Объекты процессов и потоков

Объектно-ориентированная структура операционной системы W2K облегча­ет разработку подсистемы для работы с процессами. Разработчики W2K вос­пользовались двумя типами связанных с процессами объектов: процессами и по­токами. Процесс - это объект, соответствующий заданию или приложению пользователя, который владеет своими собственными ресурсами, такими, как память и открытые файлы. Поток - это диспетчеризуемая единица работы, ко­торая выполняется последовательно и является прерываемой, что позволяет процессору переключиться на выполнение другого потока.

Каждый процесс в операционной системе W2K представлен объектом, об­щая структура которого показана на рис. 4.13,а. Каждый процесс определяется некоторым числом атрибутов и может предоставлять определенные сервисы, ко­торые он выполняет после получения соответствующего сообщения-запроса. Единственный способ вызвать такой сервис - отправка сообщения процессу, ко­торый его предоставляет. При создании нового процесса операционная система W2K использует класс или тип объектов, определенный как шаблон процесса для генерации новых экземпляров объектов. Во время создания объекта его ат­рибутам присваиваются конкретные значения. В табл. 4.3 приводится краткое описание каждого атрибута процессов.

Таблица 4.3. Атрибуты процесса в операционной системе Windows 2000

В операционной системе W2K процесс перед выполнением должен содер­жать хотя бы один поток, который затем может создавать другие потоки. В мно­гопроцессорной системе несколько потоков одного и того же процесса могут вы­полняться параллельно. На рис. 4.13,6 изображена структура объекта потока, а в табл. 4.4 определены его атрибуты. Заметим, что некоторые атрибуты потока подобны атрибутам процесса. Значения таких атрибутов потока извлекаются из значений соответствующих атрибутов процесса. Например, в многопроцессорной системе сродные потоку процессоры - это множество процессоров, на которых может выполняться данный поток; это множество совпадает с множеством про­цессоров, сродных процессу, или является его подмножеством.

Заметим, что одним из атрибутов процесса является его контекст. Содер­жащаяся в контексте информация позволяет операционной системе приостанав­ливать и возобновлять потоки. Более того, приостановив поток и изменив его контекст, можно изменить его поведение.

Многопоточность

Операционная система W2K поддерживает параллельное выполнение процессов, потому что потоки различных процессов могут выполняться одно­временно. Более того, нескольким потокам одного и того же процесса могут быть выделены различные процессоры, и эти потоки также могут выпол­няться одновременно. Параллелизм достигается в многопоточном процессе без накладных расходов на использование нескольких процессов. Потоки од­ного и того же процесса могут обмениваться между собой информацией с по­мощью общего адресного пространства и имеют доступ к совместным ресур­сам процесса. Потоки, принадлежащие разным процессам, могут обменивать­ся между собой информацией с помощью общей области памяти, установленной для этих двух процессов.

Объектно-ориентированный многопоточный процесс является эффективным средством реализации серверных приложений. Например, один обслуживающий процесс может обслуживать несколько клиентов. Каждый запрос клиента приво­дит к созданию в сервере нового потока.

Состояния потоков

Поток, созданный в операционной системе W2K, может находиться в одном из шести состояний (см. рис. 4.14). Перечислим эти состояния.

Готовый к выполнению. Поток, который может быть направлен на выпол­нение. Диспетчер микроядра отслеживает все готовые к выполнению потоки и осуществляет их планирование в соответствии с приоритетом.

Резервный. Поток, который будет запущен следующим на данном процес­соре. Поток находится в этом состоянии до тех пор, пока процессор не осво­бодится. Если приоритет резервного потока достаточно высок, то он может вытеснить выполняющийся в данный момент поток. В противном случае резервный поток ждет, пока не произойдет блокировка выполняющегося потока или пока не истечет выделенный ему промежуток времени.

Выполняющийся. Как только микроядро переключит поток или процесс, резервный поток перейдет в состояние выполнения и будет пребывать в этом состоянии до тех пор, пока не произойдет одно из следующих событий: поток будет вытеснен, закончится отведенный ему интервал времени, поток будет блокирован или завершен. В первых двух случаях поток снова переходит в состояние готовности.

Ожидающий. Поток входит в состояние ожидания, если (1) он блокирован каким-то событием (например, операцией ввода-вывода), (2) он добровольно ждет синхронизации или (3) среда подсистемы предписывает потоку, чтобы он сам себя приостановил. После того как условия ожидания будут удовлетворены, поток переходит в состояние готовности, если все его ресурсы бу­дут доступны.

Переходный. Поток переходит в это состояние, если он готов к выполне­нию, но ресурсы недоступны (например, страницы стека потока могут нахо­диться на диске). После того как необходимые ресурсы станут доступны, процесс переходит в состояние готовности.

