Неалгоритмічні методи цифрового моделювання. Цифровий вимірювальний пристрій

систем дискретизації

та квантування повідомлень

Київ 2010

Федеральне агентство з освіти

Державний освітній заклад

вищої професійної освіти

"Омський державний технічний університет"

Цифрове моделюваннясистем дискретизації

та квантування повідомлень

Методичні вказівки до лабораторних

роботам для дистанційної форми навчання

Навчально-лабораторний комплекс для цифрового моделювання системи квантування безперервних повідомлень за рівнем …………………

Загальні положення……………………………………………………………..

Опис пакета……………………………………………………………….

Загальні відомості…………………………………………………………….

Функціональне призначення комплексу………………………………….

Порядок установки серед розробки NetBeans…….………………….

Опис бібліотеки класів…………………….………………………

1. Опис інтерфейсів……………………….………………………...

   Опис класів………………………….…………………………….

   Блок-схема підключення…………………………..…………………

Мета лабораторної работы.…………………………………………………...

Мета дослідження……………………………………………………………..

Порядок виконання роботи………….…………………………………….....

Побудова цифрової моделі………………………………………………….

Контрольні питання для відліку по лабораторній роботі…………………

Навчально-лабораторний комплекс для цифрового моделювання системи квантування безперервних повідомлень за рівнем

1. Загальні положення

Моделювання- один із найбільш поширених способів вивчення різних процесівта явищ. Розрізняють фізичне та математичне моделювання. При фізичному моделюванні модель відтворює досліджуваний процес зі збереженням його фізичної природи. Перевага фізичного моделювання перед натуральним експериментом полягає в тому, що умови реалізації процесу-моделі можуть значно відрізнятися від умов, властивих процесу-оригіналу, і вибираються виходячи із зручності та простоти дослідження. Але фізичне моделювання має обмежену сферузастосування. Свідомо ширшими можливостями має математичне моделювання.

Моделювання являє собою процес, що складається з двох, у загальному випадку неодноразово повторюваних етапів:

побудова моделі аналогічної важкодоступному для безпосереднього дослідження об'єкту-оригіналу;

дослідження (проектування) об'єкта-оригіналу за допомогою побудованої моделі.

Під час вивчення будь-якого процесу методом математичного моделювання необхідно насамперед побудувати його математичну модель. Математична модель необхідна для побудови алгоритму, що моделює. Існують кілька основних способів алгоритму використання математичної моделі:

аналітичне дослідження процесів;

дослідження процесів з допомогою чисельних методів;

апаратурне моделювання (на аналогових ВМ та спеціальних моделюючих установках);

моделювання процесів на ЦВМ

Нині стала вельми поширеною набув метод статистичного моделювання, реалізований на ЦВМ. Цей вид є складовою математичного моделювання.

Цифрове моделювання має низку переваг над іншими методами дослідження (універсальність, гнучкість, економічність) і дозволяє вирішити одну з основних проблем сучасної науки – проблему складності.

Навчально-лабораторні комплекси призначені для вивчення та дослідження таких інформаційних систем, що здійснюють формування, дискретизацію (квантування), кодування, передачу, зберігання, декодування та відновлення повідомлення. Ці системи складаються із реальних блоків, що виконують перелічені перетворення. До них відносяться:

джерело (генератор, формувач) повідомлення;

дискретизатор (квантувач, блок квантування);

кодер (шифратор, блок кодування);

канал зв'язку;

блок пам'яті (лінія затримки);

декодер (дешифратор);

приймач повідомлення.

Цифрові моделі, що імітують роботу цих блоків, представлені у навчально-лабораторних комплексах у вигляді окремих об'єктних класів або можуть бути сформовані з них. Ці комплекси об'єктних класів призначені для таких цілей:

для імітації експерименту з метою одержання даних для проектування цих систем;

для автоматизації розрахунку параметрів, синтезу функцій окремих блоків та системи в цілому;

для моделювання, імітації та відображення роботи:

системи дискретизації безперервних повідомлень за часом;

системи квантування повідомлень за рівнем;

системи ефективного кодування;

системи завадостійкого кодування;

комбінації цих систем.

для побудови графіків.

Розглянемо деякі особливості дослідження роботи систем шляхом їхнього цифрового моделювання. Зазвичай воно спрямоване дослідження ефективності функціонування систем. При цьому моделюються взаємодія даної системи з іншою системою, яка називається зовнішнім середовищем. Ефективність роботи будь-якої системи визначається двома групами факторів: властивостями та характеристиками зовнішнього середовища; функціями та параметрами моделюваної системи. Найбільш ефективна робота (поведінка) системи в ситуації, коли властивості та характеристики довкілля «узгоджені» з функціями та параметрами системи. Показники та критерії ефективності роботи системи задаються (визначаються) її розробниками, тому що не можуть бути встановлені формальними методами.

