Моделирование на языке GPSS

Министерство образования и науки Республики Казахстан Карагандинский государственный технический университет КУРСОВАЯ РАБОТА по дисциплине «Спецкурс информатики»

Тема: «Моделирование на языке GPSS»

• Введение
• 1. Задание
• 2. Блок-схема:
• 3. Листинг программы:
• 4. Блоки языка GPSS использованных в программе
• 4.1 Блок GENERATE
• 4.2 Блок GATE
• 4.3 Блоки SEIZE и RELEASE
• 4.4 Блок ADVANCE
• 4.5 Блок TERMINATE
• 4.6 Блок FUNAVAIL
• 4.7 Блок FAVAIL
• 5. Назначение блоков программы
• 6. Стандартный отчет GPSS/PC
• 7. Элементы стандартного отчета
• 7.1 Общая информация о результатах работы модели
• 7.2 Информация о блоках
• 7.3 Информация об объектах типа «устройство»
• 7.4 Информация о группах транзактов
• Выводы
• Список использованных источников

Процессы функционирования различных систем и сетей связи могут быть представлены той или иной совокупностью систем массового обслуживания (СМО) — стохастических, динамических, дискретно-непрерывных математических моделей. Исследование характеристик таких моделей может проводиться либо аналитическими методами, либо путем имитационного моделирования.

Имитационная модель отображает стохастический процесс смены дискретных состояний СМО в непрерывном времени в форме моделирующего алгоритма. При его реализации на ЭВМ производится накопление статистических данных по тем атрибутам модели, характеристики которых являются предметом исследований. По окончании моделирования накопленная статистика обрабатывается, и результаты моделирования получаются в виде выборочных распределений исследуемых величин или их выборочных моментов. Таким образом, при имитационном моделировании систем массового обслуживания речь всегда идет о статистическом имитационном моделировании.

Сложные функции моделирующего алгоритма могут быть реализованы средствами универсальных языков программирования (Паскаль, Си), что предоставляет неограниченные возможности в разработке, отладке и использовании модели. Однако подобная гибкость приобретается ценой больших усилий, затрачиваемых на разработку и программирование весьма сложных моделирующих алгоритмов, оперирующих со списковыми структурами данных. Альтернативой этому является использование специализированных языков имитационного моделирования.

Специализированные языки имеют средства описания структуры и процесса функционирования моделируемой системы, что значительно облегчает и упрощает программирование имитационных моделей, поскольку основные функции моделирующего алгоритм, а при этом реализуются автоматически. Программы имитационных моделей на специализированных языках моделирования близки к описаниям моделируемых систем на естественном языке, что позволяет конструировать сложные имитационные модели пользователям, не являющимся профессиональными программистами.

Одним из наиболее эффективных и распространенных языков моделирования сложных дискретных систем является в настоящее время язык GPSS (General Purpose Simulation System). Он может быть с наибольшим успехом использован для моделирования систем, формализуемых в виде систем массового обслуживания. В качестве объектов языка используются аналоги таких стандартных компонентов СМО, как заявки, обслуживающие приборы, очереди и т. п. Достаточный набор подобных компонентов позволяет конструировать сложные имитационные модели, сохраняя привычную терминологию СМО.

Язык моделирования дискретных систем GPSS разработан фирмой IBM в начале 70-х годов XX века и является одним из самых распространенных в мире специализированных языков программирования. Система моделирования GPSS/PC (различных версий) является торговой маркой фирмы MINUTEMAN Software. Однако стоит отметить, что GPSS/PC предназначен для работы в операционной системе MS DOS. Поэтому имеются ограничения, которые в ряде случаев не позволяют осуществить разработку и эксплуатацию моделей сложных систем с требуемой степенью детализации. Отмеченных недостатков практически не имеет общецелевая система моделирования GPSS World, также разработанная компанией MINUTEMAN (США), но уже в 1993 году, которая позже так же претерпела некоторые изменения.