Завершающийся. Завершение потока может быть инициировано самим по­током, другим потоком или может произойти вместе с завершением роди­тельского процесса. После завершения необходимых операций освобожде­ния ресурсов и т.п. поток удаляется из системы (или может быть сохранен исполнительной системой для дальнейшей повторной инициализации).

В этой статье мы поговорим на такие темы, как: планирование процессов операционной системой, выделение ресурсов процессу, состояния процесса в ОС .

Понятие «вычислительный процесс » (или просто «процесс») является одним из основных при рассмотрении свойств ОС. Последовательный процесс (задача) – это выполнение отдельной программы с ее данными на последовательном процессоре (программа, находящаяся в решении).

Например:

• Выполнение прикладных программ пользователей.
• Выполнение утилит и других системных обрабатывающих программ.
• Трансляция исходной программы, ее исполнение.

Планирование процессов

В первых вычислительных системах любая программа могла выполняться только после полного выполнения предыдущей задачи. Такой режим работы получил название однозадачного (однопрограммного ).

Поскольку первые вычислительные системы были построены в соответствии с принципами Джона Фон Неймана, все подсистемы и устройства компьютера управлялись исключительно центральным процессором. ЦП осуществлял и выполнение вычислений, и управление операциями ввода/вывода данных. Соответственно, пока осуществлялся обмен данными между оперативной памятью и внешними устройствами, процессор не мог выполнять вычисления.

Введение в состав вычислительной машины специальных контроллеров позволило совместить во времени (распараллелить) операции вывода полученных данных и последующие вычисления на ЦП. Однако все равно процессор продолжал часто и долго простаивать, дожидаясь очередной операции ввода/вывода. Поэтому было предложено организовать, так называемый, мультипрограммный (мультизадачный, многозадачный) режим работы вычислительной системы. Суть его заключается в том, что пока одна программа (один процесс или задача) ожидает завершения очередной операции ввода/вывода, другая программа (другая задача) может быть поставлена на решение.

Многозадачный режим можно охарактеризовать следующим образом:

• благодаря совмещению во времени двух задач общее время их выполнения становится меньше, чем, если бы мы выполняли их по очереди (запуск одной из них после завершения другой).
• время выполнения каждой задачи в общем случае становится больше, чем, если бы мы выполняли каждую из них как единственную: всякое разделение ресурсов замедляет работу одного из участников за счет дополнительных затрат времени на ожидание выполнения ресурса.

Выделение ресурсов

ОС поддерживает мультипрограммирование и старается эффективно использовать ресурсы путем организации к ним очередей запросов, составляемых тем или иным способом. Это требование достигается поддерживанием в памяти более одного процесса, ожидающего процессор, и более одного процесса готового использовать ресурсы, как только последние станут доступными.

При необходимости использовать какой–нибудь ресурс (оперативную память, устройства ввода/вывода, массив данных и др.) задача обращается к супервизору ОС (ее центральному управляющему модулю), посредством специальных вызовов (команд, директив) и сообщает о своем требовании. При этом указывается вид ресурса и, если надо, его объем (например, количество адресуемых ячеек ОП, количество дорожек или секторов на системном диске, устройство печати и объем выводимых данных).

Супервизор ОС может состоять из нескольких модулей: супервизора ввода/вывода, супервизора прерываний, супервизора программ, диспетчер задач и т.д.

Директива обращения к ОС передает ей управление, переводя процесс в привилегированный режим работы, если такой существует. Ресурс может быть выделен, задачей, обратившейся к супервизору с соответствующим запросом, если:

• он свободен и в системе нет запросов от задач более высокого приоритета к этому же ресурсу.
• текущий запрос и ранее выданные запросы допускают совместное использование ресурса.
• ресурс используется задачей низшего приоритета и может быть временно отобран (разделяемый ресурс).

Получив запрос, ОС либо удовлетворяет его и возвращает управление задаче, выдавшей данный запрос, либо, если ресурс занят, ставит задачу в очередь к ресурсу, переводя ее в состояние ожидания. Очередь к ресурсу может быть организована несколькими способами, но чаще всего это осуществляется с помощью списковой структуры.

После окончания работы с ресурсом задача опять с помощью специального вызова супервизора (посредством соответствующей директивы) сообщает ОС об отказе от ресурса, или ОС забирает ресурс сама, если управление возвращается супервизору после выполнения какой-либо системной функции. Супервизор ОС, получив управление по этому обращению, освобождает ресурс и проверяет, имеется ли очередь к освободившемуся ресурсу. Если очередь есть – в зависимости от принятой дисциплины обслуживания (правила обслуживания) и приоритетов заявок он выводит из состояния ожидания задачу, ждущую ресурс, и переводит ее в состояние готовности к выполнению. После этого управление либо передается данной задаче, либо возвращается той, которая только что освободила ресурс.

При выдаче запроса на ресурс задача может указать, хочет ли она владеть ресурсом монопольно или допускает совместное использование с другими задачами.

