Состояния процесса. Контроль технического состояния объектов в процессе их эксплуатации. Операции над процессами

Порождение – подготавливаются все условия для выполнения.

Готовность – предоставляются все ресурсы, но процесс не исполняется, из-за внешних, по отношению к нему, обстоятельств.

Активное состояние – непосредственное использование процессора.

Ожидание – процесс может быть прерван по ряду причин: попытка получения ресурса или отка от ресурса, порождение, уничтожение или другие действия по отношению к другим процессам, возникновение прерывания (арифметическое переполнение, обращение к защищенной области оперативной памяти и др.), общая необходимость синхронизации между параллельными процессами.

Окончание – нормальное или аварийное завершение работы.

15. Планирование процессов. Планировщик. Двухуровневая система управления процессами. Типы планировщиков.

В мультипрограммных ОС на ресурсы могут претендовать сразу несколько пользователей, то есть существует множество независимых процессов, поэтому ОС должна осуществлять планирование.

Планирование процессов – управление распределением ресурсов между различными процессами путём передачи им управления согласно опеределённой стратегии.

Диспетчеризация процессов – выбор процесса и передачу на него управления.

Диспетчер процессов – часть ОС, отвечающая за диспетчеризацию процессов.

Планировщик процессов – набор функциональных модулей, выполняющих операции, необходимые для управления процессом. Он отвечает за постановку процессов в очередь на выполнение и управляет структурой этой очереди.

Двухуровневая система управления процессами (используется в большинстве ОС):

• Долгосрочное планирование – верхний уровень. На этот уровень выносятся действия, редкие в системе, но требующие больших системных затрат. процесс рассматривается как совокупность состояний по использованию программы на виртуальной машине.
  Состояние порождения для данного уровня – создание планировщиком требуемой виртуальной машины. Особенность данного уровня в том, что источник требований на порождение работы является внешним относительно процессора. При порождении осуществляются следующие действия: резервируются все необходимые ресурсы, резервируется память, создаётся структура данных.
  Состояние готовность – предоставлены все ресурсы виртуальной машины, кроме виртуального процессора.
  Состояние окончание – освобождены все ресурсы, которые были использованы для построения виртуальной машины.
• Краткосрочное планирование – нижний уровень. На этом уровне моделируется на процессоре деятельность виртуального процессора.
  Состояние активность – выполнение работы на виртуальном процессоре. Заявка на нижнем уровне … на верхнем. Доступ любого задания к процессору осуществляется через системные программы планировщика и диспетчера.

Типы планирования:

• Единый планировщик - встроенный в ядро ОС, используется для всех заданий.
• Разделённый планировщик – планировочный модуль помещён в адресную часть каждой программы пользователя. Затем процесс осуществляет подпрограмму вызова, для постановки самого себя в очередь на исполнение. Это позволяет каждой программе иметь собственную стратегию планирования.

16. Классические дисциплины обслуживания очереди на исполнение процесса.

FIFO(First In – First Out) – минимизация дисперсии времени ожидания.

LIFO (Last In – First Out) – проста в реализации, является основой для построения стековой памяти.

Общим для LIFO и FIFO является то, что время ожидания запросов в очереди является одинаковым, независимо от характеристик процессора. Все процессы будут ожидать в очереди одинаково.

17. Алгоритм циклического планирования процессов.

Алгоритм основан на дисциплине FIFO.

Процессы выбираются из очереди и выполняются по порядку, начиная с первого. приоритет определяется линейным положением процесса в очереди. Недостаток: один процесс может занимать процессор длительное время. Для снятия этого недостатка каждому процессу выделяется интервал времени, квант. По истечении кванта процесс прерывается и помещается в конец очереди. Данный способ используется во многих ОС. Автоматически происходит дискриминация длинных и коротких запросов. Короткие запросы обслуживаются быстрее.

18. Алгоритм приоритетного планирования процессов. Статическое и динамическое приоритетное планирование.

Приоритет – число, характеризующее степень привилегированности процесса при использовании ресурсов (целое, дробное, больше нуля, меньше нуля).

Каждому процессу присваивается приоритет, который определяет его положение по отношению к другим процессам. Процесс с самым низким приоритетом называется холостым , так как он выполняет пустые инструкции. Приоритеты разбивают на группы ещё на этапе проектирования ОС. Количество групп выбирается таким образом, чтобы во время обработки не происходило окончание процессов в отдельных группах. Границы и число приоритетов могут быть различны.

Статическое приоритетное планирование – процессы при создании могут быть разделены по группам несколькимим способами: исходя из запросов на ресурсы, согласно приоритету программы, которой принадлежит этот процесс, согласно оценке времени данной программы, по типу процесса, независимо от используемых ресурсов.

