Конспект лекций




НазваниеКонспект лекций
страница4/16
Дата публикации30.01.2014
Размер1.98 Mb.
ТипКонспект
zadocs.ru > Информатика > Конспект
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   16

^ 2 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННОЙ МОДЕЛИ
2.1 Управление процессами операционной системой ЧПУ
Управление процессами

Важнейшей частью операционной системы является подсистема управления процессами. Процесс (или по-другому, задача) – абстракция, описывающая выполняющуюся программу. Для операционной системы процесс представляет собой единицу работы, заявку на потребление системных ресурсов. Подсистема управления процессами планирует выполнение процессов, то есть распределяет процессорное время между несколькими одновременно существующими в системе процессами, а также занимается созданием и уничтожением процессов, обеспечивает процессы необходимыми системными ресурсами, поддерживает взаимодействие между процессами.

В многозадачной (многопроцессной) системе процесс может находиться в одном из трех основных состояний:

ВЫПОЛНЕНИЕ - активное состояние процесса, во время которого процесс обладает всеми необходимыми ресурсами и непосредственно выполняется процессором;

ОЖИДАНИЕ - пассивное состояние процесса, процесс заблокирован, он не может выполняться по своим внутренним причинам, он ждет осуществления некоторого события, например, завершения операции ввода-вывода, получения сообщения от другого процесса, освобождения какого-либо необходимого ему ресурса;

ГОТОВНОСТЬ - также пассивное состояние процесса, но в этом случае процесс заблокирован в связи с внешними по отношению к нему обстоятельствами: процесс имеет все требуемые для него ресурсы, он готов выполняться, однако процессор занят выполнением другого процесса.

В ходе жизненного цикла каждый процесс переходит из одного состояния в другое в соответствии с алгоритмом планирования процессов, реализуемым в данной операционной системе. Типичный граф состояний процесса показан на рисунке 2.1.

В состоянии ВЫПОЛНЕНИЕ в однопроцессорной системе может находиться только один процесс, а в каждом из состояний ОЖИДАНИЕ и ГОТОВНОСТЬ - несколько процессов, эти процессы образуют очереди соответственно ожидающих и готовых процессов. Жизненный цикл процесса начинается с состояния ГОТОВНОСТЬ, когда процесс готов к выполнению и ждет своей очереди. При активизации процесс переходит в состояние ВЫПОЛНЕНИЕ и находится в нем до тех пор, пока либо он сам освободит процессор, перейдя в состояние ОЖИДАНИЯ какого-нибудь события, либо будет насильно "вытеснен" из процессора, например, вследствие исчерпания отведенного данному процессу кванта процессорного времени. В последнем случае процесс возвращается в состояние ГОТОВНОСТЬ. В это же состояние процесс переходит из состояния ОЖИДАНИЕ, после того, как ожидаемое событие произойдет.

^ Рисунок 2.1 – Граф состояний процесса в многозадачной среде
Контекст и дескриптор процесса

На протяжении существования процесса его выполнение может быть многократно прервано и продолжено. Для того, чтобы возобновить выполнение процесса, необходимо восстановить состояние его операционной среды. Состояние операционной среды отображается состоянием регистров и программного счетчика, режимом работы процессора, указателями на открытые файлы, информацией о незавершенных операциях ввода-вывода, кодами ошибок выполняемых данным процессом системных вызовов и т.д. Эта информация называется контекстом процесса.

Кроме этого, операционной системе для реализации планирования процессов требуется дополнительная информация: идентификатор процесса, состояние процесса, данные о степени привилегированности процесса, место нахождения кодового сегмента и другая информация. В некоторых ОС (например, в ОС UNIX) информацию такого рода, используемую ОС для планирования процессов, называют дескриптором процесса.

Дескриптор процесса по сравнению с контекстом содержит более оперативную информацию, которая должна быть легко доступна подсистеме планирования процессов. Контекст процесса содержит менее актуальную информацию и используется операционной системой только после того, как принято решение о возобновлении прерванного процесса.

