Моделирование параллельных процессов

Возможность моделирования параллелизма и довольно простые процедуры объединения подсистем, представленных схемами, делают их весьма полезным инструментом моделирования сложных аппаратно-программных информационно-вычислительных комплексов и сетей, состоящих из большого количества одинаковых компонент. Поясним это следующим примером.

Пример 8.9. Рассмотрим процесс функционирования ЭВМ с конвейерной обработкой. При построении высокопроизводительных асинхронных ЭВМ широко применяют метод конвейерной обработки чисел. Этот метод обработки подобен функционированию сборочного конвейера и особенно удобен для работы с векторами и массивами. Конвейер состоит из набора операций, которые могут выполняться одновременно в разных блоках ЭВМ. Когда операция в к-м блоке завершается, ее результат передается в (*+ 1)-й блох, а *-й блок принимает результат операции из (к— 1)-го блока. Если каждая операция запускается по завершении предыдущей, то имеем дело с асинхронным способом управления конвейером. Для управления к-м блоком такого конвейера необходима информация о выполнении следующих условий:

• — входной регистр заполнен;
• — входной регистр пуст,
• — выходной регистр заполнен;
• — выходной регистр пуст;
• — блок к занят;
• — - блог к свободен;
• — пересылка осуществляется.

На рис. 8.23, а показано, как строится №схема для моделирования асинхронного конвейера такого типа, причем эта модель позволяет анализировать взаимодействия между блоками, игнорируя конкретные детали процессов, которые происходят внутри блоков. Эти процессы в свою очередь могут быть промоделированы Ы-схемами и соединены между собой в соответствии со схемой, показанной на рис. 8.23, б. Такая возможность построения иерархических моделей может быть весьма полезной при моделировании сложных систем 5.

Рис. 8.22. Конфликт двух переходов в ЛГ- схеме

Рис. 8.23. Блок-схема (а) и модель (б) устройства управления асинхронной ЭВМ с конвейерной обработкой.

Особенности программирования №схем. Как уже отмечалось, М-схема представляет собой формализованное описание процесса функционирования системы 5, причем структура ЛГ-схем отражает причинно-следственные связи в системе 5, а совместно с начальной маркировкой — процессы, которые в этой системе происходят. Таким образом, переход от №схем к моделирующей программе может производиться формальным путем, т. е. автоматически, с использованием специального языка и транслятора. Такие языки и трансляторы созданы за рубежом и в нашей стране [4, 24, 28, 29, 30, 50, 54].

Рассмотрим особенности программирования №схем, моделирующих процессы в системе 5, на конкретных примерах.

Пример 8.10. Рассмотрим принципы программирования N-схем в языке MODAL, который предназначен для моделирования и реализации вычислительных алгоритмов на базе N-схем (сетей Петри). Он содержит семь операторов:

START описание начальной маркировки;

STOP — описание конечной маркировки;

T (MOD) — описание структуры сети Петри;

TYPE оператор промежуточного вывода на печать;

Операторы START и SIOP представляют собой списки позиций, в которых устанавливаются метки в начале и должны оказаться в конце моделирования.

Рис. 8.24. Структура N-схемы с начальной маркировкой (а) и ее описание на языке MODAL

Оператор T (MOD) представляет собой таблицу преди постусловий для каждого перехода N-схем.

Пусть задана N-схема с начальной маркировкой (рис. 8.24, а). Соответствующее ей описание на языке MODAL представлено на рис. 8.24, 6.

Кроме описания структуры должны быть составлены программные модули описания переходов (событий) MODI — MOD5, причем все модули должны содержать единую для данного набора COMMON-область, которая служит для передачи данных между модулями.

Естественно предположить, что для моделирования конкретных систем S в узкоспециализированной области количество возможных событий-переходов ограничено. Можно составить список стандартных событий и соответствующий ему набор программных модулей. Вместе со средствами описания структуры N-схемы, поясняющей взаимодействия, такой набор составит пакет моделирования систем в специализированной области. Известны системы, построенные по такому принципу для моделирования аппаратных и программных средств вычислительных систем, для моделирования протоколов связи. Известны также примеры успешного применения N-схем (сетей Петри) для исследования социальных, экономических систем, сложных физических и химических процессов.