В данных структурных схемах пкф тот самый элемент структурной схемы, который должен аккумулировать в себе все функциональные изменения при развитии системы и ПО.

Функциональные задачи и декомпозиция СТС на подсистемы

 

Рассмотрим функциональные задачи для сложной технической системы - спутника, которые решаются последовательно путем включения в работу того или иного набора бортовых систем:

- После отделения от ракеты-носителя спутнику необходимо погасить угловые возмущения, возникшие вследствие работы механизмов отделения спутника и перейти в ориентированное антеннами на Землю угловое положение и поддерживать его в течении полета. Для этого нужны датчики, позволяющие обнаружить и «захватить» землю или солнце;

- Проводить сеансы связи по целевому назначению при нахождении в зоне радиовидимости наземного пункта приема - передачи. При этом спутник должен быть ориентирован осью остро направленных антенн на землю, а точнее на наземные пункты приема и передачи информации и включать радиолинию строго в момент вхождения в зону радиовидимости.

- В заданное время провести коррекцию орбиты путем включения бортовой двигательной установки на точно рассчитанное время при строгой ориетации вектора силы тяги двигателя для поддержания требуемых параметров орбиты, которые непрерывно меняются под действием возмущений, действующих на спутник в полете;

- В процессе орбитального полета многократно решать целевую задачу спутника путем управления в необходимые моменты времени включениями целевой аппаратуры и соответствующим управлением угловым движением с наведением целевой аппаратуры наблюдения (оси спутника) на цель наблюдения на земной поверхности с заданными координатами.

-Управление спутником в случае возникновения нештатных ситуаций – решение задачи безопасности, что связано с необходимостью переключения соответствующей БА на резерв, с возможным восстановлением впоследствии утраченного ориентированного состояния (см. первую задачу и т. п.

Можно сказать, что этим функциональным задачам соответствуют «варианты использования» спутника или режимы его работы.

Сеч 1 Сеч 2

__________________________________________________

СОИС ============================================ }A1,A2,A3

 

ЗАП ЗАП ЗАП ВОС, НП ЗАП ЗАП ЗАП

СТК –– –– –– –– –– ––А4

КРЛ А5

САН –– –– –– –– А6

Определение

и прогноз

параметров

движения для

расчета се- А7 А7

ансов связи

Целевая аппа- _____ ____ ________________ __ ______ _____А8

ратура

СЭС (управ. –– ––– –– ––– А9

ПСБ)

Управл.КДУ А10

Управление __ __ __ __ ___ ___ __ _____________________ __ _ А11

угл. движ.

ППТ

t

сеанс Включение

связи КДУ для коррек-

с НКУ ции орбиты

 

На данном рисунке применены следующие сокращения:

 

КДУ - корректирующая двигательная установка для управления движением центра масс;

КРЛ – командная радиолиния связи «борт-земля»;

САН – система автономной навигации;

СОИС – система ориентации и стабилизации,

СТК – система телеконтроля

Сечение 1: А1,А2,А3,А4, А7,А11.

Сечение 2: А1,А2,А3,А4,А5,А6,А7,а8,А9,А11 и т.п.

 

При декомпозиции спутника можно выделить ряд подсистем, выполняющих определенные функции во всех перечисленных функциональных задачах:

- система угловой ориентации продольной оси антенны (оси спутника) на Землю и управления угловым движением спутника по трем каналам;

- система навигации для определения параметров орбиты спутника и точного его положения на ней (автономно или через Землю), что необходимо для вхождения с ним в связь в течение сеанса связи и для управления включениями целевой аппаратуры над заданной целью;

- радиоканал управления для связи с наземным комплексом управления, обеспечивающий управление спутником со стороны Земли – передачу на борт информации и команд управления;

- радиоканал передачи полученной на бору спутника информации на пункт приема на земле,

- корректирующая двигательная установка (КДУ) для изменения параметров орбиты;

- система телеконтроля для сбора и передачи на Землю контрольной информации со спутника;

- система энергоснабжения бортовой аппаратуры;

- система терморегулирования состояния внутренней среды для обеспечения условий работы бортовой аппаратуры (БА).