Если в системе имеется некоторая совокупность ресурсов, то управлять их использованием можно на основе монопольной стратегии. Стратегия подразумевает четкую формулировку целей, следуя которым можно добиться эффективного распределения ресурсов.

В однопрограммной ОС присутствует только один пользовательский процесс. В мультипрограммной системе на ресурсы могут претендовать много независимых процессов.

Планирование процессов – это управление распределением ресурсов процессора между различными конкурирующими процессами путем передачи им управления согласно некоторой стратегии планирования.

Состояние процесса

Процесс создается, когда выполнение задания пользователя начинается, и уничтожается, когда задание завершается.

Если обобщать и рассматривать не только обычные ОС общего назначения, но и, например ОС реального времени, то можно сказать, что процесс может находиться в активном и пассивном состоянии.

В активном состоянии (то есть во время своего существования) процесс может участвовать в конкуренции за использование ресурсов в ОС, а в – пассивном – он только известен системе, но в конкуренции не участвует (хотя его существование в системе сопряжено с предоставлением ему оперативной и/или внешней памяти).

В свою очередь активный процесс может быть в одном из следующих состояний:

• Выполнения (running ) – все затребованные процессом ресурсы выделены. В этом состоянии в каждый момент времени может находиться только один процесс, если речь идет об однопроцессорной вычислительной системе (процесс использует процессор для выполнения своих команд). В многопроцессорных системах при наличии соответствующей ОС количество активных процессов может достигать числа процессоров.
• Готовности к выполнению (ready ) – ресурсы могут быть предоставлены, тогда процесс перейдет в состояние выполнения (процессы не блокированы и не активны).
• Блокирования или ожидания (blocked) – затребованные ресурсы не могут быть предоставлены, или операция ввода/вывода не завершена (выполнение процесса может быть продолжено только после наступления некоторого ожидаемого им события).

Таким образом, возможные переходы из одного состояния процесса в другое в общем случае можно представить следующей схемой:

В любой момент времени выполняющимся процессом (т.е. использующим процессор) может быть только один процесс. При передаче управления процессу пользователя ОС устанавливает интервальный таймер. Тем самым задается квант времени, являющийся максимальным количеством времени процессора, на которое процесс получает управление. Если это время истекает, процесс переводится из состояния выполнения в состояние готовности. После этого ОС, согласно стратегии планирования, выбирает следующий процесс, находящийся в готовности, переводит его в состояние выполнения и передает ему управление.

Выбор процесса и передачу на него управления называют диспетчеризацией . Часть операционной системы, выполняющая эту функцию, называется диспетчером (dispetcher).

В обычных ОС (на рассматривая ОС реального времени) процесс появляется при запуске какой-нибудь программы. ОС организует (выделяет) для нового процесса соответствующий дескриптор процесса и процесс начинает выполняться. Поэтому пассивного состояния не существует.

В ОС реального времени ситуация иная. Обычно при проектировании системы реального времени уже заранее бывает известен состав программ (задач), которые должны будут выполняться. Известны и многие их параметры, которые необходимо учитывать при распределении ресурсов (объем памяти, приоритет, средняя длительность выполнения, открываемые файлы, используемые устройства и т.п.). Поэтому для них заранее заводят дескрипторы задач, с тем, чтобы в последствии не тратить драгоценное время на организацию дескриптора и поиск для него необходимых ресурсов. Таким образом, в ОС реального времени многие процессы (задачи) могут находиться в состоянии бездействия – пассивном состоянии.

Переходы между состояниями процесса

За время своего существования процесс может неоднократно совершать переходы из одного состояния в другое. Это обусловлено следующими факторами:

• обращениями к ОС с запросами ресурсов.
• обращениями к ОС с запросами на выполнение системных функций.
• взаимодействием с другими процессами.
• появлением сигналов прерывания таймера.
• появлением сигналов прерывания устройств ввода/вывода и др.

Возможные переходы процесса из одного состояния в другое отображены в виде схем состояний. Процесс из состояния бездействия может перейти в состояние готовности в следующих случаях:

1. По команде оператора (пользователя). Имеет место в тех диалоговых ОС, где программа может иметь статус задачи (и при этом являться пассивной), а не просто быть исполняемым файлом и только на время исполнения получать статус задачи (как это происходит в большинстве современных ОС).
2. При выборе из очереди планировщика (характерно для ОС, работающих в пакетном режиме).
3. По вызову из другой задачи (посредством обращения к супервизору один процесс может создать, инициировать, приостановить, остановить, уничтожить другой процесс).
4. По прерыванию от внешнего инициативного устройства (сигнал о свершении некоторого события может запускать соответствующую задачу).

Устройство называется инициативным, если по сигналу запроса на прерывание от него должна запускаться некоторая задача.

• При наступлении запланированного времени запуска программы.