Дослідження ефективності роботи в «нормальних умовах» реалізуються шляхом організації найбільш ймовірних звичайних (штатних ситуацій), що визначаються довкіллям, які, ймовірно, відомі розробнику або досліднику. При цьому конкретні ситуації задаються найбільш типовими для довкілля властивостей та характеристик.

Крім того, проводяться дослідження поведінки системи в екстремальних умові малоймовірних ситуаціях, які визначаються погано передбачуваними для дослідника наборами властивостей і характеристик довкілля (максимальними значеннями її характеристик, такими, наприклад, як позамежне значення струму в електричного ланцюга, перевантажень, перешкод великої амплітуди та частоти, фізичне руйнування системи або її компонентів внаслідок браку матеріалів тощо).

Ситуація, що задається зовнішнім середовищем (штатна або позаштатна), моделюється шляхом фіксації деяких її властивостей та характеристик. При цьому ефективність роботи систем досліджується шляхом варіації її функцій та параметрів. Можливо також дослідження системи в іншому порядку, при якому фіксуються функції та параметри системи та варіюються властивості та параметри зовнішнього середовища. Припускаючи, що властивості довкілля та функції досліджуваної системи, крім іншого, представлені наборами вимірюваних та керованих (варіюваних) числових характеристик та параметрів.

На черговий ітерації дослідження поведінки системи зазвичай вся безліч характеристик середовища проживання і параметрів системи фіксується. При цьому варіюється один із перелічених компонентів у межах «правдоподібного» допустимого діапазону. Визначаються показники ефективності роботи системи для безлічі значень параметра, що варіюється, і заносяться в протокол дослідження, зазвичай оформлюваний у вигляді таблиці. На наступній ітерації дослідження варіюється інший параметр, інші зафіксовані.

Зазвичай повний перебір параметрів та їх значень (навіть при комп'ютерне моделювання) не вдається здійснити через тимчасові обмеження. Тому часто розробнику або досліднику доводиться здійснювати певним чином упорядкований і спрямований перебір параметрів і характеристик. У поєднанні з можливістю автоматичного комп'ютерного перебору параметрів це дозволяє скоротити час дослідження системи. З іншого боку, слід використовувати розроблені методи планування експериментів.

При цифровому моделюванні системи квантування безперервних повідомлень за рівнем на лабораторних заняттях властивості зовнішнього середовища представлені певною формою сигналу, що передається, яка в процесі дослідження не змінюється, а також нормально-розподіленою (гаусової) випадковою перешкодою, що діє в каналі зв'язку. Числові характеристикиперешкоди представлені математичним очікуванням та середньоквадратичним відхиленням її амплітуди.

Функцією системи у цій лабораторній роботі є квантування безперервних повідомлень за рівнем (амплітуди параметра). Параметри квантувача представлені діапазоном значень безперервного повідомленнята числом рівнів квантування (або кроком квантування).

Цифрове моделювання

спосіб дослідження реальних явищ, процесів, пристроїв, систем та ін., заснований на вивченні їх математичних моделей (Див. математичних описів) за допомогою ЦВМ. Програма, що виконується ЦВМ, також є своєрідною Моделью досліджуваного об'єкта. При Ц. м. використовують спеціальні проблемно-орієнтовані мови моделювання; одним з найбільш широко застосовуваних у моделюванні мов є мова CSMP, розроблена в 60-х роках. в США. Ц. м. відрізняється наочністю та характеризується високим ступенемавтоматизації процесу вивчення реальних об'єктів.

Велика радянська енциклопедія. - М: Радянська енциклопедія. 1969-1978 .

Дивитись що таке "Цифрове моделювання" в інших словниках:

цифрове моделювання- - [Я.Н.Лугинський, М.С.Фезі Жилінська, Ю.С.Кабіров. Англо-російський словник з електротехніки та електроенергетики, Москва, 1999 р.] Тематики електротехніка, основні поняття EN digital simulation …

цифрове моделювання- 3.8 цифрове моделювання: Спосіб використання різних математичних методівелектронно обчислювальних машинах задля досягнення акустичної симуляції (див. 3.1). Джерело: ГОСТ Р 53737 2009: Нафтова та газова промисловість. Поршневі...