Перечисленные системы параллельно работают во всех задачах – вариантах использования или режимах работы спутника, но работают они, различным образом взаимодействуя в каждой функциональной задаче, реализуя ту сложность поведения о которой мы говорили, определяя СТС.

Временная диаграмма работы сложной системы как средство её проектирования, позволяет в наглядной форме рассмотреть сразу все параллельные физические процессы и определить наиболее нагруженные временные «сечения» и количество подсистем, работающих в «сечениях». Такая диаграмма является основой для выбора принципов организации многозадачной параллельной работы ПО, как говорят, вычислительного процесса в БЦВМ и следовательно позволяет выбрать операционную систему реального времени.

Выше рассмотрена подобная укрупненная временная диаграмма работы бортового контура управления спутника на одном из витков (периодов) орбитального движения. На данном витке осуществляется включение бортового двигателя для изменения параметров орбиты и проводится сеанс связи с наземным пунктом управления.

Можно рассмотреть несколько временных «сечений». Им соответствуют вертикальные линии нашей диаграмме.

Каждому «сечению» временной диаграммы соответствует свой набор задач ПО.

Можно выделить пограничные «сечения», при переходе через которые набор задач меняется.

 

Структура ПО управления СТС

Поставим в соответствие каждой подсистеме СТС программное обеспечение ЦВМ или сети ЦВМ, управляющей СТС. Это программное обеспечение обслуживает работу только своей подсистемы, решая набор задач по её управлению. При этом все подсистемы СТС представлены в памяти БЦВМ (одной или сети ЦВМ), своей программной частью, а БЦВМ управляет работой каждой подсистемы и своими устройствами ввода-вывода связана со всей аппаратурой систем спутника. Поэтому взаимодействие подсистем КА, передача информации между подсистемами и взаимосвязанного управление ими путем инициализации работы подсистем в требуемые рамоменты времени может быть обеспечено на программном уровне.

Для этой цели целесообразно создать специальные программы ПО - программы комплексного функционирования (ПКФ), обеспечивающие выполнение перечисленных функциональных задач спутника.

Этим функциональным задачам соответствуют «варианты использования» спутника.

При этом ПКФ выполняют функции супервизора функциональной задачи. Каждой функциональной задаче соответствует свой супервизор – ПКФ.

В системе управления также должен быть элемент, знающий какая задача комплексного функционирования должна решаться в данный момент и обеспечивающий её исполнение. Поскольку решение функциональной задачи обеспечивается вызовом на исполнение соответствующей программы комплексного функционирования, то управление включением последовательности выполнения функциональных задач СТС-ПКФ как по информации наземного комплекса управления (НКУ), так и по информации, выработанной в БКУ, необходимо сосредоточить в других специальных программах бортового ПО - планирующих программах.

В общем случае такая иерархическая трехуровневая структура ПО не зависит от назначения ПО сложной системы и связана с частотным разделением процессов управления на долгосрочное планирование, диспетчерское оперативное управление и исполнение рабочих функций.

Таким образом декомпозиция систем СС порождает представление комплекса бортового ПО в виде трехуровневой иерархической структуры.

Нами рассмотрен этап общесистемного проектирования ПО, на котором определяются задачи ПО и определяется структура ПО, отражающая состав решаемых функциональных задач.

Необходимо подчеркнуть, что структура ПО отражает схему управления – «кто кого включает», но в общем случае не определяет последовательность работы структурных единиц ПО во времени («когда включает»). В сложной технической системе параллельно во времени протекают несколько физических процессов управления. Например, в летательном аппарате необходимо управлять ориентацией трех его осей в пространстве, управлять режимами двигателя и т.п. Если в системе управления имеется встроенная ЦВМ, то этим параллельным физическим процессом управления соответствуют параллельно работающие программы ПО или их более мелкие фрагменты.

