Разработка архитектуры и программного обеспечения локального распределенного мультимикромашинного комплекса для автоматизации экспериментательных исследований

Актуальность проблемы. Экспериментальные исследования, проводимые как в фундаментальных, так и в прикладных науках, становятся все более сложными и комплексными. Растет число научно-технических экспериментов, причем проведение некоторых из них невозможно без использования автоматизщюванных экспериментальных установок. В области автоматизации экспериментальных исследований достигнуты значительные успехи. Однако, успехи эти достигнуты в области автоматизации отдельных, по большей части уникальных экспериментов. Задача интенсификации научных исследований делает необходимым переход к автоматизации экспериментальных исследований в массовом масштабе. Такой переход должен обеспечить автоматизацию каждой экспериментальной установки для всех рядовых (не уникальных) экспериментов. Автоматизацию каждой экспериментальной установки наиболее целесообразно провести на основе локального распределенного многомашинного комплекса, обеспечивающего проведение автоматизации экспериментальных исследований в рамках подразделения (лаборатории, отдела) или даже небольшого предприятия.

Цель работы. Целью настоящей работы является разработка архитектуры и программного обеспечения локального распределенного многомашинного комплекса, обеспечивающего проведение автоматизации экспериментальных исследований в рамках подразделения или небольшого предприятия, как базового аппаратно-программного средства для автоматизации рядовых экспериментов.

Новизна работы. Новизна работы включает в себя несколько аспектов.

I. Существующие системы автоматизации экспериментальных исследований можно условно разделить на два класса. К первому классу могут быть отнесены системы, обеспечивающие автоматизацию отдельных экспериментов на основе использования одной или нескольких ЭВМ" Ко второму классу могут быть отнесены системы, обеспечивающие автоматизацию экспериментальных исследований в рамках крупного предприятия и состоящие из большого числа эвм. Такие системы являются многоуровневыми и обладают, как правило, сложной топологией. Попытки проведения автоматизации одновременно нескольких экспериментов на основе использования одной ЭВМ потерпели неудачу, В настоящей работе предлагается локальный распределенный мультимикромашинный комплекс с радиальной топологией, обеспечивающий проведение автоматизации рядовых экспериментов в рамках подразделения или небольшого предприятия,.

2. До настоящего времени в многомашинных комплексах автоматизации экспериментальных исследований основным ресурсом, разделяемым между элементами комплекса, являлась вычислительная мощность. Архитектура комплекса, разработанного в диссертации, предполагает переход от разделения вычислительной мощности к разделению дорогих и дефицитных периферийных устройств с низким коэффициентом использования. При этом каждому пользователю предоставляется собственная локальная вычислительная мощность в виде микроЭВМ.

3, При построении многомашинных комплексов важным моментом является организация связи между элементами комплекса. В существующих многомашинных системах автоматизации экспериментальных исследований, обычно, для связи элементов комплекса друг с другом используются интерфейсы, обеспечивающие побайтный обмен по последовательным линиям связи, что не всегда обеспечивает требуемое быстродействие. В работе предложен иной подход к решению этой задачи, Организация связи элементов многомашинного комплекса друг с другом производится на основе использования средств КАМАК. Такой подход обеспечивает унификацию аппаратуры связи с экспериментальными установками и аппаратуры связи элементов многомашинного комплекса друг с другом. Увеличение быстродействия при этом достигается за счет’использования разработанных модулей связи,.

4, В существующих многомашинных системах автоматизации экспериментальных исследований используются сложные и громоздкие протоколы обмена, характерные для глобальных сетей ЭВМ, Использование таких протоколов за/трудняет работу пользователей и снижает быстродействие. Кроме того, такие протоколы сложно использовать на микро-ЭВМ из-за ограниченного объема оперативной памяти. Вместо использования универсального многоуровневого протокола в разработанном комплексе предложен свой простой двухуровневый протокол обмена, ориентированный на использованную в комплексе топологию и функционирование комплекса в целом.