цифрове моделювання- skaitmeninis modeliavimas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. digital simulation; numerical modelling vok. digitale Simulation, f; numerische Simulation, f rus. цифрове моделювання, n; чисельне моделювання, n pranc. simulation… … Automatikos terminų žodynas

цифрове моделювання у реальному масштабі часу- - [А.С.Гольдберг. Англо-російський енергетичний словник. 2006 р.] Тематики енергетика загалом EN real time digital simulationRTDS … Довідник технічного перекладача

Створення цифрової моделі рельєфу та її використання. Примітки 1. Обробка цифрової моделі рельєфу служить отримання похідних морфометрических показників; розрахунку та побудови ліній струму; екстракції структурних ліній та ліній перегину… Довідник технічного перекладача

цифрове моделювання рельєфу- 61 цифрове моделювання рельєфу: створення цифрової моделі рельєфу та її використання. Примітки 1 Обробка цифрової моделі рельєфу служить отримання похідних морфометрических показників; розрахунку та побудови ліній струму; екстракції… … Словник-довідник термінів нормативно-технічної документації

аналогове [аналого-цифрове] моделювання- Моделювання процесів та об'єктів за допомогою засобів аналогової [аналого цифрової] обчислювальної техніки. [ГОСТ 18421 93] Тематики аналогова та аналого цифрова віднім.техн … Довідник технічного перекладача

Analoginis skaitmeninis modeliavimas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. analog digital simulation vok. analog digitale Simulation, f rus. аналого-цифрове моделювання, n pranc. simulation analogique numérique, f … Automatikos terminų žodynas

аналого-цифрове моделювання- - [Я.Н.Лугинський, М.С.Фезі Жилінська, Ю.С.Кабіров. Англо-російський словник з електротехніки та електроенергетики, Москва] Тематики електротехніка, основні поняття EN analog digital simulation … Довідник технічного перекладача

Моделювання дослідження об'єктів пізнання з їхньої моделях; побудова та вивчення моделей реально існуючих об'єктів, процесів чи явищ з метою одержання пояснень цих явищ, а також для передбачення явищ, що цікавлять… Вікіпедія

Книги

• , Браверман Борис Аронович. Розглянуто можливості використання елементів програмування мовою С# у середовищі Microsoft Visual Studio для вирішення різноманітних завданьгеоматики. Показано зв'язок процесів кадастру та…
• Програмне забезпечення геодезії, фотограм, кадастру, інж. із. , Браверман Борис Аронович. Розглянуто можливості використання елементів програмування мовою С серед Microsoft Visual Studio для вирішення різноманітних завдань геоматики. Показано зв'язок процесів кадастру та…

2.2. Неалгоритмічні методи

цифрове моделювання.

Швидкість вирішення низки складних завдань програмно-алгоритмічним методом на ЦВМ загального призначення недостатня і не задовольняє потреб інженерних систем автоматизованого проектування (САПР). Одним з таких класів завдань, які широко застосовуються в інженерної практикипри дослідженні динаміки (перехідних процесів) складних систем автоматизації, є системи нелінійних диференціальнихрівнянь високих порядків у звичайних похідних. Для прискорення вирішення названих завдань до складу програмно-технічних комплексів САПР можуть включатись на додаток до головної (провідної) ЦВМ загального призначення ГВМ, проблемно-орієнтовані на рішення нелінійних диференціальних рівнянь. Вони організуються з урахуванням цифрового математичного моделювання неалгоритмическим методом. Останній дозволяє підвищити продуктивність САПР за рахунок властивого йому паралелізму обчислювального процесу, а дискретний (цифровий) спосіб представлення математичних величин досягти точності обробки не гірше, ніж у ЦВМ. У цих ГОМ застосовуються два методи цифрового моделювання:

1. Звичайно-різницеве ​​моделювання;

2. Розрядне моделювання.

Перший метод, що використовується в ГВМ типу цифрових диференціальних аналізаторів (ЦДА) та цифрових інтегруючих машин (ЦИМ), – це відомий метод наближених (покрокових) обчислень кінцевих різниць. Цифрові операційні блоки ГВМ, побудовані на цифровій схемотехніці, обробляють досить малі дискретні збільшення математичних величин, що передаються лініями зв'язку між операційними блоками. Математичні величини, що вводяться, видаються, зберігаються і накопичуються з прирощень у цифрових n-розрядних кодах у ріверсивних лічильниках або регістрах накопичувальних суматорів.

Збільшення всіх величин зазвичай кодуються однією одиницею молодшого розряду: D:=1мл. нар. Це відповідає квантуванню за рівнем всіх оброблюваних величин із постійним кроком квантування D=1. Отже, обмежується швидкість наростання всіх машинних величин: | dS/dx | £1.