GPSS — интегрирующая языковая система, применяющаяся для описания пространственного движения объектов. Такие динамические объекты в языке GPSS называются транзактами и представляют собой элементы потока. Транзакты «создаются» и «уничтожаются». Функцию каждого из них можно представить как движение через модель М с поочерёдным воздействием на её блоки. Функциональный аппарат языка образуют блоки, описывающие логику модели, сообщая транзактам, куда двигаться и что делать дальше. Данные для ЭВМ подготавливаются в виде пакета управляющих и определяющих карт, которым составляется по схеме модели, набранной из стандартных символов. Созданная программа GPSS, работая в режиме интерпретации, генерирует и передаёт транзакты из блока в блок. Каждый переход транзакта приписывается к определенному моменту системного времени.

1 Задание

Для обеспечения надежности АСУ ТП в ней используется две ЭВМ. Первая ЭВМ выполняет обработку данных о технологическом процессе и выработку управляющих сигналов, а вторая находится в «горячем резерве». Данные в ЭВМ поступают через 10 ± 2 с, обрабатываются в течении 3 с. Характеристики обоих ЭВМ одинаковы. Подключение резервной ЭВМ занимает 5 с, после чего она заменяет основную до восстановления, а процесс возвращается к нормальному темпу. Отказы ЭВМ происходят через 300 ± 30 с. Восстановление занимает 100 с. Резервная ЭВМ абсолютно надежна. Смоделировать 1 час работы системы. Определить среднее время нахождения технологического процесса в заторможенном состоянии и среднее число пропущенных из — за отказов данных.

2 Блок-схема

3 Листинг программы:

**************************************

Programm TERM PAPER

**************************************

1 GENERATE 10,2

2 GATE FV MAIN, A2

3 A1 SEIZE MAIN

4 ADVANCE 3

5 RELEASE MAIN

6 TERMINATE

7 A2 ADVANCE 5

8 SEIZE REZ

9 ADVANCE 3

10 RELEASE REZ

11 TERMINATE

12 GENERATE 300,30

13 FUNAVAIL MAIN

14 ADVANCE 100

15 FAVAIL MAIN

16 TERMINATE

17 GENERATE 3600

18 TERMINATE 1

**************************************

4. Блоки языка GPSS использованных в программе

4.1 Блок GENERATE

Блок GENERATE (генерировать) служит для создания транзактов, входящих в модель. Он имеет следующий формат:

имя GENERATE A, B, C, D, E

В поле A задается среднее значение интервала времени между моментами поступления в модель двух последовательных транзактов. Если этот интервал постоянен, то поле B не используется. Если же интервал поступления является случайной величиной, то в поле B указывается модификатор среднего значения, который может быть задан в виде модификатора-интервала или модификатора-функции.

Модификатор-интервал используется, когда интервал поступления транзактов является случайной величиной с равномерным законом распределения вероятностей. В этом случае в поле B может быть задан любой СЧА, кроме ссылки на функцию, а диапазон изменения интервала поступления имеет границы A-B, A+B.

4.2 Блок GATE

Блок GATE (впустить) служит для задержки или изменения маршрута транзактов в зависимости от состояния аппаратных объектов. Блок имеет следующий формат:

имя GATE X A, B

Вспомогательный операнд X содержит код состояния проверяемого аппаратного объекта, а в поле A указывается имя или номер этого объекта. Если проверяемый объект находится в заданном состоянии, то блок GATE пропускает транзакт к следующем у блоку. Если же заданное в блоке условие не выполняется, то транзакт переходит к блоку, указанному в поле B, а если это поле пусто, то задерживается перед блоком GATE.

Операнд X может принимать следующие значения: U (устройство занято); NU (устройство свободно); I (устройство захвачено); NI (устройство не захвачено); SE (МКУ пусто); SNE (МКУ не пусто); SF (МКУ заполнено); SNF (МКУ не заполнено); LS (ЛП включен), LR (ЛП выключен), FNV (ОКУ недоступно), FV (ОКУ доступно).

