МЕТОДИКА ВЫБОРА МАКРООПЕРАЦИЙ ДЛЯ АППАРАТНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ В АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫХ КОМПЛЕКСАХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 004

МЕТОДИКА ВЫБОРА МАКРООПЕРАЦИЙ ДЛЯ АППАРАТНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ В АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫХ КОМПЛЕКСАХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ

П. В. Галушин1, О. Ю. Серикова2, В. А. Терсков3

1Сибирский юридический институт МВД России Российская Федерация, 660131, г. Красноярск, ул. Рокоссовского, 20 Е-mail: galushin@gmail.com 2Красноярский институт железнодорожного транспорта -филиал Иркутского государственного университета путей сообщения Российская Федерация, 660028, Красноярск, ул. Ладо Кецховели, 89 E-mail: serikova_oy@krsk.irgups.ru 3Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Е-mail: terskovva@mail.ru

Предлагается методика выбора макроопераций для аппаратной реализации в многопроцессорных аппаратно-программных комплексах систем управления реального времени. Методика основана на определении граничных оценок частот использования операций, определении их весовых коэффициентов, упорядочении множества операций по весам и выделении из этого множества операций, весовые коэффициенты которых больше установленного критерия.

Ключевые слова: программно-аппаратные комплексы, системы управления реального времени, производительность, макрооперации.

METHOD OF SELECTING MACRO-OPERATIONS FOR HARDWARE IMPLEMENTATION IN COMPUTER APPLIANCE OF REAL-TIME CONTROL SYSTEMS

P. V. Galushin1, O. Yu. Serikova2, V. A. Terskov3

1Siberian Law Institute of Ministry of Internal Affairs of the Russian Federation 20, Rokossovsky Str., Krasnoyarsk, 660131, Russian Federation Е-mail: galushin@gmail.com 2Krasnoyarsk Rail Transport Institute branch of Irkutsk State Transport University 89, Lado Ketskhoveli st. Krasnoyarsk, 660028, Russian Federation

E-mail: serikova_oy@krsk.irgups.ru 3Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

Е-mail: terskovva@mail.ru

The paper proposes a method of choosing a macro-operation for hardware implementation in multiprocessor hardware-software complexes of real-time control systems. This method is based on determining the boundary estimates of the frequency of use of operations, determining their weights, ordering the set of operations by weights and extracting from this set of operations whose weights are greater than the established criterion.

Keywords: Computer appliance, real-time control systems, performance, macro-operations.

Компьютеры все стремительней внедряются в общественное производство и повседневную жизнь. Из средства выполнения вычислений вычислительная техника превратилась в аппаратную

Секция «Математические методы моделирования, управления и анализа данных»

основу комплексной автоматизации процессов сбора и обработки информации, принятия решений и автоматического управления. Повышение быстродействия вычислительной техники традиционно шло двумя путями: повышение тактовой частоты процессоров и разработка многопроцессорных систем. На сегодняшний день можно констатировать, что возможности повышения тактовой частоты исчерпаны, что обусловлено физическими ограничениями [1].

К числу не до конца использованных возможностей повышения производительности относится аппаратная реализация наиболее часто встречающихся и занимающих значительное время при выполнении операций. Аппаратная реализация упрощает процесс программирования и дает возможность более эффективно и естественно распараллеливать сложные алгоритмы [2].

Для выделения операций для аппаратной реализации в программном обеспечении систем управления реального времени необходимо использовать временной критерий как основной. При этом, в процессе анализа критических путей графа, в виде которого может быть представлен алгоритм, предлагается определять общее время выполнения участков алгоритмов и время выполнения операции на каждом участке. Обозначим множество макроопераций, которые необходимо реализовать аппаратными средствами с целью уменьшения времени реализации множества алгоритмов какЛ={А,} , где 1=1,2,... .

Каждый алгоритм множества характеризуется матрицей смежности, задающей структуру 1-го

алгоритма, и множеством алгоритмических операций (далее - АО) О е ^О.}. Множество АО характеризуется относительным временем выполнения ]-й АО (по отношению к некоторой операции, время выполнения которой принято за единицу, это может быть операция типа сложения, вычитания и других). Определим множество Ол с О АО, которые целесообразно реализовать аппаратно.

Для определения граничных оценок частот использования АО при реализации ациклических структур, найдем критические маршруты реализации алгоритма по времени реализации Мтп и

Мтах. Определим множества операций О. е Мт-п и О. е Мтах, входящих в критические маршруты 1-го алгоритма. Затем вычислим количество операций К. тп

]=1,2,..., входящих в критические маршруты реализации для каждого_|-го типа АО.

Для циклических алгоритмов определяется максимальное и минимальное (Ы,тах и Ш,т,п) количество повторений цикла, а частоты определяются как произведение количества повторений цикла на количество АО в теле цикла.

В результате вычисляется максимальная К,тах и минимальная К,тПп частота использования ^ой АО в 1-м алгоритме. Теперь определим весовые коэффициенты АО. В качестве коэффициентов выбираются значения функций вида ~м=к-1. Тогда граничные оценки весовых коэффициентов в АО определяются как

^11,тах ~ К11,тах ,

= К •/ (1)

Затем эти значения нормируются на максимальное значение весовых коэффициентов АО для максимального критического маршрута реализации 1-го алгоритма. После определения нормированных весовых коэффициентов АО, производится упорядочение множества АО. Значение критерия выбора для аппаратной реализации выбирается из соображения согласований требуемого времени 1зад выполнения алгоритма и фактического tф. Отношение к Iф и будет являться критерием иуст.

Применим описанный метод выделения макроопераций для анализа алгоритмов функционирования одного из аппаратно-программного комплексов управления воздушным движением. Данные о количестве выполнений каждой из операций и результаты расчётов по приведённым выше формулам приведены в таблице. Операции упорядочены по убыванию весовых коэффициентов.

Наибольший весовой коэффициент имеют степенные функции. Второе место по значению весового коэффициента занимают тригонометрические функции. Если принять иуст~0,5 то для аппаратной реализации необходимо выбрать степенные и тригонометрические функции.

О]

и К-.

1],тах

О]

где

Вычисление весов операций

Операция Kmax Kmin t, w lr тагах: wmh.

Степенные функции 3440 96 580 1,0 0,37

Тригонометрические функции 2250 56 508 0,571 0,21

Операции умножения 2097 52 211 0,223 0,103

Операции деления 1100 27 261 0,1435 0,072

Операции типа сложения 45012 1125 5 0,1128 0,0375

Таким образом, в данной статье предложен метод выбора макроопераций для аппаратной реализации в многопроцессорных аппаратно-программных комплексах систем управления реального времени, указанный метод был применён к одному из алгоритмов системы управления воздушного движением.

Библиографические ссылки

1. Sutter, H. The free lunch is over: A fundamental turn toward concurrency in software // Dr. Dobb's Journal, 2005. 30(3). URL: http://www.gotw.ca/publications/concurrency-ddj.htm (дата обращения 25.12.2018).

2. J. Kuhl, S. Reddy. Fault-Tolerance Considerations in Large, Multiple-Processor Systems. Computer. March, 1986. pp.56 - 67.

© Галушин П. В., Серикова О. Ю., Терсков В. А., 2019