Знаки однорозрядних прирощень кодуються методом знакового кодування двопровідних лініях зв'язку між операційними блоками:

https://pandia.ru/text/78/244/images/image002_51.gif" width="476" height="64 src=">,

де DSi = yiDx - збільшення інтеграла в i-му кроціінтегрування, а i-я ордината підінтегральної функції y(x) – yi обчислюється шляхом накопичення її прирощень:

https://pandia.ru/text/78/244/images/image004_39.gif" width="208" height="56 src=">

з введенням постійного нормуючого коефіцієнта кн = 2-n збільшення на виходах інтеграторів утворюються послідовно і обробляються наступних інтеграторах також послідовно. Винятком є ​​інтегрування суми кількох підінтегральних функцій

https://pandia.ru/text/78/244/images/image006_34.gif" width="239" height="56 src=">

Тоді по кількох m вхідних лініям l-еЗростання можуть надходити синхронно в якомусь j-му кроці. Для послідовного складання їх розносять у межах кроку за допомогою ліній затримок, збільшуючи в m разів тактову частоту роботи вхідного накопичувача суматора. Тому число підінтегральних функцій, що сумуються, зазвичай обмежують до двох.: m=2.

Структурна організація цифрового інтегратора-суматора дуже проста. Він будується у вигляді послідовного з'єднаннянаступних функціональних вузлів:

· Схема 2АБО з лінією затримки tз = 0,5t на одному з входів

· Вхідний накопичуючий суматор приростів підінтегральних функцій, що виконує накопичення n-розрядних їх ординат за вхідними приростами:

https://pandia.ru/text/78/244/images/image008_28.gif" width="411" height="194 src=">

При Dх:=(10) код yk передається без змін, а за Dх:=(01) на виході утворює код, зворотний вхідному коду yk.

· Формувач вихідного збільшення інтеграла: DSi: = одиниця переповнення Si, що перетворює ознака переповнення в біполярний код збільшення (найпростіше він реалізується, якщо негативні накопичені числа Si представити в модифікованому коді: прямому, зворотному або додатковому). Відповідну структурну схему цифрового інтегратора наведено на рис. 9.14 (с.260) підручника. У схемах цифрових моделей застосовується таке умовне позначенняцифрового суматора-інтегратора:

«Зн.» вказує ознаку інверсії (-), якщо вона потрібна. Важливою перевагою даного методуКонечно-разностного цифрового моделювання і те, що той самий цифровий інтегратор без зміни його схем використовується виконання лінійних і нелінійних операцій, необхідні вирішення звичайних диференціальних рівнянь. Це тим, що з програмуванні ЦДА і ЦИМ вихідні рівняння похідних перетворюються до рівнянь в диференціалах. Розглянемо найпростіші програми цифрових моделей:

1. множення змінної х на константу до:

Перейшовши до диференціалів dS=кdx, переконаємося в тому, що ця операція виконується одним інтегратором при його початковій установці:

3. Множення S=xy, або диференціалах dS=xdy+ydx.

4.2. тригонометричні функції, наприклад, y=sinx, яка є рішенням диференціального рівняння другого порядку (так як ), або в диференціалах

Враховуючи те, що створення названих проблемно-орієнтованих ГВМ вимагає суттєвих додаткових витрат при побудові технічних засобівСАПР частіше використовується більш простий спосіб їх організації шляхом об'єднання в обчислювальний комплекс ЦВМ загального призначення, що серійно виробляються, і електронних аналогових обчислювальних машин (АВМ), побудованих на операційних підсилювачах. ЦВМ та АВМ об'єднуються за допомогою типового пристрою перетворення та сполучення (УПС), що складається в основному з АЦП та ЦАП. Складна задача раціонально розподіляється на 2 частини між аналоговими і цифровими процесорами при програмуванні комплексу. Причому аналогова частина найчастіше проблемно орієнтується рішення диференціальних рівнянь і використовується у загальному обчислювальному процесі як швидка підпрограма.

2.3 Архітектура гібридних обчислювальних комплексів (ГВК).

2.3.1. структура аналого-цифрового обчислювального комплексу (АЦВК)

ГВК або АЦВК – це обчислювальний комплекс, що складається з ЦВМ та АВМ загального призначення, об'єднаних за допомогою УПС, що містить у цифровій частині додаткове програмне забезпеченнядля автоматизації програмування аналогової частини, управління обміном інформацією між аналоговою та цифровою частинами, конотролю та тестування аналогової частини, автоматизації процедур введення-виведення.

