Актуальность проблемы. В решении насущной задачи повышения гибкости и эффективности производства [I] важным аспектом является автоматизация проведения натурных испытаний сложных образцов новой техники, к которым относятся надводные и подводные корабли, летательные аппараты, атомные установки и т*п. Сокращение сроков их испытаний во многом должно осуществляться за счет использования систем обработки данных натурных испытаний в реальном масштабе времени. Системы, устанавливаемые в районе проведения натурного эксперимента либо непосредственно на борту испытуемого объекта, применяются для регистрации и обработки данных, поступающих с объекта, с целью определения его характеристик, исследования поведения по определенной группе параметров, управления ходом эксперимента, распознавания аварийных ситуаций [48, 71, 73, 74, 75]. Автономное использование подобных систем, их мобильность и высокая надежность предопределили применение в качестве их основы мини-ЭВМ высокой производительности.
10, 28, 48, 80, 87], а по общности одновременно выполняемых функций — измерения и обработки измерительных данных — они получили название измерительно-вычислительных систем /ИВС/ [67].
Одной из важнейших задач создания ИВС, обслуживающих натурные испытания сложных технических объектов, является разработка информационного обеспечения, представляющего собой совокупность структурированных данных и программных средств обслуживания, поддерживающих необходимую информационную среду системы [64]. Характерным для указанных объектов является большой темп поступления данных измерения, достигающий нередко 10″ слов в секунду, что выдвигает предельно жесткие требования к операционной среде реального времени [70, 72]. Экспериментальные данные поступают в ИВС по многим независимым каналам измерения. При обработке этих данных используется большой объем справочной информации, на основе которой функционируют программы обработки: таблицы тарировок, списки атрибутов объекта, идентификаторы состояния объекта, таблицы решений и т. д. В результате возникает необходимость в хранении и манипулировании большим объемом неоднородных данных, четкой идентификации их параметров, описывающих объект.
Информационное обеспечение ИВС должно функционировать в операционной среде реального времени. Время реакции в такой среде определяется необходимым темпом измерения параметров объекта [33, 38, 72].
К настоящему времени выполнен значительный ряд теоретических и прикладных исследований в области информационного обеспечения систем обработки данных. В течение последних двадцати лет концепция баз данных развивалась от прагматических предположений до четких, теоретически обоснованных положений, вылившихся в предложения КОДАСИЛ или реляционную модель базы данных [5, 32, 40, 103, 106, III, 112, 113]. Параллельно с теоретическими исследованиями был выполнен ряд разработок систем управления базами данных /СУБД/, которые поддерживали одну, а иногда и несколько альтернативных моделей баз данных [2, 32, 69, 109, 120]. Качественный скачок в развитии мини-ЭВМ привел к тощ, что с середины 70-х годов после преодоления ряда специфических трудностей СУБД стали входить в состав программного обеспечения этих ЭВМ [34, 89, 114, 124, 125, 128, 129]. Проблемная ориентация систем на базе мини-ЭВМ заострила вопрос об адаптации СУБД для решения некоторого класса прикладных задач [34, 89, 124]. В разработке баз данных для мини-ЭВМ превалирует инфологический подход, ориентирующий базу данных на определенный класс объектов [105, 121]. Таким классом объектов в случае ИВС являются сложные образцы новой техники, подлежащие испытанию.
Использование известных систем управления базами данных /СУБД/ непосредственно в ИВС наталкивается на препятствия, связанные с особенностями функционирования ИВС. Основные из них следующие:
1. Практически все разработанные СУБД либо не могут быть использованы в операционной среде реального времени, либо допускают лишь интерактивный доступ со многих терминалов, в которых ни форма запроса, ни время его исполнения не соответствуют требованиям ИВС [34, 89, 124].
2. Методы манипулирования данными в существующих СУБД не всегда пригодны для данных измерений, значения которых получены лишь с некоторой точностью и могут изменяться в определенных пределах [62, 66].
3. Используемые методы реорганизации баз данных недостаточны в случае непрерывного поступления данных измерения, обладающих высокой избыточностью [38].
4. Передача данных от измерительной аппаратуры в ИВС решается на уровне анализа и обработки прерываний. В существующих СУБД нет средств, позволяющих формировать на основе этих транзакций определенные типы записей, удобные для дальнейшего хранения и обработки [48, 95].
Таким образом, режим реального времени, характерный для задач ИВС, специфика данных и методов их обработки определяют состав, структуру и методы включения в операционную систему реального времени /ОС РВ/ средств информационного обслуживания ИВС. Поэтому разработка этих средств является самостоятельной задачей, включающей вопросы создания проблемно-ориентированной СУБД ИВС и базовой файловой системы, определение взаимодействия этих компонентов информационного обеспечения.