Эти программы могут отражаться на структурной схеме ПО, однако, когда какой физический процесс начинается и когда заканчивается, какие процессы исполняются параллельно, как физические процессы взаимодействуют во времени из структурной схемы не видно.

Организация взаимосвязанного во времени работы ПО СТС по пограничным сечениям временной диаграммы.

 

Решение заданного набора задач можно провести, составив при проектировании ПО для каждого временного сечения временной диаграммы пакет соответствующих задач. Каждой задаче из данного пакета выделяется свой квант времени на её решение. Сумма всех квантов времени на решение всех задач пакета должна быть равна или меньше периода повторения решения задач пакета. Но с течением времени при переходе через «пограничное сечение» набор задач изменится, то есть должен быть запущен другой пакет задач.

Таким образом, последовательно запуская пакеты, привязанные к граничным сечениям, при помощи программы комплексного функционирования– супервизора можно исполнить все параллельные процессы на всем интервале работы СТС.

Этот подход трудоемок и при нем относительно трудно реализуются изменения в ПО (фрагмент изменяемой задачи, нужно править во всех сечениях-пакетах, где она работает).

Параллельное исполнение процессов в ПО управления СТС

Из рассмотрения временной диаграммы работы СТС и её ПО следует, что возможен другой способ реализации управления исполнения задач ПО в рамках этой же временной диаграммы.

Можно представить работу ПО, как набор параллельно работающих программ или набор параллельно исполняемых процессов под управлением многозадачной ОС реального времени.

Термин мультипрограммный режим работы ПО или многозадачный режим работы предполагает, что ОС организует параллельное выполнение нескольких физических процессов на одном процессоре. Термин многозадачный режим работы ПО применяется для тех случаев,когда надо обеспечить не только исполнение параллельных физических процессов, но и взаимодействие между параллельными физическими процессами и их синхронизацию, что делается специальными механизмами ОС. При этом возможна ситуация, когда ОС разделяет только процессорное время, а о разделении других ресурсов, например, памяти должен позаботиться разработчик ПО.

Потоки,ассоциируемые с такими задачами,являются «облегченными процессами» и реализуют внутренний параллелизм процессов. Представление работы системы в виде связанных между собой процессов позволяет легче проводить масштабирование системы (добавлять и убавлять процессы). В этом смысле такое представление также является более открытым для изменений.

 

 

Лекция 13. Параллельные физические процессы управления и многозадачная работа ПО управления СТС

Многозадачная работа ПО СТС. Причины многозадачности.

 

В сложных системах одновременно протекают несколько физических процессов управления – должны решаться несколько задач ПО.

Программное обеспечение сложных технических систем выполняется в виде набора задач, разработанных коллективно и объединенных в программный комплекс. Это делается и по следующим причинам.

1. Наличие многофункциональности СТС с множеством параллельных процессов управления и соответственно подсистем. При этом целесообразно по возможности для решения различных функций использовать один и тот же набор подсистем и ПО в различных сочетаниях.

2.Отсутствия специалистов одинаково грамотно разбирающихся в разнородных предметных областях, соответствующих подсистемам сложной системы, то есть имеется естественная техническая и организационная специализация разработчиков системы - разработчиков ПО. При этом для обеспечения сроков работ по разработке ПО (для сокращения времени его создания) требуется подключение нескольких разработчиков, а не создание некоего суперразработчика. ПО даже если он и освоит все предметные области - делать ПО он будет очень долго.

Поэтому каждый из разработчиков независимо от других разработчиков разрабатывает программы в рамках своей предметной компетенции. Организационно правильным в данной ситуации – компиляция данных порозень разработанных частей ПО также должна быть независимой и раздельной.

3. Еще один источник многозадачности связан с необходимостью работы ряда задач в реальном времени. Программирование задач реального времени отличается от чисто последовательного программирования тем, что внешние сигналы или события могут возникать в случайные моменты времени и требуют программного обслуживания на фоне уже решаемых задач. Время реакции на эти события должно удовлетворять заданным ограничениям.

Если системная ЦВМ однопроцессорная (и одноядерная), то мультипрограммная работа осуществляется путем поочередного переключения по определенным правилам задач - разделения времени процессора между задачами. При этом производительность процессора ЦВМ должна быть настолько высокой, чтобы все задачи решались в РМВ. Тогда каждая задача- процесс, как бы не "чувствует" наличие других процессов - они ей не мешают

В многопроцессорных и многоядерных вычислительных системах возможна истинная параллельная работа процессоров или ЦВМ - истинное параллельное решение задач.

При этом в обоих случаях возникают дополнительные затраты процессорного времени. В случае однопроцессорной ЦВМ - это затраты на переключение между задачами и ожидания для синхронизации, в случае многопроцессорной или многомашинной вычислительной системы - это затраты на синхронизацию процессов и обмен данными между процессами в различных процессорах.

Задачи и процессы. Контекст процесса. «Упрятывание» контекста при прерываниях

Физический процесс - упорядоченная последовательность действий в системе над информацией, энергией или материей, приводящая к требуемому результату. Применительно к ПО ЦВМ физический процесс (задача) может реализовываться работой одной или некоторой совокупностью структурных единиц ПО – программ.

Многозадачность поддерживается ОС. Реализация многозадачности может быть различной в различных ОС. Однако, в настоящее время сформировался некоторый единообразный подход, связанный с определением «процессов и потоков». В деталях эти понятия могут для различных ОС несколько различаться, но принципиально для авторитетных ОС эти понятия одинаковы.

Процесс это контейнер, содержащий память, ресурсы, открытые файлы и потоки. При этом в процессоре исполняется порожденный процессом поток или потоки.

Распределяя ресурсы ЦВМ между процессами, ОС обеспечивает и поддерживает изоляцию между ними, чтобы уберечь задачи от неожиданного и несанкционированного взаимодействия. В частности, процессы снабжаются отдельными виртуальными адресными пространствами, чтобы избежать наложений по памяти.

Однако, в процессах в свою очередь может иметься необходимость в распараллеливании вычислений с тесными связями между отдельными их потоками. Такие параллельные потоки из всех разделяемых ресурсов ЦВМ требуют только разделения времени процессора. Многопоточная обработка является видом многозадачной обработки без защиты задач друг от друга при использовании памяти.

Каждый процесс имеет отображение в системной ЦВМ и в любой момент времени находится в точно определенном состоянии, однозначно описываемом содержимом регистров ЦВМ, содержимым областей памяти ЦВМ, счетчиком команд, счетчиком времени и т. п.

Эта базовая информация о исполняемом процессе называется контекстом. При исполнении одной из задач в процессоре ее контекст всегда можно «заморозить» (запомнить при необходимости в специальной зоне памяти либо в стеке) и приступить к решению другой задачи. При этом сохраненный контекст первой задачи позволяет завершить ее в будущем.

Понятие контекста широко используется при прерывания процесса более приоритетным процессом, обслуживающим пришедшее прерывание. После завершения обслуживания прерывания благодаря сохраненному контексту прерванная задача будет завершена.

Заметим, что переменные процесса сохраняются в выделенной для них зоне памяти в тех случаях, когда ОС обеспечивает защиту этой памяти от доступа к ней данных других процессов. В этом случае их дополнительно защищать упрятыванием не надо и они не входят в контекст.

. В набор команд процессора спроектированного для многозадачной работы входят специальные инструкции для быстрого аппаратного упрятывания и восстановления контекста. Время переключения процессов – важнейший показатель качества ОС и в этом вопросе процессоры их должны поддерживать. По времени переключения процессов лидирует ОС QNX.