Розглянемо структурну схему АЦВК із найпростішим УПС, побудованому на одноканальних комутованих АЦП і ЦАП. Для створення передумов автоматизації програмування АВМ під управлінням ЦВМ у складі технічних засобів АВМ вводяться такі додаткові блоки:

1. Вручну регульовані змінні опори (потенціометри) на входах операційних підсилювачів у наборі операційних блоків (НОБ), відомі Вам з лабораторних робітза ТАУ, замінюються на цифрокеровані опори (ЦУС), як яких використовуються інтегральні схеми ЦАП;

3. Автоматичне з'єднання операційних блоків відповідно до складеної в ЦВМ схеми аналогової моделі (п. 2.1) здійснюється схемою автоматичної комутації (САК) по двійковому вектору комутації ключів САК, утвореному в ЦВМ і що зберігається протягом рішення задачі в регістрі настроювальної інформації (РН) в СПС.

Режими роботи АВМ: підготовка, пуск, зупинка, повернення у початковий стан, виведення резудьтатів на аналогові периферійні пристрої (самописці, двокоординатні планшетні реєструючі прилади – ДРП) задаються з боку ЦВМ через блок управління УПС (БО УПС).

БУ УПС здійснює також взаємну синхронізацію роботи ЦВМ та АВМ: передає сигнали зовнішнього переривання з аналогової моделі в цифрові програми ЦВМ, під керуванням програм цифрової частини синхронізує опитування точок в аналоговій моделі, перетворення напруг у цих точках у цифрові коди та передачу останніх через БСК та канал введення-виведення в оперативну пам'ять ЦВМ; або аналогічно зворотне перетворення цифрових кодів електричні напруги і подачу останніх в необхідні точки на входи операційних блоків аналогової моделі. Такий принцип функціональної організації взаємодії цифрової та аналогової частин апаратно підтримується блоками УПС: АЦП і ЦАП, АМ та АДМ – аналоговими мультиплексором та демультиплексором, МЛ – вхідним та вихідним блоками аналогової пам'яті, побудованими на множині однотипних схем вибірки зберігання (СВХ). Входи вхідних СВХ (ліворуч) підключаються до необхідних точок схеми аналогової моделі (виходів відповідних операційних блоків). У необхідні дискретні моментичасу під керуванням ЦВМ з аналогової моделі знімаються окремі вибіркові ординати аналогових сигналів(електричних напруг) і запам'ятовуються у СВХ. Потім виходи СВХ опитуються мультиплексором АМ та їх вихідні напруги перетворюються в АЦП цифрові коди, які в режимі прямого доступу як блок чисел (лінійний масив) записуються в ВП ЦВМ.

При зворотному перетвореннівиходи СВХ другої групи вихідний аналогової пам'яті МЛ (праворуч) підключаються під управлінням ЦВМ до необхідних входів операційних блоків аналогової моделі, а входи СВХ – до виходів аналогового демультиплексора, на вхід якого подається вихідна напругаЦАП. У режимі прямого доступу з ОП ЦВМ зчитується блок чисел. Кожне з чисел перетворюється на ЦАП в електрична напруга, яке під керуванням ЦВМ за допомогою АДМ, що обігає, записується на зберігання в одну з СВХ. Отриманий набір кількох напруг зберігається у кількох СВХ протягом заданого за програмою ЦВМ інтервалу часу (наприклад, під час вирішення завдання аналогової частини) і обробляється аналоговими операційними блоками.

2.3.2. Методи організації аналого-

цифрових обчислень.

Принцип чергування режимів роботи ЦВМ та АВМ, що знижує складність ЗПС.

АЦВК застосовуються для аналого-цифрового моделювання складних систем автоматизації, що містять керуючі ЦВМ, а також для прискорення вирішення складних математичних завдань, що вимагають надмірної витрати ресурсів пам'яті та машинного часу ЦВМ. У першому випадку на ЦВМ програмно імітуються алгоритми управління, а в АВМ програмується аналогова математична модельоб'єкта управління, та АЦВК використовується як комплекс для налагодження та верифікаціїалгоритмів управління з урахуванням нелінійності та динаміки об'єкта управління, які дуже важко врахувати при розробці алгоритмів, якщо при цьому постійно не вирішувати диференціальні рівняння об'єкта для визначення його реакції на кожну нову дію, що управляє.

У другому випадку, наприклад, при вирішенні диференціальних рівнянь, загальну громіздку задачу наближених обчислень розбивають на дві частини, поміщаючи зазвичай в аналогову частину обчислювально-ємні розрахунки, для яких допустима похибка 0.1…1%.