Очереди процессов представляют собой дескрипторы отдельных процессов, объединенные в списки. Таким образом, каждый дескриптор, кроме всего прочего, содержит по крайней мере один указатель на другой дескриптор, соседствующий с ним в очереди. Такая организация очередей позволяет легко их переупорядочивать, включать и исключать процессы, переводить процессы из одного состояния в другое.

Программный код только тогда начнет выполняться, когда для него операционной системой будет создан процесс. Создать процесс - это значит:

  • создать информационные структуры, описывающие данный процесс, то есть его дескриптор и контекст;

  • включить дескриптор нового процесса в очередь готовых процессов;

  • загрузить кодовый сегмент процесса в оперативную память или в область свопинга (подкачки) для временного сохранения.

Алгоритмы планирования процессов

Планирование процессов включает в себя решение следующих задач:

  • определение момента времени для смены выполняемого процесса;

  • выбор процесса на выполнение из очереди готовых процессов;

В системах ЧПУ для смены процессов наиболее часто применяются два типа алгоритмов: алгоритмы, основанные на квантовании, и алгоритмы, основанные на приоритетах.

В соответствии с алгоритмами, основанными на квантовании, смена активного процесса происходит, если:

  • процесс завершился и покинул систему,

  • произошла ошибка,

  • процесс перешел в состояние ОЖИДАНИЕ,

  • исчерпан квант процессорного времени, отведенный данному процессу.

Процесс, который исчерпал свой квант, переводится в состояние ГОТОВНОСТЬ и ожидает, когда ему будет предоставлен новый квант процессорного времени, а на выполнение в соответствии с определенным правилом выбирается новый процесс из очереди готовых. Таким образом, ни один процесс не занимает процессор надолго, поэтому квантование широко используется в системах разделения времени. Граф состояний процесса, изображенный на рисунке 2.1, соответствует алгоритму планирования, основанному на квантовании.

Кванты, выделяемые процессам, могут быть одинаковыми для всех процессов или различными. Кванты, выделяемые одному процессу, могут быть фиксированной величины или изменяться в разные периоды жизни процесса. Процессы, которые не полностью использовали выделенный им квант (например, из-за ухода на выполнение операций ввода-вывода), могут получить или не получить компенсацию в виде привилегий при последующем обслуживании. По разному может быть организована очередь готовых процессов: циклически, по правилу "первый пришел - первый обслужился" (FIFO) или по правилу "последний пришел - первый обслужился" (LIFO).

Другая группа алгоритмов использует понятие "приоритет" процесса. Приоритет - это число, характеризующее степень привилегированности процесса при использовании ресурсов вычислительной машины, в частности, процессорного времени: чем выше приоритет, тем выше привилегии.

Проблема синхронизации процессов

Процессам часто нужно взаимодействовать друг с другом, например, один процесс может передавать данные другому процессу, или несколько процессов могут обрабатывать данные из общего файла. Во всех этих случаях возникает проблема синхронизации процессов, которая может решаться приостановкой и активизацией процессов, организацией очередей, блокированием и освобождением ресурсов.

Итак, операционная система выполняет следующие основные функции, связанные с управлением процессами и задачами:

□ создание и удаление задач;

□ планирование процессов и диспетчеризация задач;

□ синхронизация задач, обеспечение их средствами коммуникации.

Создание задачи сопряжено с формированием соответствующей информационной структуры (дескриптора), а ее удаление — с расформированием. Создание и удаление задач осуществляется по соответствующим запросам от пользователей или от самих задач. Задача может породить новую задачу. При этом между задачами появляются «родственные» отношения. Порождающая задача называется «отцом», «родителем», а порожденная — «потомком». Отец может приостановить или удалить свою дочернюю задачу, тогда как потомок не может управлять отцом.

Процессор является одним из самых необходимых ресурсов для выполнения вычислений. Поэтому способы распределения времени центрального процессора между выполняющимися задачами сильно влияют и на скорость выполнения отдельных вычислений, и на общую эффективность вычислительной системы. Основным подходом в организации того или иного метода управления процессами, обеспечивающего эффективную загрузку ресурсов или выполнение каких-либо иных целей, является организация очередей процессов и ресурсов. При распределении процессорного времени между задачами также используется механизм очередей.

