Файл: Шаталов, В. А. Применение ЭВМ в системе управления космическим аппаратом.pdf

— время переписи данных сокращается, так как в оператив­ ную память можно переписать лишь те участки программ, кото­ рые в данный момент используются;

•— сокращается время дополнительной переписи массивов, которое требовалось ранее для того, чтобы увеличить длину сво­ бодного участка оперативной памяти для размещения поступаю­ щей программы.

Указанные преимущества достигаются при увеличении вре­ мени, потребного для получения действительного адреса, и вре­ мени, затрачиваемого на корректировку таблицы соответствий. Для получения действительного адреса при использовании стра­ ничной организации требуется каждый раз два обращения: одно для получения адреса слова из таблицы соответствий, а другое для получения самого слова.

Время получения адресов слов, размещенных в оперативной памяти, можно существенно сократить, используя быстродейст­ вующие регистры для хранения части таблицы соответствий, со­ держащей адреса страниц, размещенных в оперативной памяти. Так как число таких регистров невелико, то существенного уве­ личения оборудования не будет.

3. Сегментная организация памяти.

Рис. 6. 3. Сегментная организация памяти

Регистр команд

Таблицы соответст вии сегмент ов

155

Более совершенным, но и более сложным способом организа­ ции памяти является сегментная организация, в котором учиты­ вается то, что в оперативной памяти одновременно должна нахо­ диться одна или несколько программ и какой-либо участок дан­ ных. Такую совокупность назовем сегментом. Сегмент должен целиком вводиться из внешней памяти в оперативную. Програм­ ма в этом случае будет состоять из сегментов, а сегменты, в свою-

очередь, из страниц.

На рис. 6.3 приведена организация таблиц, позволяющая получить действительные адреса размещения данных в оператив­ ной памяти. Преимущества данного способа достигаются при увеличении времени, потребного на выработку адресов, так как в этом случае доступ к любому машинному слову требует трех

обращений.

Каждый из рассмотренных способов организации памяти обес­ печивает динамическое ее распределение и может применяться в зависимости от требований, предъявляемых к системе обра­ ботки в целом.

6.2. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Неотъемлемой частью вычислительной машины или вычис­ лительной системы является программное или математическое обеспечение. Математическое обеспечение [1, 3] — это комплекс программных средств, предназначенных для повышения эффек­ тивности использования вычислительной системы, облегчения ее эксплуатации и снижения трудоемкости подготовительной работы и решения задач на ЭВМ. Хотя терминология в данной области знаний еще окончательно не установилась, однако многие авторы делят математическое обеспечение на внутреннее и внешнее.

К внутреннему математическому обеспечению относятся средства, повышающие эффективность организации вычислитель­ ного процесса и состоящие из следующих элементов:

1)программ функционального контроля;

2)операционной системы;

3)программ, обеспечивающих хранение и выборку данных из запоминающих устройств.

Программы функционального контроля предназначены для выполнения следующих функций:

а) проверки по программам тестового контроля исправности ЦВМ перед началом работы:

б) обнаружения отказов и сбоев в процессе выполнения основных задач;

в) исправления ошибок в случае обнаружения сбоев; г) определения места отказа.

Операционная система предназначена для организации вы­

числительного процесса и состоит из следующих основных про­ грамм:

156

—диспетчера (супервизора), осуществляющего управление последовательностью решаемых задач и контроль загрузки ЭВМ,

—управления обменом данными с внешними устройствами;

—управления системой ЭВМ или многопроцессорной

системой.

Программы, обеспечивающие хранение и выборку данных предназначены для эффективного выполнения следующих функций:

•— записи данных в накопителе; —• обновления хранящейся информации;

—выборки данных по запросу;

—выполнения специальных процедур обработки (сжатия

данных, сортировки и т. д.).

К внешнему математическому обеспечению относятся сред­ ства, обеспечивающие сокращение затрат на разработку алго­ ритмов, составление и отладку программ. Обычно к внешнему математическому обеспечению относят:

—алгоритмические языки;

—трансляторы;

—• библиотеки стандартных программ.

Под алгоритмом понимается всякое точное предписание, кото­ рое задает вычислительный процесс, позволяющий преобразовать некоторые исходные данные в искомый результат, определяемый этими исходными данными. Для того чтобы реализовать алго­ ритмы при помощи ЭВМ, в настоящее время широко исполь­ зуются алгоритмические языки или языки программирования [2].

Алгоритмические языки в зависимости от особенностей задач, для описания которых они предназначены, делятся на различные группы, из которых в интересах конкретного применения целесо­ образно остановиться на двух:

машинно-ориентированные языки (автокоды); проблемно-ориентированные языки.

Автокод, являющийся языком низшего уровня, с одной сто­ роны, сохраняет структуру системы команд данной ЭВМ, а с дру­ гой — существенно облегчает оператору процесс составления программы, так как позволяет не привязываться к конкретным адресам, использовать наиболее удобные для оператора симво­ лы (десятичную систему счисления, возможность использования определенных команд вместо целых блоков и т. д.).

