PROC2;занятие МП №2

LEAVE BUF2;выход из буфера №2

ADVANCE 20,6;задержка на 20±6 мкс

RELEASE PROC2;освобождение МП №2

TRANSFER,BL4;перераспределение транзакта на

;метку BL4

BL3SEIZE PROC4;занятие МП №4

LEAVE VHODBUF;выход из входного буфера системы

ADVANCE 20,6;задержка на 20±6 мкс

RELEASE PROC4;освобождение МП №4

BL4ENTER BUF3;вход в буфер №3

SEIZE PROC3;занятие МП №3

LEAVE BUF3;выход из буфера №3

ADVANCE 11,5;задержка на 11±5 мкс

RELEASE PROC3;освобождение МП №3

TERMINATE 0;удаление транзакта без изменения ;счетчика завершения

GENERATE 5000;создание модельного времени

;5 мс (5000 мкс)

TERMINATE 1;удаление транзакта и уменьшение ;счетчика завершения на единицу

START 1;установка начального значения счётчика ;моделирования

Имитационный эксперимент №2:

VHODBUF STORAGE 700;объем входного буфера системы

BUF1 STORAGE 8;объем буфера №1

BUF2 STORAGE 8;объем буфера №2

BUF3 STORAGE 100;объем буфера №3

SIMULATE;разрешение на моделирование

GENERATE 8;генерация транзактов

TEST LE S$VHODBUF,7,BL3;проверка количества транзактов во ;входном буфере системы, если больше 7, ;то переход на метку BL3

ENTER VHODBUF;вход во входной буфер системы

TRANSFER 0.5,BL1,BL2;перераспределение транзакта с ;вероятностью 0.5 на метки BL1, BL2

BL1ENTER BUF1;вход в буфер №1

LEAVE VHODBUF;выход из входного буфера системы

SEIZE PROC1;занятие МП №1

LEAVE BUF1;выход из буфера №1

ADVANCE 20,6;задержка на 20±6 мкс

RELEASE PROC1;освобождение МП №1

TRANSFER,BL4;перераспределение транзакта на

;метку BL4

BL2ENTER BUF2;вход в буфер №2

LEAVE VHODBUF;выход из входного буфера системы

SEIZE PROC2;занятие МП №2

LEAVE BUF2;выход из буфера №2

ADVANCE 20,6;задержка на 20±6 мкс

RELEASE PROC2;освобождение МП №2

TRANSFER,BL4;перераспределение транзакта на

;метку BL4

BL3SEIZE PROC4;занятие МП №4

LEAVE VHODBUF;выход из входного буфера системы

ADVANCE 20,6;задержка на 20±6 мкс

RELEASE PROC4;освобождение МП №4

BL4ENTER BUF3;вход в буфер №3

SEIZE PROC3;занятие МП №3

LEAVE BUF3;выход из буфера №3

ADVANCE 11,5;задержка на 11±5 мкс

RELEASE PROC3;освобождение МП №3

TERMINATE 0;удаление транзакта без изменения ;счетчика завершения

GENERATE 5000;создание модельного времени

;5 мс (5000 мкс)

TERMINATE 1;удаление транзакта и уменьшение ;счетчика завершения на единицу

START 1;установка начального значения счётчика ;моделирования

Заключение

В процессе имитационного эксперимента в массиве параметров накапливаются статистические данные о процессах в СМО, по которым вычисляются выходные параметры моделируемой системы.

Проведём анализы файлов отчёта 1-го и 2-го имитационных экспериментов, содержащих всю необходимую информацию о результатах моделирования и статистические данные о работе всех узлов схемы.

. Сначала определим необходимые для нормальной работы объёмы буферов. Находим их из данных максимального содержимого памяти (MAX) для входного буфера системы (STOERAGE, VHODBUF) и буфера третьего микропроцессора (STORAGE, BUF3) в приложениях, стр.19,21.

Для первого эксперимента:

Буфер системы должен иметь объём не менее: 6 у.е. памяти*;

Буфер третьего МП должен иметь объём не менее:41 у.е. памяти;

Для второго эксперимента:

Буфер системы должен иметь объём не менее: 8 у.е. памяти;

Буфер третьего МП должен иметь объём не менее: 95 у.е. памяти;

*1 у.е. памяти в нашем случае равна объёму одного транзакта.

Таким образом для входного буфера системы объем равен 8 у.е. памяти, а для третьего буфера 95 у.е.

. Оценка вероятности подключения резервного МП (согласно анализу задания):

Эксперимент №1:Эксперимент №2:

. При увеличении интенсивности входного потока до 125 кГц изменились статистические показатели:

-Максимальное число занятых каналов входного буфера системы за время моделирования увеличилось с 6 до 8 (параметр МАХ);

Коэффициент использования 4-го МП изменился с 0 до 0,207 (параметр UTIL);

Изменилось максимальное число занятых каналов МКУ за период моделирования:

№ буфераЭксперимент №1Эксперимент №2VHODBUF68BUF188BUF288BUF34195

Таким образом, приходим к выводу: при увеличении частоты поступления транзактов требования на объем входного буфера системы повышаются на 54 у.е., вероятность подключения резервного микропроцессора уменьшается на 10%, очереди буферов уменьшаются. Можно сделать заключение о том, что при повышении быстродействия прохождения транзактов через МПС требуется более емкий входной буфер системы.