За принципом названого поділу завдання на дві частини та способу організації взаємодії між АВМ та ЦВМ сучасні АЦВК підрозділяються за 4 класаманалого-цифрових обчислень

Класи 1,2,3 можуть бути реалізовані на основі розглянутої структурної організаціїАЦВК зі спрощеним УПС, побудованим на одноканальних АЦП та ЦАП.

Клас 1 найпростіший з організації взаємодії між АВМ та ЦВМ. Цифрова та аналогова частини працюють у різний часі тому не пред'являється високих вимогдо синхронізації роботи АВМ та ЦВМ та швидкодії ЦВМ та УПС.

Клас 2 вимагає особливої ​​організації чергування режимів роботи АВМ, ЦВМ та УПС у кожному циклі обчислень та взаємодії

Так як АЧ і ЦЧ одночасно не працюють, немає проблем з їх синхронізацією і не висуваються високі вимоги до швидкодії УПС і ЦВМ. Класи розв'язуваних завдань: оптимізація параметрів аналогової моделі, параметрична ідентифікація, моделювання випадкових процесів методом Монте-Карло, аналого-цифрове моделювання САУ над реальному масштабі часу, інтегральні рівняння.

Клас 3 вимагає іншої організації чергування режимів роботи АВМ, ЦВМ та ЗПС.

У фазі А в АЧ і ЦЧ одночасно виконуються 2 окремі завдання однієї складної задачі, сумісні за часом. У ЦЧ у фазі В найчастіше приймаються з АЧ та запам'ятовуються дискретні величиниаргументів функцій, потім у фазі А по них обчислюються, заготовлюються для АЧ, ординати складних функцій, які в наступній фазі передаються в АЧ, де заносяться на зберігання в аналогові ЗУ (СВХ), а потім використовуються в наступній фазі А в аналогових обчисленнях, і т. д. Класи розв'язуваних завдань: ітеративні обчислення, вирішення звичайних дифурів із заданими граничними умовами, динамічних завдань із чистим запізненням аргументів, інтегральних рівнянь, диференціальних рівнянь у приватних похідних. У класі 3 не пред'являється високих вимог до швидкодії ЦВМ і УПС, але потрібна точна синхронізація роботи АВМ і ЦВМ у фазі В, так як через зупинку цифрового процесора асинхронне управління передачі неможливо, а здійснюється синхронна передача блоків даних під управління контролера прямого доступу на згадку (КПДП) через канал введення-виведення ЦВМ.

Клас 4 - це найчастіше аналого-цифрове моделювання цифрових САУ в реальному масштабі часу для перевірки та налагодження програм керуючої ЦВМ в динаміці. Він найбільш складний з організації взаємодії та синхронізації роботи АВМ та ЦВМ, тпк як тут фази А і В поєднані, відбувається постійний взаємний обмінданими в процесі обчислень, і тому потрібне застосування ЦВМ та УПС максимальної швидкодії.

Структурна організація СПС, наведена вище та придатна для класів 1,2,3, у класі 4 не застосовується. В останньому класі потрібна багатоканальна організація АЦП і ЦАП без мультиплексування з додатковим включенням на вході виходу БСК файлу паралельних буферних регістрів, що обмінюються з ВП ЦВМ в режимі прямого доступу. Вміст кожного з регістрів або перетворюються окремими паралельно включеними ЦАП під час передачі даних у АВМ, або формуються окремими паралельно включеними АЦП під час передачі даних з АВМ в ЦВМ.

2.3.3 Особливості програмного забезпеченняАЦВК.

Для автоматизації програмування АВМ за допомогою ЦВМ та повної автоматизаціїаналого-цифрового обчислювального процесу традиційне ПЗ ЦВМ загального призначення (див. рис. 13.2 с.398 у підручнику) доповнюється такими програмними модулями:

1. До складу обробних програм входять додаткові транслятори спеціальних мованалого-цифрового моделювання, наприклад Фортран-IV, доповненого підпрограмами на розширеному асемблері, що містить спеціальні аналого-цифрові команди, наприклад, для управління аналоговою частиною за програмою ЦВМ, організації передачі даних між ЦЧ і АЧ, обробки переривань програм ЦЧ, що ініціалізуються аналоговою частиною; створюється аналого-цифрова компілююча система;

2. До складу робочих, налагоджувальних та обслуговуючих програм вводять драйвер міжмашинного обміну для управління аналоговою частиною як периферійним процесором, програми графічного дисплея, реєстрації та аналізу результатів;

3. До складу бібліотеки прикладних програмвводять програми обчислення функцій та стандартні математичні аналого-цифрові програми;