Актуальность решения данной задачи определяется насущной необходимостью в повышении производительности разработок и модификаций программного обеспечения ИВС, существенным расширением его функций за счет использования гибкой информационной базы. Эффективность полученных результатов усиливается за счет массового внедрения ИВС в практику проведения натурных и метрологических испытаний, исследований в науке и технике.
Целью работы является создание методики проектирования информационного обеспечения для ИВС реального времени. Такая методика представляет собой взаимосвязанную совокупность формализованных методов, алгоритмов и рекомендаций, позволяющих создавать базы данных для ИВС и поддерживающих их программные средства.
При этом применительно к ИВС решаются вопросы логической и физической организации данных, их взаимодействия с прикладными программами и ОС РВ как наиболее общие, не зависящие от конкретного приложения вопросы. Решаются также вопросы проверки и апробации разработанной методики на реальных системах.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Определить метод включения средств информационного обеспечения в операционную среду реального времени, характерную для обработки данных натурных испытаний. Построить обобщенную инфо-логическую модель объектов натурных испытаний, соответствующую процессу обработки.
2. Исследовать информационные особенности данных измерения и методов работы с ними. Выработать рекомендации по выбору методов логического и физического представления данных в базе данных ИВС, способов доступа и манипулирования данными на уровне СУБД ИВС.
3. Исследовать и разработать методы физической организации баз данных ИВС. Определить интерфейс взаимодействия СУБД ИВС с базовой файловой системой /БФС/. Разработать методы доступа к файлам, обеспечивающим поддержку СУБД ИВС и независимое использование файловой системы.
4. Проанализировать конфликтные ситуации в критичных ко времени режимах работы ИВС, использующей информационный уровень обслуживания, с целью определения методов преодоления конфликтов.
Научная новизна. Теоретически и в виде практических рекомендаций решена комплексная задача создания информационного обеспечения для ИВС, которое представляет собой многоуровневую структуру управляющих программ и данных и позволяет манипулировать данными в реальном времени на уровне СУБД ИВС и БФС.
При этом разработан метод организации вычислительного процесса реального времени для ИВС, синхронизация задач которого осуществляется по запросам к СУБД ИВС. Исходя из характера решаемых задач ИВС по обработке данных в реальном времени, определены иерархические и реляционные модели базы данных ИВС. Исследование информационных особенностей измерительных данных позволило определить ряд специфических методов работы с данными на логическом и физическом уровнях: доступ к данным по интервальным ключам, автоматическую реорганизацию и интервальную декомпозицию логической модели базы данных. Решена задача физического представления данных, удовлетворяющая требованиям СУБД ИВС, на основе методов управления внешней памятью мини-ЭВМ. Получены соотношения, связывающие динамику измерительных процессов в ИВС с необходимым ресурсом внешней памяти.
Отличительной особенностью разработанной методики является ее проблемная ориентация, которая выражается прежде всего в принципах взаимодействия информационной среды и вычислительного процесса, логического представления данных. Такое решение вполне согласуется с существующей тенденцией ориентации систем на базе мини-ЭВМ на решение некоторой конкретной проблемы [10, 84].
Методика исследований. Для проведения исследований информационной среды и задач реального времени были использованы методы системного анализа. Описание формализованных процессов обработки данных и структур данных осуществлялось с помощью аппарата теории множеств. При исследовании динамических свойств предложенных методов информационного обслуживания использованы элементы теории массового обслуживания.
Реализация работы. Результаты, изложенные в диссертации, были положены в основу создания программного обеспечения ряда опытно-конструкторских разработок, в которых автор принимал непосредственное участие в качестве ответственного исполнителя. Работы проводились в Специальном конструкторском бюро математических машин и систем Института кибернетики им. В. М. Глушкова АН УССР, г. Киев, в период с 1977 по 1983 гг.
Автором разработаны и реализованы средства информационного обеспечения мобильных систем обработки экспериментальных данных ПИРС и КРОСС, принятых государственными, межведомственными и ведомственными комиссиями и внедренных в промышленную эксплуатацию.
Разработана СУБД для системы проведения испытаний КУРС. БФС вошла в состав ОС РВ ЭТА, поставляемой с проблемно-ориентированной мини-ЭВМ ЭТАЛОН, которая в настоящее время серийно выпускается на минском заводе «Эталон», удостоена Государственного Знака качества и широко используется для построения ИВС и других систем реального времени.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на Всесоюзном совещании по техническим средствам аналоговой и аналого-цифровой вычислительной техники /Кишинев,.
1975/, отраслевом совещании «Использование средств вычислительной техники для испытаний в судостроении» /Горький, 1980/, Всесоюзном совещании «Развитие подсистем госнадзора за состоянием и применением средств измерения Государственной метрологической службы и использование мини-ЭВМ и микропроцессорной техники для автоматизации поверочных работ» /Минск, 1982/, семинарах научного совета АН УССР по проблеме «Кибернетика» /Киев, 1979 — 1983/.