Из состояния выполнения процесс может выйти по одной из следующих причин:

1. Процесс завершается, при этом он посредством обращения к супервизору передает управление ОС и сообщает о своем завершении. В результате этих действий супервизор либо переводит его в список бездействующих процессов (процесс переходит в пассивное состояние), либо уничтожает (уничтожается не сама программа, а именно задача, которая соответствовала выполнению некоторой программы). В состояние бездействия процесс может быть переведен принудительно: по команде оператора или путем обращения к супервизору ОС из другой задачи с требованием остановить данный процесс.
2. Процесс переводится супервизором ОС в состояние готовности к исполнению в связи с появлением более приоритетной задачи или в связи с окончанием выделенного ему кванта времени.
3. Процесс блокируется (переводится в состояние ожидания) либо вследствие запроса операции ввода/вывода либо в силу невозможности предоставить ему ресурс, запрошенный в настоящий момент, а также по команде оператора на приостановку задачи, или по требованию через супервизор другой задачи.

Таким образом, движущей силой, меняющей состояние процессов, являются различные события. Один из основных видов событий — это прерывание.

В широком смысле информацией является отражение одного объекта другим. Поэтому для существования информации необходимо наличие объекта, состояние которого отражается, отражающего объекта и условий, обеспечивающих прохождение процесса отражения. Если отражающему объекту предоставлена возможность целенаправленно воздействовать на состояние отражаемого объекта, то имеет место управление.

В самом общем виде система, в которой реализуется управление (система управления), включает (рис. 1.1): внешнюю среду, объекты управления, управляющие объекты и информацию! состояния.

Процесс управления состоит в следующем: окружающая среда, воздействуя на объекты управления, изменяет их состояние. В результате управляющие объекты получают информацию о состоянии объекта управления, анализируют ее и вырабатывают управляющее воздействие, которое переводит объекты управления в новое состояние. Так как управляющее воздействие состоит в отражении объектами управления состояния управляющих объектов, то оно также ассоциируется с информацией. В дальнейшем будем различать информацию состояния и информацию управления.

Процесс управления является непрерывным циклическим. Один замкнутый цикл включает следующие этапы: сбор от объектов управления информации состояния; преобразование информации состояния в информацию управления (формирование решений) и процесс передачи информации управления. В результате выполнения распоряжений объекты изменяют свое состояние, что вызывает новый цикл процесса управления.

Таким образом, процесс управления является процессом сбора, преобразования и передачи информации, в результате чего происходит изменение состояний объектов управления. В соответствии с этим важнейшим условием для осуществления управления

является обеспечение обмена информацией между объектами системы управления, которые, как правило, находятся на значительном удалении друг от друга.

Количество информации и неопределенность объекта управления

Количество информации, содержащейся в сведениях о том, что некоторый объект управления находится в состоянии,

где - вероятность нахождения объекта в состоянии.

Данная формула имеет наглядный физический смысл: чем меньше априорная (до поступления сведений) вероятность состояния, т. е. чем оно неожиданнее, тем больше информации содержится в сведениях о том, что оно наступило.

Математическое ожидание количества информации на одно состояние называется энтропией:

Энтропия является мерой неопределенности объекта управления. В идеальном случае, когда, во-первых, сведения от объектов управления содержат полную информацию о его состоянии и, во-вторых, информация не теряется в процессе передачи, при получении сведений управляющий объект определяет некоторое состояние объекта управления с апостериорной вероятностью Так как то Отсюда т. е. неопределенность объекта управления устраняется.

В реальных условиях сведения от объектов управления могут не полностью описывать его состояние, а часть сведений может быть потеряна в процессе передачи, т. е. Таким образом, передача сведений в практических случаях не полностью устраняет неопределенность объекта управления.

Количественно остаточная мера неопределенности объекта управления после получения от него сведений характеризуется условной энтропией, которая определяется вероятностью того, что управляющий объект получит сведения о нахождении объекта управления в состоянии в то время как он находится в состоянии

Усредненная по всем возможным состояниям объекта управления условная энтропия (назовем ее остаточной энтропией)

Таким образом, остаточная энтропия характеризует потери информации в процессе составления сведений об объекте управления и их передачи.

Требования системы управления к процессу передачи информации

Информация от объектов управления на управляющие объекты поступает не непрерывно, а в некоторые, в общем случайные, моменты времени в виде законченных массивов - сообщений. Поэтому неопределенность объектов управления изменяется во времени. Выработка на управляющих объектах корректной информации управления, которая обеспечивает успешное функционирование системы управления, возможна только до некоторого уровня неопределенности. При превышении этого уровня может произойти срыв процесса управления, так как управляющая информация перестает соответствовать состоянию объекта управления.