Решение вопросов, связанных с тем, какой задаче следует предоставить процессорное время в данный момент, возлагается на специальный модуль операционный системы, чаще всего называемый диспетчером задач. Вопросы же подбора вычислительных процессов, которые не только можно, но и целесообразно решать параллельно, возлагаются на планировщик процессов.

Самую простую модель процесса можно построить исходя из того, что в любой момент времени процесс либо выполняется, либо не выполняется, т.е. имеет только два состояния. Если бы все процессы были бы всегда готовы к выполнению, то очередь по этой схеме могла бы работать вполне эффективно. Такая очередь работает по принципу обработки в порядке поступления, а процессор обслуживает имеющиеся в наличии процессы круговым методом (Round-robin). Каждому процессу отводится определенный промежуток времени, по истечении которого он возвращается в очередь.

Однако в таком простом примере подобная реализация не является адекватной: часть процессов готова к выполнению, а часть заблокирована, например, по причине ожидания ввода-вывода. Поэтому при наличии одной очереди диспетчер не может просто выбрать для выполнения первый процесс из очереди. Перед этим он должен будет просматривать весь список, отыскивая незаблокированный процесс, который находится в очереди дальше других. Отсюда представляется естественным разделить все невыполняющиеся процессы на два типа: готовые к выполнению и заблокированные. Полезно добавить еще два состояния, как показано на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 – Схема выполнения процессов
Задачи моделирования процессов следует решать с учетом поэтапных преобразований данных. С этой целью необходимо разработать информационную модель системы ЧПУ, по которой можно было бы оценивать:

  • содержание входной информации;

  • содержание выходной информации;

  • математический аппарат или алгоритм преобразований одной информации в другую (концептуальную модель).

Для построения информационной модели необходимо провести:

  • анализ информации, необходимой для управления процессом и для оценки состояния технологического оборудования;

  • анализ управляющих воздействий, которые обеспечивают необходимое качество технологического процесса и работы оборудования;

  • анализ промежуточной информации, обрабатываемой в СЧПУ.

Анализ технологических процессов и работы оборудования целесообразно проводить в следующей последовательности:

  • выделить узлы оборудования и в каждом узле определить исполнительные и информационные устройства;

  • установить язык и средства управления для каждого узла;

  • составить списки (таблицы) входных, выходных, аварийных и блокировочных сигналов, а также сигналов прерываний;

  • определить массивы, в которые будет передаваться исходная информация.

После проведения анализа составляется схема связей между всеми компонентами информационных массивов. Линии этих связей обозначают конкретные задачи прикладного программного обеспечения.

^ 2.2 Состав информационной модели
При проектировании информационной модели важно четко представлять: как формируется информация, как она превращается и в каком виде используется.

Одним из источников информации системы ЧПУ является пульт оператора. Он содержит клавиатуру и средства введения управляющей программы. Образ клавиатуры размещается в памяти в табличном виде. Информация, которая находится в таблице, содержит инструкции по дальнейшим действиям. Управляющая программа вводится из программоносителя или по каналу связи, анализируется на предмет наличия ошибок и размещается в памяти.

Источниками входной информации являются также датчики состояния объекта.

Входная информация от пульта оператора и датчиков образует массив источников.

Процесс преобразования информации от пульта оператора и датчиков завершается подготовкой системы управления к работе в заданном режиме. Образ режима работы станка отображается в виде объектного массива.

При работе в автоматическом режиме информация о параметрах процесса обработки должна обновляться непрерывно. Для исключения задержек в управлении координатными движениями в процессе отработки текущего кадра должен быть введен и подготовлен к работе следующий кадр. В связи с этим предусмотрен загрузочный массив данных.

В процессе программного управления ведутся интерполяционные расчеты и вычисляются задания на управляемые приводы. Информация этого процесса представляет главный массив.

И, наконец, все управляющие сигналы на автоматику, электроприводы, средства визуализации образуют массив потребителя.

Итак, информационная модель должна содержать: массив источников, объектный массив, загрузочный массив, главный массив и массив потребителя.

Разделив массивы на отдельные информационные компоненты, составим схему их связей (рис. 2.3).