4.3 Блоки SEIZE и RELEASE

Для моделирования ограниченных ресурсов СМО в модели должны присутствовать аппаратные объекты: одноканальные или многоканальные устройства. Одноканальные устройства создаются в текущей модели при использовании блоков SEIZE (занять) и RELEASE (освободить), имеющих следующий формат:

имя SEIZE A

имя RELEASE A

В поле A указывается номер или имя устройства. Если транзакт входит в блок SEIZE, то устройство, указанное в поле A, становится занятым и остаётся в этом состоянии до тех пор, пока этот же транзакт не пройдёт соответствующий блок RELEASE, освобождая устройство. Если устройство, указанное в поле A блока SEIZE, уже занято каким-либо транзактом, то никакой другой транзакт не может войти в этот блок и остаётся в предыдущем блоке. Транзакты, задержанные (заблокированные) перед блоком SEIZE, остаются в списке текущих событий и при освобождении устройства обрабатываются с учетом приоритетов и очередности поступления. Каждое устройство имеет следующие СЧА: F — состояние устройства (0 — свободно, 1 — занято); FR — коэффициент использования в долях 1000; FC — число занятий устройства; FT — целая часть среднего времени занятия устройства.

4.4 Блок ADVANCE

Для задержки транзактов на определенный отрезок модельного времени, служит блок ADVANCE (задержать), имеющий следующий формат:

имя ADVANCE A, B

Операнды в полях A и B имеют тот же смысл, что и в соответствующих полях блока GENERATE. Следует отметить, что транзакты, входящие в блок ADVANCE, переводятся из списка текущих событий в список будущих событий, а по истечении вычисленного времени задержки возвращаются назад, в список текущих событий, и их продвижение по блок-схеме продолжается. Если вычисленное время задержки равно 0, то транзакт в тот же момент модельного времени переходит в следующий блок, оставаясь в списке текущих событий.

Только блоки GENERATE и ADVANCE позволяют поместить транзакты в список будущих событий. С помощью этих блоков моделируется продолжительность какого-либо события или промежуток времени между наступлениями каких-либо событий.

4.5 Блок TERMINATE

Блок TERMINATE (завершить) служит для удаления транзактов из модели, и имеет следующий формат:

имя TERMINATE A

Значение поля A указывает, на сколько единиц уменьшается содержимое так называемого счетчика завершений при входе транзакта в данный блок TERMINATE. Если поле A не определено, то оно считается равным 0, и транзакты, проходящие через та кой блок, не уменьшают содержимого счетчика завершений.

Начальное значение счетчика завершений устанавливается управляющим оператором START (начать), предназначенным для запуска прогона модели. Поле A этого оператора содержит начальное значение счетчика завершений. Прогон модели заканчивается, когда содержимое счетчика завершений обращается в 0. Таким образом, в модели должен быть хотя бы один блок TERMINATE с непустым полем A, иначе процесс моделирования никогда не завершится.

4.6 Блок FUNAVAIL

Блоком FUNAVAIL (символом F обозначает ОКУ, UNAVAIL — недоступный) моделируется недоступность ОКУ. При использовании этого блока статистика ОКУ не искажается. Форма блока:

FUNAVAIL A, B, C, D, E, F, G, H

Блок делает недоступным ОКУ с именем или номером, указываемым операндом A.

Все транзакты, обрабатываемые блоком FUNAVAIL, разделяются на три класса, которые и определяют назначение операндов:

ь транзакт, занимающий ОКУ (по SEIZE или PREEMPT) в момент перевода его в недоступное состояние (операнды B, C, D);

ь ранее прерванные транзакты, находящиеся в списке прерываний (операнды E, F);

ь транзакты, находящиеся в списке отложенных прерываний и в списке задержки ОКУ (операнды G, Н). Операндом В задаются режимы обработки транзакта, занимающего ОКУ в момент перевода его в недоступное состояние:

ь СО — режим продолжения: продолжить обработку занимающего ОКУ транзакта во время недоступности;

ь RE — режим удаления: удалить и направить занимающий ОКУ транзакт к блоку, метка которого должна быть указана операндом С;

ь по умолчанию — прервать обработку и поместить в список прерываний ОКУ, после восстановления доступности этот транзакт может занять ОКУ и «дообслужиться».

Операнд С — метка блока, в который будет направлен в режиме удаления транзакт, занимавший ОКУ в момент перевода его в недоступное состояние.

Операнд D — номер или имя параметра транзакта, занимавшего ОКУ в момент перевода его в недоступное состояние; если он будет удален (режим RE), т. е. исключен из СБС, в этот параметр будет записано время, оставшееся удаленному транзакту до конца обслуживания.