Преимущество автокода применительно к использованию в рассматриваемом классе задач характеризуется также возмож­ ностью использования отдельной команды, соответствующей опросу аналоговых и цифровых датчиков.

Языками высшего уровня являются проблемно-ориентиро­ ванные языки. Эти языки не зависят от особенностей используе­ мой ЭВМ и содержат средства, позволяющие составить описание процесса обработки, протекающего во времени. К проблемноориентированным языкам могут быть отнесены: АЛГОЛ-60.

157

КОБОЛ, ФОРТРАН, PL-1. Использование таких языков позво­ ляет создать библиотеки алгоритмов, записанных на данном языке, и использовать эти алгоритмы для реализации на любой

из ЭВМ.

Для того чтобы перевести описание процесса с алгоритми­ ческого языка на машинный, используются трансляторы. Про­ грамму, осуществляющую перевод с проблемно-ориентированно­ го языка на машинный, обычно называют компилятором [4].

Рассмотрим в качестве примера организацию системы мате­ матического обеспечения бортовой ЦВМ «Аполлон».

Требования к комплексу программ данной ЦВМ характери­ зуют задачи, решаемые в процессе полета, и параметры и назна­ чение входных и выходных устройств. На рис. 6. 4 приведена блок-схема связей БЦВМ с такими устройствами.

Программы, составляющие математическое обеспечение, делятся на две группы:

— рабочие программы, предназначенные для реализации задач управления космическим аппаратом;

—обслуживающие программы.

Кобслуживающим программам могут быть отнесены сле­

дующие:

•— интерпретирующая программа;

—управляющая программа;

—программа анализа списка ожидающих прерываний. Основной особенностью математического обеспечения

является то, что программы написаны на специализированном языке, удобном для описания задач, и хранятся в таком виде в памяти ЭВМ. Перевод со специализированного языка на машинный осуществляется интерпретирующей программой в про­ цессе работы. Такой способ формирования основных программ позволяет увеличением времени обработки сократить сущест­ венно объем памяти, потребный для хранения программ. Дости­ гаемая экономия памяти значительно больше того объема, кото­ рый необходим для самой интерпретирующей программы.

Принципы построения управляющей программы опреде­ ляются тем, что система обработки данных представляет собой систему с разделением времени [5]. В БЦВМ «Аполлон» в та­ ком режиме одновременно может работать до десяти программ. В связи с этим основными функциями управляющей программы являются:

—распределение оперативной памяти в режиме разделения времени;

—организация работы по принципу приоритета;

—отображение результатов обработки на устройствах инди­

кации.

Среди программ, составляющих математическое обеспечение БЦВМ «Аполлон», имеются такие, которые выполняются в режиме прерывания. Для управления такими программами

158

Входные данные

Выходные данные

Рис. 6. 4. Блок-схема связи БЦВМ с внешними устройствами

159

предназначена программа анализа списка ожидающих прерыва­ ний, которая осуществляет контроль за временем выполнения программ в этом режиме. Отсутствие такого контроля может привести к недопустимой задержке в обработке поступающей информации, потере информации или несвоевременной выдаче данных из системы обработки. В БЦВМ «Аполлон» время выпол­ нения программ в режиме прерывания не должно превышать 4 мс, что характеризует большую динамичность данной вычисли­ тельной системы.

Большое внимание, уделяемое вопросам автоматизации составления и отладки программ, определяется тем, что програм­ мное или математическое обеспечение бортовых ЦВМ стоит дороже, чем оборудование.

Построение математического обеспечения БЦВМ представ­ ляет собой весьма сложную проблему также в связи с тем, что высокие требования к вероятности выполнения задачи космиче­ ским аппаратом естественным образом предъявляют еще более высокие требования к надежности выполнения программ в бор­ товой вычислительной машине.

Основным методом отладки и проверки качества программ является моделирование на стационарной ЭВМ, использующее модель КА, модель окружающей среды и модель БЦВМ. С этой целью создаются семейства стационарной ЭВМ и БЦВМ, имею­ щие ряд сходных характеристик. В качестве примера могут быть

является частью системы команд стационарной ЭВМ из этого же семейства.

Использование подобного принципа дает следующие сущест­ венные преимущества:

—отпадает необходимость в моделирующей программе для отладки программ БЦВМ;

—идентичность систем команд в семействе ЭВМ позволяет привлечь для программирования задач БЦВМ высококвалифи­ цированных специалистов, подготовленных для работ на стацио­ нарных ЭВМ.

6.3. МЕРЫ ПО ПОВЫШЕНИЮ НАДЕЖНОСТИ

Одной из основных условий совершенствования бортовых вы­ числительных машин, как это было отмечено в гл. 1, является обеспечение высокой надежности систем и аппарата в целом.

Так как увеличение показателя надежности связано с резким возрастанием стоимости оборудования, то выбор требований по надежности определяется общей стоимостью решения постав­

ленной задачи или поддержания космической системы в работо­ способном состоянии.

160