4. До складу діагностичних програм технічне обслуговуваннявводять тести ЗПС, тести операційних блоків АВМ;

5. До складу керуючих програм ОС вводять цілий комплекс додаткових модулів, що управляють:

· Система автоматизації аналогового програмування (СААП), що складається з лексичного аналізатора; синтаксичногоаналізатора(перевірка відповідності введеної алгоритмічною мовою аналогової програми правилам синтаксису запису); генератори структурних схем (складання та кодування схем аналогових моделей методом зниження порядку та неявних функційтак само, як і в п.2.1); блоку розрахункових програм(Маштабування аналогової моделі як у п.2.1, цифрове програмне моделювання аналогової частини на ЦВМ з одноразовим прорахунком для розрахунку очікуваних максимальних значеньзмінних та уточнення масштабування аналогової моделі, а також створення файлу статичного та динамічного контролю аналогової частини після її програмування); програми подання вихідної інформації(виведення на дисплей та графобудівник синтезованої структури аналогової моделі, контрольна роздрук кодів аналогової програми, масштабних коефіцієнтів, файлу статичного та динамічного контролю);

· Служба синхронізації та взаємодії АВМ та ЦВМ (реалізація чергування режимів роботи);

· Служба обробки переривань, що ініціалізуються аналоговою частиною;

· Програма управління обміном даними між АВМ та ЦВМ;

· Програма управління завантаженням кодів схеми аналогової моделі в САК (РН);

· Програма управління режимом статичного та динамічного контролю (налагодження завантаженої в АВМ аналогової програми).

За результатами автоматизації аналого-цифрового програмування на магнітному диску провідної ЦВМ, крім традиційних цифрових файлів, створюються такі додаткові файли даних, які використовуються названими вище додатковими модулями ПЗ АЦВК: файл аналогових блоків, файл комутації (для САК), файл статичного контролю, файл динамічного контролю , файл підготовки аналогових функціональних перетворювачів, бібліотека стандартних аналого-цифрових програм, що підключаються.

2.3.4. Мови аналого-цифрового моделювання.

Розглянута архітектура АЦВК дозволяє описувати та вводити аналого-цифрові програми тільки у провідну ЦВМ алгоритмічними мовами високого рівня. Для цього традиційні мовицифрового програмування доповнюються спеціальними операторами опису об'єкта аналогового моделювання, організації передачі даних між АЧ та ЦЧ, управління аналоговою частиною за програмою ЦВМ, обробки переривань з боку аналогової частини, завдання параметрів аналогової моделі, контролю аналогової частини, завдання службової інформації тощо.

Застосовуються універсальні мови, що транслюються шляхом компіляції (Фортран IV) або інтерпретації (Бейсік, Гібас, Фокал, HOI), що доповнюються спеціальними підпрограмами на Асемблері, що зазвичай викликаються оператором Call… із зазначенням ідентифікатора потрібної підпрограми.

З метою підвищення швидкості роботи СААП вона зазвичай описується та використовує на вході спеціалізовані мовианалого-цифрового моделювання: CSSL, HLS, SL – 1, APSE, а для внутрішньої інтерпретації мову Поліз (зворотний польський запис).

У універсальні мови компилируемого типу можуть вводитися такі аналого-цифрові макрокоманди:

1. SPOT AA x– встановити потенціометр (ЦУС) в аналоговій частині з адресою АА у положення (величину опору), що відповідає значенню цифрового коду, що зберігається в ВП ЦВМ за адресою х;

2. MLWJ AA x- Вважати аналогову величину на виході операційного блоку в АЧ з адресою АА, піддати її аналого-цифровому перетворенню, а результуючий цифровий код записати в ВП ЦВМ за адресою х. Взаємодія аналогової частини цифрової частини можна описати як виклик процедури:

Call JSDA AA x, де JSDA – це ідентифікатор відповідний підключається підпрограми на Асемблері, наприклад, процедури установки – встановити значення х з виходу ЦАП за адресою АА в аналоговій частині.

Тому дуже важливо зрозуміти як тип паралелізму розв'язуваної задачі впливає спосіб оргпнизации паралельної ЕОМ.

3.1.1 Природний паралелізм

незалежних завдань.

Він спостерігається, якщо в ПС потік не пов'язаних між собою завдань. У цьому випадку підвищення продуктивності порівняно легко досягається шляхом введення в «крупнозернисту» ПС ансамблюнезалежно функціонуючих процесорів, підключених до інтерфейсів багатомодульної ВП та ініціалізації процесорів введення/виводу (ПВВ).