Рассмотрим диаграмму (рис. 1.2), иллюстрирующую изменение во времени энтропии объекта управления, т. е. неопределенность его состояния для управляющего объекта системы управления. На диаграмме: - максимальная энтропия, соответствующая случаю, когда вероятности всех возможных состояний объекта управления равны (максимальная неопределенность); - максимально допустимое значение энтропии, соответствующее максимально допустимой неопределенности, при которой еще возможна выработка обоснованной информации управления; - моменты обновления информации состояния объектов; - остаточная энтропия в момент окончания процесса обновления информации состояния объектов - промежуток времени, в течение которого отсутствует управление (интервал срыва управления)

Из диаграммы видно, что условием существования процесса управления является выполнение неравенства Величина определяется соотношением где - функция, характеризующая процесс изменения энтропии в промежутках между моментами обновления информации.

Таким образом, условием существования процесса управления для произвольного момента будет

Из приведенного неравенства вытекают два основных требования к обмену информацией в системе управления:

требования к надежности и верности передачи, определяющие остаточную неопределенность после приема информации ;

требования к допустимой задержке сообщений, определяющие допустимые интервалы обновления информации о состоянии объектов управления

Вообще говоря, между этими требованиями существует взаимосвязь. Действительно, из диаграммы видно, что при увеличении

Н ост, т. е. при снижении верности и надежности, процесс управления можно сохранить, если уменьшить сроки доставки информации.

Для обеспечения процесса передачи информации создается система передачи информации или система связи, в которой должны выполняться все требования, предъявляемые к процессу передачи.

Информация, передаваемая в системе управления, неоднородна по своему содержанию и может быть разбита по категориям, каждая из которых характеризуется некоторым уровнем требований к процессу передачи. Категории могут различаться по важности информации и срочности. В первом случае они называются категориями важности. К процессу передачи информации этих категорий предъявляются различные требования по надежности доставки. Во втором случае различают категории срочности, требования к которым отличаются по допустимой задержке.

Задание конкретных количественных требований по передаче различных категорий информации при строгой постановке задачи является чрезвычайно сложным, что объясняется необходимостью построения обобщенного критерия эффективности системы управления, учитывающего влияние потерь и искажений сообщений различных категорий в процессе передачи. На практике в каждом конкретном случае требования задаются на основе анализа характера взаимодействия источников и потребителей информации (пользователей), в процессе которого производится обмен. При этом необходимо учитывать, что завышение требований к системе приводит к значительным дополнительным затратам.

Рассмотрим основные предпосылки, которые могут быть использованы при задании требований к процессу передачи сообщений различных категорий.

Сообщения оповещения и телеметрическая информация. Эти категории могут быть объединены в силу общего алгоритма взаимодействия объектов системы управления, который состоит в следующем.

Датчики информации объектов управления, осуществляя контроль некоторых параметров системы, оповещают управляющий объект о возможном изменении ее состояния (в системах оповещения о возможной «катастрофе»). Управляющий объект на основе этой информации принимает решение и оповещает исполнительные объекты. Между моментом срабатывания датчика и моментом возможного изменения состояния системы, как правило, имеется некоторый интервал времени Тогда задержка информации оповещения в процессе передачи не должна превышать

где - время, необходимое соответственно для принятия решения и исполнения команды.

В настоящее время для систем оповещения, в которых объем передаваемой информации достигает нескольких десятков бит, время Тдоп выбирается от 0,1 до 10 с .

Ошибки в сообщении оповещения приводят к его невосприятию и, следовательно, к возможной «катастрофе». Исходя из этого допустимая вероятность ошибки в процессе передачи должна выбираться таким образом, чтобы не оказывать существенного влияния на общую вероятность возникновения «катастрофы». Требования надежности доставки сообщений оповещения могут задаваться из таких же соображений.

Под «катастрофой» обычно понимается событие практически недопустимое, поэтому достоверность и надежность доставки должны обеспечивать практическую невозможность ошибочного приема или пропадания информации оповещения. Понятие практической невозможности определяется в зависимости от области использования. Так, если задать, что система должна обеспечивать вероятность ошибки то для проверки выполнения этого требования необходимо осуществлять в течение нескольких десятков тысяч лет передачи с частотой 1 сообщение/с. Такой эксперимент нереализуем практически.

Если задаться величиной вероятности то испытания должны проводиться в течение приблизительно одного года, что является реальным сроком. Исходя из этого значения допустимой вероятности ошибки и потери сообщений оповещения в большинстве случаев выбираются в пределах

Требования к допустимой задержке телеметрической информации задаются так же, как в системах оповещения. Величина в данном случае определяется частотным спектром измеряемого процесса. Допустимые значения вероятностей ошибки и потери сообщения могут быть различными. Обычно более жесткими являются требования к достоверности передачи. Это объясняется тем, что при пропадании какого-либо из отсчетов измеряемого процесса последствия могут быть сглажены за счет информации соседних отсчетов. При появлении ошибки возможны резкий выброс отсчета и значительные изменения в действиях управляющего элемента.