5. Особенностью использования систем автоматизации экспериментальных исследований является то, что ими часто пользуются люди, не имеющие опыта в использовании ЭВМ и программировании. Программное обеспечение существующих систем автоматизации экспериментальных исследований обычно включает в себя проблемно-ориентированные на автоматизацию экспериментальных исследований средства, но в целом ориентировано на использование его человеком, обладающим опытом в программировании. Программное обеспечение разработанного комплекса полностью ориентировано на использование его не профессиональным программистом. Более того, ориентация на такой класс пользователей нашла свое отражение в архитектуре разработанного комплекса.

Научная и практическая ценность. Разработана классификация экспериментов с точки зрения возможности проведения их автоматизации. Предложены условия, являющиеся достаточными для возможности проведения автоматизации экспериментов. Специфика этих уеловий такова, что при заданных характеристиках технических средств, они позволяют получать оценки снизу для параметров экспериментов, допускающих проведение автоматизации на основе использования этих технических средств. Тем самым выделяется класс экспериментов, допускающих проведение автоматизации на основе использования данных технических средств. С другой стороны, эти же условия позволяют получать оценки сверху на характеристики технических средств, необходимых для проведения автоматизации данного класса экспериментов.

На основе анализа существующих систем автоматизации экспериментальных исследований и тенденций развития технических средств автоматизации сформулированы требования к базовому средству для автоматизации рядовых экспериментов в рамках подразделения или небольшого предприятия. Класс рядовых экспериментов при этом выделяется как класс экспериментов, проведение автоматизации которых возможно на основе использования одной микро-ЭВМ, оснащенной внешними запоминающими устройствами на магнитных дисках, обеспечивающих сохранение экспериментальной информации объемом 0,51.0 Мбайт.

Разработан алгоритм работы модуля связи, наилучшим образом подходящего для организации связи между элементами комплекса. Ис-7 пользование такого модуля связи позволяет повысить производительность комплекса в целом и расширить класс экспериментов, которые могут быть автоматизированы на основе использования данного комплекса.

Разработаны структура и состав комплекса в целом и его элементов. На основе анализа существующих топологий для многомашинных комплексов выбор сделан в пользу радиальной топологии. Осуществлен выбор технических средств для построения комплекса.

Разработано программное обеспечение комплекса, включающее в себя программное обеспечение для всех типов элементов, составляющих комплекс, и протокола обмена. Программное обеспечение комплекса представляет собой набор компонент, взаимодействующих через протокол обмена, который имеет два уровня. Программное обеспечение центрального элемента комплекса обеспечивает обслуживание запросов от остальных элементов комплекса. Программное обеспечение автоматизированного рабочего места пользователя состоит из резидентного монитора, обеспечивающего функционирование виртуальной машины, и набора автономных нерезидентных компонент, работающих на виртуальной машине. Широта круга задач, которые могут быть решены на автоматизированном рабочем месте определяется набором нерезидентных компонент. Программное обеспечение специальных элементов комплекса определяется их функциональной специализацией. Все компоненты программного обеспечения могут быть легко модифицированы с целью расширения их возможностей.

Опытный вариант локального распределенного мультимикромашин-ного комплекса с радиальной топологией, предназначенного для автоматизации экспериментальных исследований, реализован автором в одном из подразделений Института космических исследований АН СССР. На основе этого комплекса автоматизированы все имеющиеся в подразделении экспериментальные установки и имеется возможность дальнейшего расширения комплекса по мере ввода в эксплуатацию новых экспериментальных установок. Опыт реализации комплекса показал возможность ее проведения малыми силами в сжатые сроки. Опыт эксплуатации комплекса показал его надежность, удобство и простоту в использовании и обслуживании.

Разработанный комплекс может иметь применение и для других областей, таких, например, как автоматизация создания документации, обеспечение доступа многих пользователей к обобщенной базе данных, различные технологические приложения и т. д. J.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на:

— научных семинарах ИМиК АН Литовской ССР;

— научных семинарах ИКИ АН СССР;

— научных семинарах НИВЦ МГУ;

— научных семинарах ВНИИСИ;

— научных семинарах МАИ;

— семинаре Совета по автоматизации научных исследований при Президиуме АН СССР;

— семинаре «Системы и средства автоматизации научно-технических экспериментов» научного совета по проблеме «Кибернетика» АН Украинской ССР;

— УШ Всесоюзной конференции по физике электронных и атомных столкновений;

— П Всесоюзном семинаре по автоматизации научных исследований в ядерной физике и смежных областях.

