Geum.ru

Исследование возможностей ос linux для приложений реального времени с обработкой разнородной информации с помощью ат-моделирования к. т н. Астапкович А. М

Вид материалаИсследование

Содержание


Описание методики ат–моделирования
Описание методики ат–моделирования
Применение ат-моделирования для исследования
Пример пульта управления стендом
Свойств операционной системы
Результаты экспериментов и их интерпретация
Как явствует из приведенных выше результатов, АТ-моделирование представляет собой эффективную методику для решения задач системн
Подобный материал:



ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ОС LINUX ДЛЯ ПРИЛОЖЕНИЙ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ С ОБРАБОТКОЙ РАЗНОРОДНОЙ ИНФОРМАЦИИ С ПОМОЩЬЮ АТ-МОДЕЛИРОВАНИЯ.



к.т.н. Астапкович А.М., Касаткин А.А. (СКБ, ГУАП)


ВВЕДЕНИЕ




  • При создании многоканальных информационно-управляющих систем реального времени возникает ряд проблем системного характера, связанных с необходимостью параллельной обработки большого количества разнородных (в общем случае) потоков данных, а также передачи управляющих воздействий на подконтрольные объекты в реальном масштабе времени.



  • Современной тенденцией в данном направлении является применение персональных компьютеров в качестве пультов управления системы. В этом случае значительная часть функциональных свойств пультов управления и, следовательно, системы в целом, определяется возможностями, заложенными в программное обеспечение пультов. Непрерывно возрастающие возможности современных персональных компьютеров позволили начать на них применение UNIX-подобных операционных систем, относящихся к подмножеству Linux. Исходные тексты ОС LINUX распространяются свободно, что является безусловным плюсом этой операционной системы.



  • В пультах систем управления мобильными роботами имеется настоятельная необходимость обеспечить обработку разнородных потоков данных в реальном масштабе времени. Проблема существенно усложняется при необходимости использования в такого рода системах нескольких потоков сжатых видеоданных. В связи с этим возникает задача выбора программно-аппаратной базы для построения пульта информационно-управляющей системы, способной обрабатывать наперед заданное количество видеопотоков, а также обратная задача определения количества видеопотоков, обрабатываемых такой системой определенной конфигурации.



  • В докладе приводится описание и опыт использования методики моделирования взаимодействия приложений и операционной системы, основанной на аппарате АТ-карт, применительно к исследованию возможностей ОС Linux для решения задач обработки разнородной информации в реальном масштабе времени.



  • В соответствии с полученными результатами, представляется перспективным использование ОС Linux в качестве системного программного обеспечения пультов многоканальных информационно-управляющих систем реального времени с разнородными информационными потоками, включая высокоинтенсивные потоки сжатой видеоинформации.



ОПИСАНИЕ МЕТОДИКИ АТ–МОДЕЛИРОВАНИЯ




  • Методика АТ-моделирования представляет собой способ экспериментальной оценки поведения прикладных приложений и операционной системы, применительно к моделированию многоканальных систем управления реального времени;



  • АТ-моделирование является развитием методов теории массового обслуживания и представляет собой эффективную методику для решения задач системного анализа для многоканальных систем управления реального времени;



  • АТ-моделирование включает в себя следующие этапы:
  • определение параметров АТ-моделей исследуемых приложений;
  • написание соответствующих модельных приложений,
  • проведение экспериментов с модельными приложениями;
  • обработки результатов;


Обработка результатов зависит от конкретной решаемой задачи, но, как правило, будет требовать регистрации временных параметров выполнения модельных приложений и статистической обработки результатов измерений. Под временными параметрами можно понимать времена передачи управления каждому модельному приложению и времена окончания выполнения ими одной модельной задачи, соответствующей АТ-модели процесса-прототипа, например обработки одного видеокадра. Регистрация временных параметров при проведении моделирования выполняется отдельным измерительным приложением.