Число модулів ВП m>n+p з тим, щоб забезпечити можливість паралельного звернення в пам'ять всіх обробних процесорів і всіх ПВВ і підвищити стійкість до відмови ВС. Резервні (m-n-p) модулі ВП необхідні для швидкого відновлення при відмові робочого модуля та для зберігання в них ССП процесорів та процесів у контрольних точках програм, необхідних для рестарту при відмові процесора або модуля ВП.

Створюється можливість під кожну з завдань тимчасово об'єднувати пару: Пi+ОПj як автономно функціонуючу ЕОМ. Попередньо цей модуль ОП працював у парі: ПВВк+ОПj, і в ОПj в буфер введення була занесена програма і дані. Після закінчення обробки в ОПj організується і заповнюється буфер виведення, а потім модуль ОПj вводиться в пару ОПj+ПВВr для обміну з периферійним пристроєм.

Основне завдання організації обчислювальних процесів, яке вирішується системною програмою«диспетчер», – оптимальний розподілзадач між паралельними процесорами за критерієм максимальної їхньої завантаження, або мінімізації часу їх простоїв. У цьому сенсі оптимальним є асинхроннийпринцип завантаження задач у процесори, не чекаючи, поки закінчиться обробка завдань в інших зайнятих процесорах.

Якщо пакет вхідних завдань, накопичений за певний інтервал часу, зберігається у ВЗП, проблема оптимальної асинхронної диспетчирезації зводиться до упорядкування оптимального розкладу моментів запуску завдань різних процесорах. Основні вихідні дані, необхідні для цього, – безліч відомих очікуваних часів рахунку, процесорної обробки всіх завдань накопиченого пакета, які зазвичай вказуються в картах, що управляють, їх завдань.

Незважаючи на незалежний характер завдань у сукупності їх асинхронних обчислювальних процесів можливі конфлікти між ними загальні ресурсиНД:

1) Послуги загальної мультисистемної ОС, наприклад обробка переривань із введення-виведення, або звернень до загальної ОС надійності при відмовах та рестартах;

(О–) – ®О-Д – зміна знака D.

При операції в I шарі і дві операції в II і III шарах могли б виконуватися паралельно, якби в складі АЛУ був відповідний надлишок операційних блоків.

Розглянутий вище паралелізм операцій у розв'язанні диференціальних рівнянь і при обробці матриць відноситься до класу регулярного, тому що там та сама операція багаторазово повторюється над різними даними. Останній приклад квадратного рівняннямає нерегулярний паралелізм операцій, коли над різними даними можливе одночасне виконання різних типівоперацій.

Як показано вище, для використання регулярного паралелізму операцій при підвищенні продуктивності підходить матрична організаціяНД із загальним управлінням.

У загальному випадку нерегулярного паралелізму операцій більш відповідним способом підвищення продуктивності вважається потокова організаціяЕОМ та ЗС. У потокових ЗС замість традиційного фон Нейманівського програмного управління обчислювальним процесом відповідно до порядку прямування команд, що визначається алгоритмом, застосовується зворотний принцип програмного управління за ступенем готовності операндів, або потоком даних (потоком операндів), що визначається не алгоритмом, а графом операндів (графом передачі даних) ).

Якщо паралельному процесорі є достатній надлишок обробних пристроїв, чи ВС – ансамбль надлишкових мікропроцесорів, то природно і автоматично (без спеціальної диспетчирезации і складання розкладу запуску) одночасно виконуватимуться ті паралельні операції, операнди яких підготовлені попередніми обчисленнями.

Обчислювальний процес починається з операцій, операндами яких є вихідні дані, як, наприклад, в I шарі ГПД квадратного рівняння одночасно виконуються три операції, а далі він розвивається в міру готовності операндів. Після цього викликається команда множення, потім віднімання та перевірки логічної умови, потім макрооператор (Ö) і лише після цього – одночасно дві команди: додавання та віднімання, а після них – дві однакових команди поділу.

Технічна реалізація потокової організації ЗС можлива трьома шляхами:

1) Створенням спеціальних потокових мікропроцесорів, які відносяться до класу спеціалізованих та будуть розглянуті у наступному семестрі;

2) Спеціальною організацієюобчислювального процесу та модифікацією машинної мови низького рівняу мультимікропроцесорних ансамблевих ЗС, побудованих на типових мікропроцесорах фон Неймана;

3) Створенням процесорів з надлишком однотипних операційних блоків і доповненням операційних системпотоковим способом організації обчислювального процесу (реалізовано у вітчизняних потоковому процесорі ЕС2703 та суперЕОМ Ельбрус-2).