Опыт эксплуатации ряда телеметрических систем в автоматизированных системах управления технологическими процессами показывает, что граничные значения вероятностей потери и ошибки следует выбирать равными и 10-5 соответственно. В некоторых, например радиолокационных, системах эти требования должны быть более жесткими, что объясняется интенсивностью контролируемых процессов и важностью задач, решаемых такими системами.

Диалоговая и справочная информация. Диалоговая информация передается между двумя объектами (оператор - оператор, оператор - ЭВМ) и включает запросы и ответы объемом от нескольких десятков до нескольких сотен бит.

Известно, что устный телефонный диалог теряет беглость, если задержка сигнала превышает 0,3 с. Если диалог организуется обменом текстов, то беглость утрачивается ввиду необходимости не только обдумывания, но и подготовки запросов и ответов. Исходя из этого беглость диалога в данном случае не может считаться критерием для задания требований к задержке информации.

С диалоговыми режимами связано понятие времени ответа - интервала от момента выдачи запроса до момента получения ответа. Дело в том, что данный режим обмена организуется в процессе решения оператором задач, требующих неоднократного обращения к удаленному объекту (оператору или ЭВМ). Решаемые при этом задачи целесообразно различать в зависимости от интенсивности обращения. Если процесс решения состоит из непрерывных циклов «запрос - ответ - корректировка», то время ответа должно выбираться таким образом, чтобы не нарушать хода умственной деятельности оператора. При этом верхней границей эффективности обратной связи является время 2 с (20].

В случае, когда задача распадается на ряд относительно независимых этапов, а диалог организуется циклами «подготовка данных для этапа - запрос решения по этапу - подготовка данных для этапа - внесение результатов этапа», оператор может прервать ход рассуждений и дождаться результатов по очередному этапу. При этом время ответа ограничивается временем, отводимым для решения задачи, и может выбираться в достаточно широких пределах. Желательно, чтобы оно совпадало со временем подготовки очередного этапа.

При выборе допустимых значений вероятности потери сообщения следует исходить из того, что в процессе диалога передача информации находится под контролем оператора. Задержка ответа больше определенных пределов может быть воспринята как потеря информации, что позволяет оператору возобновить цикл. Исходя из этого диалоговые системы не предъявляют жестких требований к надежности доставки сообщений. Так, вероятность потери информации, равная соответствует в среднем повторению одного из 1000 циклов, что составляет несколько десятков часов непрерывной работы оператора в диалоговом режиме.

Значительно большую опасность для диалоговых систем представляют ошибки в информации. Это обусловлено их кумулятивным влиянием на результаты решения. При той же вероятности 10-3 и в среднем 20 циклах, требующихся на решение одной задачи, ошибочные результаты будут получены в 4% задач. При вероятности ошибки 10-5 неправильные результаты следует ожидать в 0,004% случаев, что допустимо для большинства практических систем широкого назначения.

Справочная информация может запрашиваться в процессе решения задачи на одном из циклов вместо решения. При этом ее объем и требования к системе передачи аналогичны объему и требованиям, приведенным для диалоговой информации.

В специальном случае запрос справочной информации представляет собой самостоятельную операцию и связан с передачей, как правило, значительных объемов информации (до сотен тысяч бит), включающей набор сведений или числовых значений.

Справочная информация обычно запрашивается для относительно длительного использования и требует определенного времени на осмысливание. Например, для более или менее подробного просмотра таблицы чисел или набора сведений объемом 104 бит необходимо время порядка 10 мин. Очевидно, что задержка данной информации на время порядка 3 мин не окажет существенного влияния на эффективность работы оператора.

Выбор допустимых вероятностей ошибки и потерь знаков информации должен основываться на анализе содержания справочной информации. Если передаются таблицы чисел, то предпочтительнее потеря значений, а не ошибочная их выдача.

Большинство систем широкого использования вполне успешно функционирует при вероятности одного из этих событий порядка 10-6. Достаточно отметить, что содержание всей данной книги может быть передано не более чем с десятью ошибками или пропусками. С точки зрения пропадания всего запрашиваемого массива к надежности доставки не предъявляются высокие требования в силу наличия контроля со стороны оператора, как и в диалоговых системах.

При передаче смысловой справочной информации требования к ее надежности и достоверности задаются идентичными. Для того чтобы сохранить читаемость текста, обычно достаточно обеспечить значения вероятностей потери и ошибки порядка однако наличие в тексте чисел существенно ужесточает требования, как и в случае передачи таблиц.

Общие донесения и распоряжения. Под общими донесениями и распоряжениями будем понимать смысловую информацию, которая передается между людьми при решении в системе управления задач, не подлежащих автоматизации. Такие задачи связаны с циклами управления, в которых решение задачи в управляющем объекте или выполнение команды (распоряжения) требует значительного времени (часы, сутки). Поэтому допустимая задержка сообщений указанного рода может составлять от десятков минут до нескольких часов при объеме бит.