Операндом Е задаются режимы обработки транзактов, находящихся к моменту перевода ОКУ в недоступное состояние в списке прерываний, т. е. тех транзактов, обслуживание которых на данном ОКУ было ранее прервано:

ь СО — режим продолжения: продолжить работу ОКУ во время недоступности — обслуживать транзакты из списка прерываний;

ь RE — режим удаления: удалить и направить транзакты из списка прерываний к новому блоку, метка которого должна быть указана операндом F;

ь по умолчанию — оставить ранее прерванные транзакты в списке прерываний ОКУ и запретить им занимать его во время недоступности.

Операнд F указывает метку блока, к которому будут направлены транзакты из списка прерываний ОКУ, вследствие чего они не могут находиться в СБС, поэтому для них нет возможности занесения в их параметры времени, оставшегося до конца обслуживания.

Операнд F может использоваться и тогда, когда отсутствует операнд Е (по умолчанию). В этом случае для перемещенных к новому блоку транзактов прерывание обслуживания сохраняется.

Операндом G задаются режимы обработки транзактов, находящихся к моменту перевода ОКУ в недоступное состояние в списке отложенных прерываний, т. е. ожидающих выполнения с прерыванием, и в списке задержки:

ь СО — режим продолжения: продолжить работу ОКУ во время недоступности — обслуживать транзакты из списка отложенных прерываний и списка задержки;

ь RE — режим удаления: удалить и направить транзакты из списка отложенных прерываний и списка задержки к новому блоку, метка которого долж-на быть указана операндом Н ь по умолчанию — оставить транзакты в списке отложенных прерываний и списке задержки ОКУ и запретить им занимать его во время недоступности. Операндом Н указывается метка нового блока, к которому в режиме удаления (RE) направляются транзакты из списка отложенных прерываний и списка задержки. Когда операнд G не используется, нельзя использовать и операнд Н.

4.7 Блок FAVAIL

Блок FAVAIL изменяет состояние ОКУ на доступное, т. е. восстанавливает обычный режим вхождения транзактов в ОКУ. Блок имеет следующий формат:

FAVAIL, А Операнд A — имя или номер ОКУ.

Все транзакты, ожидающие доступного состояния ОКУ, указанного операндом А, активизируются и могут попытаться занять его.

5. Назначение блоков программы

6. Стандартный отчет GPSS/PC

GPSS/PC Report file REPKURS.GPS. (V 2, # 38 123) 12−08−2006 00:11:22 page 1

START_TIME END_TIME BLOCKS FACILITIES STORAGES FREE_MEMORY

0 3600 18 2 0 312 960

LINE LOC BLOCK_TYPE ENTRY_COUNT CURRENT_COUNT RETRY

1 1 GENERATE 363 0 0

2 2 GATE 363 0 0

3 A1 3 SEIZE 249 0 0

4 4 ADVANCE 249 0 0

5 5 RELEASE 249 0 0

6 6 TERMINATE 249 0 0

7 A2 7 ADVANCE 114 1 0

8 8 SEIZE 113 0 0

9 9 ADVANCE 113 0 0

10 10 RELEASE 113 0 0

11 11 TERMINATE 113 0 0

12 12 GENERATE 12 0 0

13 13 FUNAVAIL 12 0 0

14 14 ADVANCE 12 1 0

15 15 FAVAIL 11 0 0

16 16 TERMINATE 11 0 0

17 17 GENERATE 1 0 0

18 18 TERMINATE 1 0 0

FACILITY ENTRIES UTIL. AVE._TIME AVAILABLE OWNER PEND INTER RETRY DELAY

MAIN 249 0.300 3.00 0 0 0 0 0 0

REZ 113 0.094 3.00 1 0 0 0 0 0

XACT_GROUP GROUP_SIZE RETRY

POSITION 0 0

7. Элементы стандартного отчета

Строка заголовка стандартного отчета содержит имя файла модели, который создал отчет. Также в нее включена дата и время прогона модели.

7.1 Общая информация о результатах работы модели

START_TIME — начальное время. Абсолютное модельное время в момент начала моделирования. Устанавливается равным абсолютному модельному времени с помощью оператора REST или CLEAR;

END_TIME — конечное время. Абсолютное модельное время, когда счетчик завершения принимает значение 0.

BLOCKS — количество блоков, использованных в текущей модели, к моменту завершения моделирования;

FACILITIES — количество устройств, использованных в модели, к моменту завершения моделирования;

STORAGES — количество многоканальных устройств, использованных в текущей модели к моменту завершения моделирования;

FREE_MEMORY — объем памяти, остававшейся свободной при прогоне модели.