По теме диссертации автором опубликовано 10 работ.
Краткое содержание диссертационной работы.
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, формулируются ее наиболее важные цели и задачи.
В первой главе исследуются требования к информационному обеспечению ИВС. Разрабатывается обобщенная инфологическая модель объекта испытаний, зависящая от функций, выполняемых ИВС в реальном времени. Анализируется ОС РВ как набор прилегающих иерархических уровней обслуживания, определяется взаимодействие уровня информационного обслуживания с уровнями монитора реального времени, супервизорным и уровнем программ пользователя. Предлагается модель процесса обработки данных в виде набора задач реального времени, связанных информационной средой, соответствующей инфологической модели объекта. На СУБД ИВС возлагаются функции по управлению прикладными задачами реального времени на основе их запросов к СУБД. Показано, что циклическое исполнение набора задач, управляемых СУБД, позволяет избежать конфликтов типа «мертвые объятия» .
Вторая глава посвящена исследованию организации баз данных для задач сбора и обработки данных измерения. Анализируется логическое представление данных в зависимости от взаимоотношения базы данных с операционной средой реального времени. Определяется иерархическая схема данных для систем архивного приложения и реляционные схемы для систем, выполняющих обработку данных в реальном времени. Исследуются возможности использования проблемно-ориентированных механизмов в СУБД ИВС: интервальной декомпозиции концептуальной модели базы данных, проведения автоматической реорганизации и привязки реального времени. Обосновывается методика внутреннего представления данных, исходя из особенностей интерфейсов мини-ЭВМ и задач, решаемых ИВС. Предлагаются многоуровневые списочные линейные и кольцевые структуры хранения данных, строящихся из элементов уровня файловой системы.
Третья глава посвящена исследованию вопросов управления файлами в ИВС. Анализируются возможные пути преодоления противоречий, возникающих при одновременном использовании базовой файловой системы программами пользователя и СУБД ИВС. Исследуются вопросы физической организации файлов на внешней памяти. Разрабатывается методика работы с файлами БФС, позволяющая организовать методы доступа, удовлетворяющие как независимому использованию файлов, так и их использованию в качестве основы физического уровня базы данных.
В четвертой главе рассматриваются вопросы повышения эксплуатационных возможностей предлагаемых средств информационного обеспечения. Исследуется условие осуществления одновременного сбора данных, исполнения программы обработки и загрузки оверлейного модуля, что позволяет выработать количественные и качественные рекомендации по применяемым методам физического обмена данными, буферизации и загрузки оверлеев. Рассматриваются вопросы использования периферийных процессоров для сбора и первичной обработки данных, поддерживаемых средствами информационного обеспечения ИВС, а также вопросы организации буферизации в СУБД ИВС. Излагаются перспективы использования СУБД ИВС для создания распределенных баз данных проведения испытаний и систем обработкн результатов испытаний.
Выводы содержат основные результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы.
В приложении приведены краткие описания структуры и методов использования баз данных для обработки архивных данных проведенных испытаний и обслуживания натурных испытаний в реальном времени, в которых внедрены результаты диссертационной работы.
Основные результаты работы:
I.Разработана методика организации вычислительного процесса по сбору и обработке данных измерения, в котором синхронизация задач реального времени осуществляется по запросам к уровню управления данными. Определены требования к информационному обеспечению ИВС. Для этого построена инфологическая модель объекта и проведен системный анализ ОС РВ, позволяющий определить функции и взаимосвязи уровня управления данными с другими уровнями обслуживания, составляющими операционную систему реального времени.
2. При разработке методики проектирования информационного обеспечения ИВС: определены формы логического представления данных для иерархической модели базы данных, представляющей архив проведенных испытаний, и реляционной модели — для обработки данных в реальном временипредложены рекомендации по проектированию СУБД ИВС, обеспечивающей манипулирование данными в реальном времени и синхронизацию исполнения задач реального времениопределены методы физического представления данных, основанные на анализе требований к базам данных ИВС и специфике системных интерфейсов мини-ЭВМразработана методика создания базовой файловой системы, приемлемой для организации СУБД ИВС и независимого использования прикладными программами.
3. В рамках СУБД ИВС исследованы особенности данных измерения, природа которых позволила определить ряд специфичных методов работы с данными: интервальную декомпозицию концептуальной модели, автоматическую реорганизацию базы данных. Эти методы призваны упростить взаимодействие базы данных и задач реального времени, реализующих прикладную систему, и одновременно существенно снизить необходимость во внешней памяти.
4. Разработаны методы по преодолению конфликтных ситуаций при использовании информационного уровня обеспечения в период исполнения критичных ко времени программ. Полученные методы охватывают проблемы буферизации данных в ИВС, использования динамической загрузки программных модулей и мультипроцессорной ИВС, синхронизируемой информационным уровнем обслуживания.