^ Рисунок 2.3 - Структура информационной модели станка с ЧПУ
В составленной информационной модели станка с ЧПУ процессы преобразования одних векторов в другие описываются следующим образом.

Вектор входной информации (01) от устройств электроавтоматики (путевых и конечных выключателей, датчиков) принимает участие в формировании вектора состояния системы (2.1), который используется для формирования вектора рабочего кадра (3.3) и для учета блокировок и защит.

Вектор входной информации (02) от пульта оператора используется в формировании вектора режимов (1.1), вектора задач (1.2), вектора кадра (1.3), вектора коррекций положения инструмента (1.4), вектора визуализации (1.5), а также вектора коррекции режимов (3.4).

Эта информация необходима для формирования вектора буферного кадра (2.2), векторов управления автоматикой (2.3, 4.2) и средств индикации (4.3), а также введения коррекции координат в вектор рабочего кадра (3.3).

Вектор буферного кадра (2.2) вместе с вектором состояния автоматики (2.1) формирует вектор инструкций рабочего кадра (3.3), согласно которому выполняются интерполяционные расчеты и задаются скорости движения (вектор 3.2), а потом формируются управляющие влияния на приводы (3.1, 4.1).

Преобразование массивов осуществляется двумя путями:

  • асинхронным автоматом, когда переход к новому массиву осуществляется по достижению необходимых условий;

  • системой прерываний, когда управление процессами осуществляется в режиме реального времени.

В системе прерываний высшие уровни приоритетов отдаются задачам, которые требуют быстрой реакции – обслуживания аварийных сигналов, управления автоматикой и приводами. Дальше приоритеты распределяются на задачи обслуживания панели оператора, формирования буферного кадра, обмена данными с верхним уровнем и т.п.

После создания информационной модели разрабатываются концептуальные (математические) модели процессов преобразования информации.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   16

Похожие:

Конспект лекций iconЭтика курс лекций (на основе книги: Этика (конспект лекций)
Этика (конспект лекций). – М.: «Приор-издат», 2002. Автор-составитель Аристотель. Никомахова этика. Сочинения: в 4-х т. Т. М.: Мысль,...

Конспект лекций iconКонспект лекций для студентов направления 070104 «Морской и речной транспорт»
Конспект лекций рассмотрены и одобрены на заседании кафедры «Судовождение» кгмту

Конспект лекций iconКонспект лекций Утверждено Редакционно-издательским советом в качестве...
Чижов М. И., Юров А. Н. Информатика и информационные системы: Конспект лекций. Воронеж: Воронеж гос техн ун-т, 2003. 148 с

Конспект лекций iconКонспект лекций по дисциплине «Безопасность жизнедеятельности»
Безопасность в чрезвычайных ситуациях и гражданская оборона. Конспект лекций. Рубцов Б. Н. М. Миит, 2001

Конспект лекций iconКонспект лекций для студентов сектора второго высшего образования...
Конспект лекций разработан кандидатом экономических наук, доцентом кафедры «Экономическая теория и кибернетика» Одесского государственного...

Конспект лекций iconКонспект лекций по дисциплине "инвестирование"
Конспект лекций по дисциплине «Инвестирование» для студентов экономических специальностей всех форм обучения Сост.: В. М. Гридасов...

Конспект лекций iconКонспект лекций Киров 2010 удк 681. 332
Теория автоматов (часть I). Конспект лекций /Киров, Вятский государственный университет, 2010, 56с

Конспект лекций iconКонспект лекций по дисциплине «Делопроизводство»
Опорный конспект лекций по дисциплине «Делопроизводство» для студентов 2 курса (3 семестр) сгф для направления 101100. 62 «Гостиничное...

Конспект лекций iconКонспект лекций Содержание Введение 4 Тема Экономическая теория:...
Предлагаемый читателям конспект лекций разработан в соответствии с типовой программой дисциплины «Основы экономических теорий» для...

Конспект лекций iconКонспект лекций по философии подготовлен в соответствии с типовой...
Философия : конспект лекций для студентов всех специальностей дневной и заочной форм обучения / сост. А. П. Мядель : Учреждение образования...

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
zadocs.ru
Главная страница

Разработка сайта — Веб студия Адаманов