Публикации. По теме диссертации опубликовано семь печатных работ. Список работ приведен в автореферате.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и-заключения. Работа содержит /5″ 3 страницытекста, 20 страниц рисунков, 3 страницы таблиц, & страниц литературы, включающей 80 названий, 2 акта о внедрении.

Основные результаты настоящей главы можно суммировать следующим образом:

1. На основе анализа экспериментов, проводимых в одном из подразделений Института космических исследований АН СССР, сформулированы требования к новой системе для автоматизации экспериментальных исследований.

2. На основе сопоставления сформулированных выше требований с возможностями, предоставляемыми разработанным базовым аппаратно-программным средством для автоматизации экспериментальных исследований, сделан вывод о целесообразности реализации опытного варианта локального мультимикромашинного комплекса с радиальной топологией в этом подразделении.

3. Разработаны структура и состав комплекса с учетом имевшихся в распоряжении технических средств.

4. Разработан и реализован вариант протокола обмена, учитывающий особенности использованных аппаратных средств и сжатые сроки, отведенные на реализацию комплекса.

5. Разработан и реализован вариант программного обеспечения центральной станции, учитывающий особенности использованных аппаратных средств и сжатые сроки, отведенные на реализацию комплекса.

6. Разработано и реализовано два варианта программного обеспечения удаленной станции для двух типов (отечественной и зарубежной) микро-ЭВМ.

7. На основе опыта эксплуатации комплекса сделан вывод о его высокой надежности, удобстве в эксплуатации и обслуживании, простоте освоения и предложены пути его дальнейшего развития.

Заключение

.

В данной работе автором:

1. На основе сформулированных им требований, предъявляемых к средствам автоматизации экспериментальных исследований самой спецификой последних, анализа существующих систем для автоматизации экспериментальных исследований с точки зрения выполнения в них этих требований и анализа экспериментов для ряда областей сделан вывод о необходимости разработки базового аппаратно-программного средства для автоматизации рядовых экспериментов, которые представляют собой класс наиболее массовых экспериментов;

2. Сформулирована задача создания базового аппаратно-программного средства для автоматизации рядовых экспериментов;

3. Разработана классификация экспериментов с точки зрения возможности проведения их автоматизации, использование которой позволяет дать ответ на три вопроса: возможно ли проведение автоматизации данного эксперимента на основе использования данных технических средствкакие технические средства необходимы для проведения автоматизации данного экспериментакакие эксперименты могут быть автоматизированы на основе использования данных технических средств;

4. Разработаны структура, состав и механизмы функционирования локального распределенного мультимикромашинного комплекса с радиальной топологией, который предлагается использовать в качестве базового средства для автоматизации рядовых экспериментов в рамках подразделения или небольшого предприятия.

5. На основе анализа способов связи элементов многомашинного комплекса друг с другом и с экспериментальными установками осуществлен выбор для этой цели средств КАМАК, обеспечивающих возможность унификации на их основе аппаратуры для связи элементов мно.

— 176 гомашинного комплекса друг с другом и с экспериментальными установками;

6. Предложен модуль связи, обеспечивающий минимизацию накладных расходов на взаимодействие элементов многомашинного комплекса друг с другом, и разработаны алгоритмы работы такого модуля связи;

7. Предложен двухуровневый протокол обмена с простым механизмом синхронизации, хорошо согласующийся с архитектурой комплекса в целом, разработаны примитивы для обоих уровней этого протокола;

8. Разработано программное обеспечение для всех типов элементов, входящих в состав комплекса, и способы его реализации;

9. Осуществлена опытная реализация локального распределенного мулътимикромашинного комплекса с радиальной топологией в одном из подразделений Института космических исследований АН СССР, в которой вследствие особенностей использованных аппаратных средств и сжатых сроков, отведенных на реализацию, пришлось пойти на ряд упрощений;

10. Продемонстрирована возможность реализации предложенного им комплекса малыми силами в сжатые сроки.