7.2 Информация о блоках

LINE — номер строки исходной программы для каждого блока;

LOC — имя или номер данного блока в модели;

BLOCK_TYPE — тип блока GPSS;

ENTRY_COUNT — количество транзактов, вошедших в данный блок, с начала работы программы или после последнего выполнения оператора RESET или CLEAR;

CURRENT_COUNT — количество транзактов, находящихся в данном блоке к моменту завершения моделирования;

RETRY — количество транзактов, ожидающих специального условия, зависящего от состояния данного блока.

7.3 Информация об объектах типа «устройство»

FACILITY — имя или номер устройства;

ENTRIES — количество раз, когда устройство было занято или занято с прерыванием с начала моделирования или после последнего выполнения оператора RESET или CLEAR;

UTIL. — коэффициент использования, доля времени моделирования, в течение которого устройство было занято;

AVE._TIME — среднее время занятия устройства одним транзактом в течение времени моделирования с начала моделирования или после выполнения оператора RESET или CLEAR;

AVAILABLE — состояние устройства в конце моделирования (равно 1, если устройство доступно и 0 — если недоступно);

OWNER — номер транзакта, который занимает устройство (0 — устройство не занято);

PEND — количество транзатов, ожидающих выполнение с прерыванием других транзактов (т. е. вошедших в блоки PREEMPT в режиме прерывания);

INTER — количество транзактов, прерванных на данный момент (количество транзактов в списке прерываний);

RETRY — количество транзактов, ожидающих выполнения специального условия, зависящего от состояния данного устройства;

DELAY — количество транзактов, ожидающих занятия устройства (входят также транзакты, ожидающие занятия устройства в режиме прерывания с помощью блоков PREEMPT).

7.4 Информация о группах транзактов

XACT_GROUP — имя или номер объекта группы транзактов;

GROUP_SIZE — число транзактов в группе в конце моделирования;

RETRY — число транзактов, ожидающих выполнения специального условия, зависящего от состояния данной группы транзактов.

Выводы

В данной курсовой работе смоделирована работа АСУ ТП, в соответствии с условиями задания. Выводы по работе системы можно сделать исходя из данных, полученных в стандартном отчете GPSS.

Из отчета видно, что по завершении моделирования прошло 3600 секунд (END_TIME), так как и было задано условиями. Определить загрузку резервной ЭВМ мы можем из той части стандартного отчета, где помещена информация об объектах типа «устройство» — загрузка резервной ЭВМ равна 0.094. А коэффициент загрузки основной ЭВМ равен 0.300. Частоту отказов ЭВМ можно определить из отношения числа отказов ЭВМ, к общему числу поступивших данных. Эти данные мы так же берем из стандартного отчета, но уже из части, где помещена информация о блоках, так как число поступивших данных — это то количество транзактов, которые прошли через блок GENERATE, а число отказов — это количество транзактов, прошедших через блок FUNAVAIL. Таким образом частота отказов системы равна 12/363 = 0,033. Повторение моделирования дает несколько измененные значения из-за использования другой последовательности случайных чисел.

Функция распределения времени поступления данных в ЭВМ является равномерной, что видно из условия.

Список использованных источников

1. Советов Б. Я. Моделирование систем. Практикум. [Текст]: Учебное пособие для вузов/Б.Я. Советов, С. А. Яковлев — 3-е изд., стер. — М.: Высш. шк., 2005. — 295 с.

2. Боев В. Д. Моделирование систем. Инструментальные средства GPSS World. [Текст]: Учебное пособие/В.Д. Боев — СПб: БХВ-Петербург, 2004. — 368 с.

3. Шрайбер Т. Д. Моделирование на GPSS.- M.: Машинострое ние, 1980.

4. САПР, Лабораторный практикум, кн.7, под ред. И. П. Норенкова — М.: Высшая школа, 1986.

5. Б. Я. Советов, С. А. Яковлев Моделирование систем: курсовое проектирование. — М.: Высшая школа, 1988.

6. Наставление по моделированию на GPSS/PC, перевод под ред. к.н.т. Якимова И. М. — Казань, 1989.