Допустимые значения вероятностей потери сообщения и ошибки, как правило, одинаковы и выбираются в зависимости от роли одиночного объекта управления. Естественно, что для распоряжений, предназначенных ряду объектов, эти значения должны быть выше.

В настоящее время имеется достаточно большой опыт в работе систем передачи такого рода информации, обеспечивающих вполне приемлемое качество функционирования систем управления при вероятностях потери или ошибки .

На рис. 1.3 приведены ориентировочные графики зависимости допустимой задержки информации, содержащей различные

сведения, от объемов этих сообщений в битах. Соответствующие группы сообщений образуют категории срочности.

Кроме основных требований по надежности, верности и задержке информации к системам передачи могут предъявляться некоторые дополнительные требования. Наиболее важные из них следующие:

обеспечение двустороннего обмена между объектами АСУ;

возможность передачи информации между любой парой объектов, от одного объекта ко всем или заданному множеству объектов, а также между объектами, изменяющими свое местоположение;

защищенность от несанкционированной передачи информации и ее получения;

предоставление преимуществ более важной и срочной информации.

Все перечисленные требования должны выполняться при минимальных затратах на создание и эксплуатацию системы передачи.

Структуры систем управления

На принципы построения систем передачи информации существенное влияние оказывает структура системы управления, определяющая взаимосвязь в процессе управления множества управляющих объектов и объектов управления.

Централизованная система управления (рис. 1.4, а) предполагает реализацию всех процессов управления в едином центральном

управляющем органе, который осуществляет обработку информации, поступающей от всех объектов управления об их состоянии. При выработке управляющей информации для каждого из элементов управления в централизованной структуре учитывается информация состояния всех объектов.

По такому принципу, в частности, строятся системы управления предприятиями.

В системах управления с децентрализованной структурой (рис. 1.4,6) для каждого объекта управления предусмотрен свой управляющий орган, с которым он обменивается информацией. Если при этом имеется единая цель управления, то управляющие органы в процессе выработки решений также могут использовать информацию о состоянии объектов управления в совокупности. По децентрализованному принципу построены, например, системы управления технологическими процессами.

Системы управления, имеющие комбинированную структуру (рис. 1.4, в), сочетают в себе черты централизованной и децентрализованной структур. Примером таких систем управления являются системы управления промышленными объединениями.

В системах с иерархической структурой (рис. 1.4, г) функции реализации управления распределены между несколькими соподчиненными органами с одновременным соблюдением принципа централизации. При этом управляющий элемент фиксированного уровня является элементом управления для элемента более высокого уровня и в свою очередь вырабатывает информацию управления для элементов более низкого уровня.

Обмен информацией состояния производится «снизу - вверх», а управляющей информацией - «сверху?- вниз». Не исключается возможность передачи информации состояния и между элементами одного уровня.

Частным случаем иерархической системы с двумя уровнями является централизованная структура с автономным управлением (рис. 1.4, д). Характерными примерами указанных систем служат системы управления отраслью.

Система передачи информации, создаваемая в интересах системы управления, строится либо с учетом структуры управления, либо независимо от нее. Следует учитывать, что в первом случае система передачи информации раскрывает структуру системы управления.

Формы информации в АСУ, понятие о данных и сети передачи данных

Автоматизированная система управления является системой, в которой решение задач по управлению осуществляется людьми с помощью комплекса технических средств. При этом обмен информацией происходит непосредственно между людьми, средствами автоматизации и людьми, а также средствами автоматизации. Информация передается в виде сообщений: между людьми -

телефонных и телеграфных, между техническими устройствами, а также между техническими устройствами и человеком - в виде сообщений данных. Как правило, сообщение данных - это формализованная информация, закодированная по определенным правилам с целью обеспечения возможности ее обработки техническими средствами.

Данные не предназначены непосредственно для человека как получателя информации. Осмысливание данных человеком может происходить только после их соответствующей обработки и представления в форме, удобной для их окончательного использования. Важной особенностью данных является то, что сообщения данных не имеют внутренней избыточности, в отличие, например, от телефонных и телеграфных сообщений.

На рис. 1.5 изображен принцип взаимодействия людей и устройств автоматизации в процессе управления на основе использования различных видов связи.

При телефонной связи происходит обмен информацией между людьми, причем этот процесс приближен к личному общению. Телеграфная связь также обеспечивает обмен информацией между людьми, но в этом случае информация предварительно оформляется в виде документов (телеграмм).

При передаче данных операторы получают информацию не непосредственно, а через абонентские пункты, в которых происходят преобразование ее в данные и обратное преобразование.