В результате проделанного проекта была реализована программа на языке GPSS, разработанная посредством СМО и алгоритма функционирования данной МПС. С помощью имитационных экспериментов были получены выходные параметры моделируемой системы, характеризующие данную МПС.

Библиографический список

1)Рыжиков Ю.И. Имитационное моделирование. Теория и технологии. СПб.: КОРОНА принт; М.: Альтекс-А, 2004.

)Томашевский В., Жданова Е. Имитационное моделирование в среде GPSS. М.: Бестселлер, 2003.

)Кудрявцев Е.М. GPSS World. Основы имитационного моделирования различных систем. М.: ДМК Пресс, 2004.

)Шрайбер Т.Дж. Моделирование на GPSS. М.: Машиностроение, 1980.

)Скворцов С.В., Телков И.А. Языки моделирования в САПР ВС: Учебное пособие. Рязань: РРТИ, 1992.

Приложения

Листинги полученных результатов

Результаты имитационного эксперимента №1:

GPSS World Simulation Report - my_gpss_reliz_ALL_all.154.1

, November 08, 2011 02:02:20

TIME END TIME BLOCKS FACILITIES STORAGES

.000 5000.000 30 3 4

VALUE5.00012.00019.00023.00010001.00010002.00010003.00010004.00010005.00010006.000UNSPECIFIED10000.000

LOC BLOCK TYPE ENTRY COUNT CURRENT COUNT RETRY

GENERATE 500 0 0

TEST 500 0 0

ENTER 500 0 0

TRANSFER 500 2 05 ENTER 243 0 0

LEAVE 243 2 0

SEIZE 241 0 0

LEAVE 241 0 0

ADVANCE 241 1 0

RELEASE 240 0 0

TRANSFER 240 0 012 ENTER 255 0 0

LEAVE 255 8 0

SEIZE 247 0 0

LEAVE 247 0 0

ADVANCE 247 1 0

RELEASE 246 0 0

TRANSFER 246 0 019 SEIZE 0 0 0

LEAVE 0 0 0

ADVANCE 0 0 0

RELEASE 0 0 023 ENTER 486 40 0

SEIZE 446 0 0

LEAVE 446 0 0

ADVANCE 446 1 0

RELEASE 445 0 0

TERMINATE 445 0 0

GENERATE 1 0 0

TERMINATE 1 0 0

ENTRIES UTIL. AVE. TIME AVAIL. OWNER PEND INTER RETRY241 0.942 19.553 1 496 0 0 0247 0.970 19.627 1 477 0 0 0446 0.990 11.095 1 459 0 0 0

CAP. REM. MIN. MAX. ENTRIES AVL. AVE.C. UTIL. RETRY700 698 0 6 500 1 0.448 0.001 08 6 0 8 243 1 1.702 0.213 08 0 0 8 255 1 3.896 0.487 0100 60 0 41 486 1 19.373 0.194 0

XN PRI BDT ASSEM CURRENT NEXT PARAMETER VALUE

0 5006.049 459 26 27

0 5010.000 502 0 1

0 5011.335 496 9 10

0 5016.612 477 16 17

0 10000.000 503 0 29

Результаты имитационного эксперимента №2:

World Simulation Report - my_gpss_reliz_ALL_all.155.1

, November 08, 2011 02:15:51

TIME END TIME BLOCKS FACILITIES STORAGES

.000 5000.000 30 4 4

VALUE5.00012.00019.00023.00010001.00010002.00010003.00010004.00010005.00010006.00010007.00010000.000

LOC BLOCK TYPE ENTRY COUNT CURRENT COUNT RETRY

GENERATE 624 0 0

TEST 624 0 0

ENTER 573 0 0

TRANSFER 573 57 05 ENTER 257 0 0

LEAVE 257 8 0

SEIZE 249 0 0

LEAVE 249 0 0

ADVANCE 249 1 0

RELEASE 248 0 0

TRANSFER 248 0 012 ENTER 259 0 0

LEAVE 259 8 0

SEIZE 251 0 0

LEAVE 251 0 0

ADVANCE 251 1 0

RELEASE 250 0 0

TRANSFER 250 0 019 SEIZE 51 0 0

LEAVE 51 0 0

ADVANCE 51 0 0

RELEASE 51 0 023 ENTER 549 94 0

SEIZE 455 0 0

LEAVE 455 0 0

ADVANCE 455 1 0

RELEASE 454 0 0

TERMINATE 454 0 0

GENERATE 1 0 0

TERMINATE 1 0 0

ENTRIES UTIL. AVE. TIME AVAIL. OWNER PEND INTER RETRY249 0.998 20.048 1 529 0 0 0251 0.994 19.795 1 554 0 0 0455 0.993 10.917 1 447 0 0 051 0.207 20.261 1 0 0 0 0

CAP. REM. MIN. MAX. ENTRIES AVL. AVE.C. UTIL. RETRY700 694 0 8 573 1 5.826 0.008 08 0 0 8 257 1 7.338 0.917 08 0 0 8 259 1 7.456 0.932 0100 6 0 95 549 1 44.436 0.444 0

XN PRI M1 ASSEM CURRENT NEXT PARAMETER VALUE

0 5000.000 626 0 1

XN PRI BDT ASSEM CURRENT NEXT PARAMETER VALUE

554 0 5001.789 554 16 17

0 5009.269 447 26 27

0 5018.034 529 9 10

0 10000.000 627 0 29

Министерство образования Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Рязанский государственны

Больше работ по теме: