Файл: Журавлев, Ю. П. Системное проектирование управляющих ЦВМ.pdf

Вопросы рационального выбора структуры управляю­ щей ЦВМ и составляют основное содержание начально­ го этапа проектирования.

Оставляя в стороне последующие этапы проектирова­ ния: макросинтез (выявление оптимального состава функциональных узлов и связей между ними), микро­ синтез (выявление детального строения логической структуры машины в элементах некоторого фиксирован­ ного базиса), техническое проектирование,—рассмотрим несколько подробнее задачи начального этапа — этапа системного проектирования.

дываемых на основные технические характеристики;

F( G, М, О) — критерий оценки эффективности ма­ шины.

В общем виде основная задача системного проекти­ рования управляющих ЦВМ может быть сформулиро­ вана следующим образом: для заданных векторов G и О требуется отыскать такой вектор М*:

Afi*=/i(G, М, О),

Л*2*=*ЫG, М, О),

Mm*= /m(G, М, О),

чтобы величина критерия .F(G, М, О) приняла экстре­ мальное (минимальное или максимальное в зависимо­ сти от вида критерия) значение.

Другими словами, оптимальным образом спроекти­ рованная управляющая машина должна наилучшим образом удовлетворять предъявляемым к ней требова­ ниям, и, в частности, при выборе и расчете основных технических характеристик машины на этапе систем­ ного проектирования необходимо стремиться к тому, чтобы их совокупность (с учетом ограничений) была оптимальной с точки зрения критерия оценки эффектив­ ности машины.

10

Прежде чем обсуждать возможные пути решения основной задачи этого этапа, необходимо рассмотреть составляющие ее элементы. Список G требований, предъявляемых к машине, в каждом конкретном слу­ чае может быть различным. Тем не менее можно ука­ зать ряд типовых требований, общих для любых систем. К ним относятся требования по времени, точности и достоверности решения задач с помощью разрабаты­ ваемой машины. Кроме того, проектируемая ЦВМ должна удовлетворять ряду требований, обусловленных спецификой реального пространства, в котором она функционирует. Так, условия места: — протяженность, энерговооруженность и др. — определяют требования к габаритам, весу, потребляемой мощности; климати­ ческие условия:— температурный режим, состав и влаж­ ность атмосферы, радиация, освещенность — опреде­ ляют ряд технологических требований по защите систе­ мы от вредного влияния окружающей среды; услозия эксплуатации предъявляют требования к транспорта­ бельности, количеству и квалификации обслуживающе­ го персонала, к механической прочности узлов и агрегатов и т. д. Важное значение придается требова­ нию экономической эффективности, которое имеет самостоятельное значение в смысле возможности и це­ лесообразности создания машины на основе имеющихся экономических ресурсов.

Далеко не полный список М технических характери­ стик, приведенных выше, следовало бы дополнить по меньшей мере десятком-другим параметров, таких как система счисления, принятая в машине, способы пред­ ставления чисел, параметры надежности и системы контроля, характеристики отдельных устройств машины, например время обращения к различным видам памя­ ти, время выполнения машинных операций того или иного типа в операционном устройстве, скорости работы устройств ввода — вывода информации и др.

Перечень О ограничений включает ограничения раз­ личного рода. Во-первых, в роли ограничений высту­ пают.все допущения, связанные с выявлением функцио­ нальных зависимостей вида Mi = fi(G, М, О). Во-вторых, сюда следует отнести все смысловые ограничения, свя­ занные с принципиально возможными пределами изме­ нения того или иного технического параметра машины. Наконец, в этот перечень должны входить ограничения

И

технологического характера, связанные с тем, что су­ ществующий уровень промышленного производства не всегда позволяет получить желаемые и в то же время принципиально достижимые значения тех или иных параметров элементов машины.

В общем случае можно записать

различные показатели. Техническое совершенство циф­ ровой машины может быть оценено, например, по пока­ зателю ее производительности. Производительность по­ нимается как количество решаемых машиной в единицу времени задач указанного класса в режиме ее нормаль­ ной эксплуатации. Этот показатель может служить кри­ терием оценки эффективности управляющей машины в тех случаях, когда по каким-либо причинам не удает­ ся в полной мере оценить степень экономических затрат, связанных с ее проектированием, изготовлением и экс­ плуатацией.

Если же прогнозирование экономических затрат возможно, то для оценки эффективности машины целе­ сообразно использовать либо критерий цены эффектив­ ного быстродействия, либо критерий себестоимости одно­ кратного решения задач указанного класса. Последний получается, если суммарные затраты на изготовление, амортизацию и эксплуатацию машины за весь срок ее службы отнести к произведению этого срока на показа­ тель производительности.

Вид функции M i = f{(G, М, О) отражает тот факт, что в общем случае i-я техническая характеристика зависит от комплекса требований к машине, от сово­ купности других ее технических характеристик и от на­ бора О внешних ограничений. Характер этой зависи­ мости может быть различным. Вообще говоря, в неко­ торых случаях вектор М можно выбирать, используя методы линейного и нелинейного программирования, если эти функции и показатель эффективности удовле­ творяют определенным требованиям.

12

В общем случае задача может быть в принципе, решена только лишь путем полного перебора различных вариантов совокупностей технических характеристик проектируемой машины с последующим их сравнением.

При этом бесчисленное множество значений некото­ рой непрерывно изменяющейся технической характери­ стики следует разумно заменить конечным числом зна­ чений, принадлежащих диапазону ее изменения. Здесь необходимо отметить, что взаимозависимость техниче­ ских характеристик цифровой машины позволяет про­ извольно варьировать значения не абсолютно всех технических характеристик, а некоторой, скажем, боль­ шей части их списочного состава, в то время как остальные необходимо рассчитывать в каждом кон­ кретном случае в зависимости от фиксированной ва­ риации.

Количество таких переборов очень велико. Так, на­ пример, если произвольно варьировать десять техниче­ ских характеристик и для каждой из них предположить существование всего 10 возможных значений, то общее количество переборов составит 1010. В /Действительности же предварительная оценка величин, с которыми при­ ходится оперировать, показывает, что полное количест­ во переборов отличается в большую сторону на много порядков. Другими словами, принципиально возможное оптимальное решение в настоящее время недостижимо. В этом смысле нельзя не согласиться синением У. Эшби [3], что теория сложных систем должна строиться на ме­ тодах упрощения и по сути дела представлять собой науку упрощения.

На практике все сводится к тому, что на основе опыта проектирования и некоторых умозрительных со­ ображений выбирают несколько возможных вариантов совокупностей основных технических характеристик и проводят их оценку, моделируя проектируемую машину с помощью универсальной ЦВМ. Оценить полезность таких упрощений нельзя, поскольку совершенно неясно, насколько выбранный в результате моделирования ва­ риант близок к оптимальному.

Естественно, возникает вопрос, как же все-таки в таких условиях обеспечить детерминированный выбор если не самой оптимальной, то весьма близкой к ней совокупности основных технических характеристик про­ ектируемой управляющей цифровой машины.

13

Интуитивно чувствуется, что если каким-либо обра­ зом получить решение задачи, не сильно отличающееся от оптимального, то изменяя далее, может быть незна­ чительно параметры, удастся получить новое решение, еще более близкое к оптимальному. И это действитель­ но так.

Известны методы решения экстремальных задач, в которых на всяком последующем шаге отыскивается значение функции, расположенное каждый раз все бли­ же к оптимальному (экстремальному).

Если проанализировать известные в настоящее вре­ мя функции вида Мг = фг(М), то окажется, что сущест­ вуют технические характеристики, например разрядность чисел, которые практически не зависят от остальных характеристик, а в общем случае количество аргументов Mj (j=/=i)t от которых существенно зависит t-я техни­ ческая характеристика, меняется с изменением индекса i.

Один из возможных подходов к решению этой задачи заключается в следующем. Вначале строго рассчитыва­ ются технические характеристики, для которых функции

и по возможности от наименьшего количества еще не найденных. Последними, очевидно, придется задаться, основываясь на накопленном опыте проектирования. Наконец, рассчитываются технические характеристики, зависящие от наибольшего количества аргументов.

Произвольный выбор некоторых аргументов Mj яв­ ляется источником ошибки, который отдаляет искомую совокупность технических характеристик от оптималь­ ной.

О полученной таким образом совокупности характе­ ристик можно утверждать, что, во-первых, значение ее критерия эффективности гораздо ближе расположено к объективно существующему оптимальному, чем к зна­ чениям этого критерия для наихудших вариантов сово­ купности, и, во-вторых, имеется некоторая вероятность, что выявленная совокупность является оптимальной. Эта совокупность может послужить отправной точкой для дальнейших исследований, идея которых заключа­ ется в незначительном изменении значений тех харак­ теристик, которые выбирались произвольно, с после­ дующей оценкой эффективности всего семейства вновь

14

полученных вариантов и поиском наиболее приемлемого из них.

Проблема выбора и расчета оптимальной совокуп­ ности основных технических характеристик проектируе­ мых цифровых машин является далеко не тривиальной уже хотя бы потому, что вид некоторых функций и со­ ответствующие частные методы определения некоторых технических характеристик не разработаны. Очевидно, что решение проблемы требует выявления взаимозави­ симостей между всеми техническими характеристиками.

Особого внимания заслуживают следующие аспекты проблемы.

1. Одной из наиболее важных и актуальных следует, по-видимому, считать проблему выбора оптимального внутреннего языка проектируемой цифровой машины, т. е. ее систему операций, адресность и форматы команд. Дело в том, что, во-первых, эти технические параметры, характеризующие внутренний язык машины, являются, пожалуй, наиболее важными, поскольку прямо или косвенно определяют специфику логической структуры проектируемой машины, а следовательно, влияют на количество ее оборудования, надежность, быстродейст­ вие и другие параметры. Система операций, адресность и форматы команд находятся в тесной взаимной зави­ симости, характер которой известен в основном с каче­ ственной, но не с количественной стороны. С этой точки зрения при выборе внутреннего языка машины наталки­ ваются на определенные трудности.

Во-вторых, эта задача тесно связана с проблемой алгоритмизации задач управления, т. е. с проблемой построения оптимального в смысле помехозащищенно­ сти объема вычислительных работ и точности алгоритма. Построение оптимальных алгоритмов предполагает их тщательный количественный анализ. Известные же ме­ тоды количественной оценки алгоритмов достаточно трудоемки и сводятся, как правило, к моделированию алгоритмов с помощью универсальных ЦВМ.

В-третьих, выбор внутреннего языка проектируемой ЦВМ отражается на специфике программирования за­ дач. Если в случае управляющей ЦВМ, программа для которой составляется один раз, трудностями программи­ рования можно поступиться в пользу, скажем, простоты конструкции машины, то в случае универсальных ЦВМ широкого назначения выбор внутреннего языка должен

15

учитывать удобства непосредственного программирова­ ния, а также достаточно простую трансляцию программ при использовании методов автоматического програм­ мирования. В противном случае может, например, ока­ заться, что оптимальный с точки зрения конструктивных соображений внутренний язык ЦВМ приводит к уве­ личению сроков программирования задач или к слиш­ ком большому расходу машинного времени на трансля­ цию программ, причем рентабельность машины в целом снижается.

Задача выбора оптимального внутреннего языка про­ ектируемой машины не может быть успешно решена без предварительного исследования этих трех аспектов.

2. ЦВМ в системе управления можно рассматривать как дискретный ключ, в котором сигналы претерпевают квантование по времени н по уровню. Динамические ошибки в системе в значительной степени зависят от быстродействия управляющей ЦВМ, а статические — от разрядности чисел, с которыми машина оперирует.

Правильный выбор разрядности чисел является важ­ ным делом, поскольку от этого зависят, во-первых, точ­ ность работы всей системы управления, а во-вторых, количество оборудования операционных, запоминающих и преобразующих устройств, входящих в состав ма­ шины. Завышенное количество оборудования увеличива­ ет габариты, вес, потребляемую мощность машины и сни­ жает ее надежность.

Выбор разрядности должен обеспечить заданную точность информации на выходе управляющей машины при минимальных затратах оборудования.

Определение разрядности устройств проектируемой управляющей ЦВМ путем цифрового моделирования процесса управления с помощью другой ЦВМ с заве­ домо завышенной разрядностью не всегда является простым делом и требует значительных затрат. Поэтому возникает необходимость разработать аналитические методы расчета оптимальной величины разрядной сетки проектируемых управляющих машин.

3. Борьба за повышение надежности ЦВМ ведется на всех участках проектирования и продолжается в пе­ риод эксплуатации уже готовых образцов. В процессе проектирования проблема обеспечения высокой надеж­ ности проектируемой ЦВМ отождествляется в основном с проблемой выбора оптимальной системы контроля.

16