АТ-модель составляется для каждого исследуемого приложения и представляет собой упрощенное представление АТ-карты процесса. AT-карта k-го процесса описывается в виде прямоугольной матрицы описания ATk. Элементами матрицы ATk, представляющей собой описание карты адресно-временного подмножества, описывающего k-й процесс, являются 0 и 1. Элемент матрицы ATk (i,j) равен 1, если k-й процесс во временной такт j использует i-й адрес микропроцессора, в противном случае этот элемент равен 0. Этим обуславливается введение аббревиатуры АТ-карта – (Address-Time) адресно-временная карта.




ОПИСАНИЕ МЕТОДИКИ АТ–МОДЕЛИРОВАНИЯ




  • Предлагаемая методика использует простейшие АТ-модели приложения – описания, учитывающие максимальный размер оперативной памяти и число командных циклов, требуемых конкретным приложением для выполнения определенной задачи;



  • Знание этих параметров дает возможность создания модельных приложений, обеспечивающих возможность исследования поведения прототипов, в том числе при параллельной работе в различных комбинациях;



  • При этом комбинации модельных приложений соответствуют различным конфигурациям исследуемой информационно-управляющей системы, применительно к обработке информационных потоков, обслуживаемых системой. В зависимости от задач исследований, моделирование может также проводиться на различных компьютерах и с различными операционными системами;


Существенным отличием предлагаемого подхода от известных методов теории МО является работа с двумерными «заявками на обслуживание», а также способ проведения экспериментов. Каждая обрабатываемая «заявка на обслуживание» требует не только времени на обслуживание, но и соответствующих ресурсов памяти. Кроме этого, эксперименты проводятся не с моделью станции обслуживания, а с реальным программно-аппаратным комплексом, образуемым собственно персональным компьютером и операционной системой, под управлением которой происходит моделирование обработки разнородных информационных потоков в режиме реального времени.





ПРИМЕНЕНИЕ АТ-МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

СВОЙСТВ ОПЕРАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ LINUX


  • Предложенная методика была использована для моделирования работы информационно-управляющей системы, построенной на базе платформы передачи информации через IP-сети, на базе которой к настоящему времени реализован ряд экспериментальных стендов.





ПРИМЕР ПУЛЬТА УПРАВЛЕНИЯ СТЕНДОМ

ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ТЯГОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК





ПРИМЕНЕНИЕ АТ-МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

СВОЙСТВ ОПЕРАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ LINUX



Рассматривался пульт управления, реализуемый на ПК, к которому по сети Ethernet-10T подключаются IP-контроллеры сбора и управления и IP-видеокамеры. IP-контроллеры обеспечивают сбор информации с датчиков и управление распределенными объектами по командам с пульта. IP-видеокамеры служат для трансляции видеоинформации на пульт, при этом осуществляется захват и оцифровка аналогового видеосигнала, его сжатие с помощью алгоритма, построенного на вейвлет-преобразовании, и отправка сжатого видеопотока сетевому абоненту. Использование в системе видеопотоков, сжимаемых с использованием вейвлет-преобразования, требует большого количества вычислительных ресурсов и соответствующей пропускной способности коммуникационных каналов.




  • Были проведены исследования параллельной работы приложений сетевой платформы «IP Camera Controller» и «Виртуальный осциллограф» под ОС Linux в среде GNOME с помощью АТ–моделирования. При разработке АТ-моделей учитывалось время процессора, занимаемое вычислениями и выводом на экран, и количество памяти данных, требуемое для выполнения задач. Эксперименты проводились на ОС Linux версии 2.4.18-3 с дистрибутива RedHat версии 7.3 в среде GNOME.



  • По результатам измерений скорости работы данных приложений на ПК с процессором iCeleron 1333 и 256 Мб RAM были определены параметры АТ–карт и написаны модели «контроллера IP-видеокамеры» и «виртуального осциллографа» в среде Borland Kylix 2. Оценка скорости работы приложения «IP Camera Controller» состояла в измерении кол-ва кадров, декодируемых приложением за секунду, из видеопотока, записанного на диске. Оценка скорости работы «Виртуальный осциллограф» производилась косвенно, по загрузке процессора, информация о которой отображается в «системном мониторе» MS Windows.