По мере дальнейшего внедрения средств автоматизации в системы управления роль данных в общем объеме передаваемой информации будет возрастать. Технические средства, являющиеся источниками и потребителями сообщений данных, могут быть разбиты на следующие группы:

1. Автоматические регистрирующие датчики, которые измеряют некоторую физическую величину и преобразуют результаты измерения в сообщение данных. Сюда же относятся устройства, обеспечивающие обратное преобразование сообщений данных в некоторую физическую величину.

2. Абонентские пункты (иногда их называют терминалом), которые предназначены для преобразования сформированной человеком информации в данные.

В настоящее время существует большое число различных типов абонентских пунктов, отличающихся сложностью и своими возможностями. Простейшие абонентские пункты состоят из телеграфного аппарата и электрической пишущей машинки или специального устройства для считывания информации с промежуточного носителя (перфоленты, перфокарты, магнитной ленты), на который ее заносит предварительно человек - оператор. Более сложные абонентские пункты позволяют осуществлять ввод и вывод информации с помощью электронно-лучевой трубки, что облегчает работу оператора по подготовке данных к передаче.

Наконец, существуют абонентские пункты, обеспечивающие некоторые функции по обработке сообщений (так называемые «интеллектуальные терминалы»).

3. Электронно-вычислительные машины и банки данных. Эти элементы осуществляют прием информации, ее обработку (решение задач), хранение и выдачу для передачи на любой абонентский пункт по требованию оператора этого пункта.

В АСУ все перечисленные технические средства автоматизации разнесены в пространстве на значительные расстояния, причем, как правило, необходимо обеспечить передачу данных между любыми двумя техническими средствами. Выполнение этой функции возлагается на систему связи, в которой создается специальная подсистема - сеть передачи данных (ПД). Абонентами такой сети могут быть как непосредственно технические средства, так и операторы, осуществляющие ввод и вывод информации.

Обычно ПД строятся и функционируют аналогично сетям телефонной связи, однако им свойствен целый ряд особенностей, которые в основном определяются высоким уровнем автоматизации процессов, обеспечивающих передачу информации.

Техническое состояние - это состояние, характеризующееся значениями параметров в данный промежуток времени, при конкретных условиях окружающей среды, которые установлены при этом технической документацией на данный объект. Факторов, способствующих изменениям технического состояния строительного объекта, множество, сюда относятся воздействия климатических условий, замена отказавших элементов конструкции объекта, старение с течением времени и так далее. При этом по значениям контролируемых (диагностических) параметров можно судить об изменении технического состояния объекта, а также определить такие изменения без применения разрушающих методов обследования. Много о строительном объекте и его техническом состоянии, а также характеристиках работоспособности отдельных элементов объекта, скажут конструктивные особенности сооружения. Проявляется это в их реагировании на воздействия различных факторов среды в процессе эксплуатации объекта. Так, например, качество выполнения строительно-монтажных работ влияет как на рассеивание начальных значений в характеристиках работоспособности объекта и его конструкций, так и на интенсивность перемены их значений в процессе эксплуатации здания.

Техническое состояние зданий и сооружений ухудшается постоянно - это неизбежно, так как в процессе их эксплуатации количественные значения показатели их работоспособности, такие как, например, надежность, неуклонно снижаются. Это происходит, в первую очередь, из-за изменений физических свойств материалов конструктивных элементов объекта, которые, кроме того, имеют различные характеристики сопряжения между собой, размеры и формы. Хотя и ухудшение технического состояния объекта закономерно иногда оно может носить и случайный характер. В этом случае утрата работоспособности элементов конструкции объекта происходит в течение долгого времени и с малой интенсивностью действия. Снижения показательных характеристик технического состояния объекта может произойти и внезапно. Такие процессы случайны, но имеют место быть в строительной практике. При этом работоспособность объекта снижается независимо, хотя и все протекающие процессы при этом взаимодействуют между собой при этом, что значительно затрудняет математический анализ отмеченного ухудшения технического состояния на поднадзорном объекте. Модель для рассмотрения процесса снижения работоспособности здания или сооружения не может быть единой и однозначной для всех, так для одного и того же объекта можно выбрать несколько моделей рассмотрения.

Существует две группы факторов, которые вызывают ухудшение работоспособности объекта, как в целом, так и в отдельных его элементах. Рассматривая их с точки зрения механизма воздействия, можно выделить причины внутреннего и внешнего характера. В случае внутренних причин могут быть физико-химические процессы, которые могут протекать в материалах, нагрузки на элементы объекта, дефекты производства и конструктивные факторы. К внешним причинам стоит относить климатические факторы, факторы внешней среды, воздействующей на объект, качество его эксплуатации, а также различные воздействия, которые предусматриваются системой технического ремонта и обслуживания строительного объекта. Строительная организация , обеспечивающая требуемую нормами работоспособность всех конструкций и элементов здания за конкретную длительность эксплуатации их, должна учитывать рациональные конструктивные решения, которые снизят до минимума затраты труда и финансовых средств.