  • При моделировании системы не учитывались дополнительные задержки при обработке видеоданных приложением «IP Camera Controller». Эти задержки связаны с необходимостью накопления данных, достаточных для расжатия одного видеокадра, разбитых, в общем случае, на несколько сетевых пакетов. Кроме этого предполагалась, что пропускной способности сети достаточно для передачи данных, т.е. выполняется условие:

,

где Тi – информационные потоки, передаваемые по сети, Рсети – пропускная способность сети.


ПРИМЕНЕНИЕ АТ-МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

СВОЙСТВ ОПЕРАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ LINUX


Результаты экспериментов и их интерпретация



Измерительное приложение осуществляло измерение общей производительности тестовых приложений и вычисление усредненных скоростей их работы за разный период. Это приложение получало информацию о выполненной работе от тестовых приложений с помощью интерфейса локальных сокетов, и обеспечивало вывод в цифровом и графическом виде динамику работы приложений.

Проводились эксперименты на двух компьютерах: настольный ПК с процессором iCeleron 1333 (и 256 Мб RAM) и Laptop IBM Think Pad 600 с процессором iPentium II 300 (и 96 Мб RAM).

Во время экспериментов производилось измерение следующих характеристик для различного количества параллельно работающих тестовых приложений:
  • равномерность распределения процессорного времени между приложениями за разные промежутки времени;
  • изменение скорости работы приложений в зависимости от их количества и количества каналов для модели «виртуального осциллографа».

Измерения загрузки процессора в экспериментах проводились с помощью системного монитора GNOME, временных параметров работы приложений – отдельным измерительным приложением.




















ВЫВОДЫ




  • Для восприятия непрерывного движения требуется отображать не менее 4-5 кадров в секунду, это обеспечивается при наблюдении 4-5 видеопотоков на настольном ПК и при наблюдении одного потока на портативном ПК при отображении полноразмерных кадров.



  • При любом количестве моделей «контроллера видеокамеры» процессорное время в среднем распределяется между ними равномерно, пока не достигнут предел доступной оперативной памяти. Далее производительность резко падает, в основном за счет операций с разделом подкачки (swap), скорость работы разных экземпляров приложения различается в несколько раз. Согласно результатам моделирования, система на базе настольного ПК работает устойчиво при параллельном функционировании до 28 моделируемых приложений при средней скорости обработки информации 23-25 кадров/сек., на базе портативного ПК – при параллельном функционировании до 8 моделируемых приложений при средней скорости обработки информации 6-7 кадров/сек.



  • Согласно полученным результатам, обеспечивается обработка данных с трех измерительных каналов на портативном ПК и с шести каналов на настольном ПК. Результаты измерений, полученные для настольного и портативного ПК, качественно слабо отличаются друг от друга. Но из-за разницы в производительности компьютеров те же временные характеристики обеспечиваются при разных количествах параллельно работающих приложений.


  • Как явствует из приведенных выше результатов, АТ-моделирование представляет собой эффективную методику для решения задач системного анализа.



  • Эта методика позволяет производить комплексное моделирование систем управления на ранних стадиях разработки и, фактически, обеспечивает возможность проектирования системы по технологии “сверху–вниз”.



  • Предлагаемая методика носит универсальный характер, так как обеспечивает возможность многофакторного анализа для многоканальных систем управления реального времени с разнородными информационными потоками.



  • Обеспечивается также возможность оценки перспектив масштабирования системы за счет возможности количественного сравнения вариантов реализации в терминах функциональных параметров моделируемой системы. При этом имеется возможность сравнения предполагаемых к использованию аппаратных средств, а также проведения исследований операционных систем и режимов диспетчеризации процессов.