Динамическое приоритетное планирование – приоритет измеряется, как функция разницы между необходимой услугой и услугой практически полученой, то есть процесс перемещается по группам приоритетов в зависимости от израсходованного времени или ресурсов.

19. Алгоритм адаптивно-рефлективного планирования процессов.

Алгоритм предполагает контроль над реальным использованием памяти. К началу планирования для каждого процесса устанавливаются ограничения на использование памяти и виртуального времени процессора. Далее ОС приспосабливается к рабочей области каждого процесса в течение всего времени его выполнения. Ограничения на память определяются оценкой текущего объёма памяти и оценкой вектора изменений этого объёма, полученного анализом работы процесса в течение предыдущего кванта времени. Если памяти достаточно, то выделяется временной интервал, причём его величина обратно пропорциональна максимальному объёму памяти, необъодимой процессу. Идея подхода – ориентировать систему на процессы с минимальной рабочей областью.

20. Вытесняющие алгоритмы планирования процессов.

Алгоритм использует стратегию, при которой текущий процесс может быть вытеснен другим процессом. Например, после обработки прерывания на выполнение ставится процесс с более высоким приоритетом. при этом вытесненный процесс должен быть повторно обработан планировщиком. Стратегия с вытеснением может чередоваться со стратегией без вытеснения. Например, для каждого процесса вводится два флага: процесс может быть захвачен или нет, и процесс может захватить другой или нет.

21. Многоочередные дисциплины обслуживания процессов. Простая и приоритетная дисциплины.

Организуются N-очередей. Все запросы поступают в конец очереди. Первый процесс из очереди (i) поступает на обслуживание лишь тогда, когда все очереди от (i) до (i – 1) пустые, если кванта времени не хватило, то недообслуживаемый процесс поступает в конец очереди с номером (i+1). Если процесс выходит за пределы очереди N, то возможны два варианта: либо он обслуживается до конца, либо по циклическому алгоритму.

Приоритетная многоочередная дисциплина обслуживания.

Поступающие процессы попадают в очередь в соответствии с имеющимися приоритетами.

Эти приоритеты определяются параметрами процессов. Во многих ОС алгоритмы планировки построены, как с использованием квантования, так и с использованием приоритетов. Например, в основе планирования может лежать квантование по величине или порядок выбора процесса из очереди определяется приоритетами процессов.

Переход оборудования из одного технического состояния (ТС) в другое обычно происходит вследствие повреждения или отказа.

Повреждение - событие, заключающееся в нарушении исправного состояния объекта при сохранении работоспособного состояния.

При повреждении работоспособность объекта сохраняется, но со временем повреждение может перейти в отказ, в результате чего работоспособность будет нарушена. Например, царапина на защитном покрытии печатной платы сначала не нарушает работоспособность прибора, но через определенное время под воздействием загрязнения, влаги и других факторов в этом месте может произойти замыкание проводников, которое приведет к отказу прибора.

Отказом называется событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта. Критерием отказа является признак или совокупность признаков нарушения работоспособности объекта, установленных в нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

Наряду с понятиями «повреждение» и «отказ» в теории надежности и технической диагностике используются понятия «дефект» и «неисправность».

Дефект - это каждое отдельное несоответствие объекта установленным требованиям. Если есть дефект, значит, хотя бы один из показателей качества или параметров объекта вышел за предельное значение или не выполняется одно из требований нормативной документации. Термин «дефект» в основном применяется при контроле качества продукции (объекта) на стадии изготовления, а также при ремонте, например при дефектации объекта, при составлении ведомостей дефектов и контроле качества отремонтированного объекта.

Дефект может быть конструктивным (при несоответствии требованиям технического задания или правилам разработки объекта) и производственным (при несоответствии требованиям нормативной документации на изготовление и поставку объекта). Примерами дефектов могут служить выход размера детали за пределы допуска, неправильная сборка или регулировка прибора, царапина на защитном покрытии и др.

Неисправность означает нахождение объекта (изделия) в неисправном состоянии. Этот термин применяется при использовании, хранении и транспортировании объектов (изделий). Находясь в неисправном состоянии, объект может иметь один или несколько дефектов. В отличие от термина «дефект» термин «неисправность» применяется не ко всем объектам. Так, не называют неисправностями недопустимые отклонения параметров материалов, топлива, химических продуктов.

Различие между исправностью и работоспособностью заключается в том, что работоспособность определяется выполнением основных требований, а исправность - выполнением как основных, так и второстепенных. Поэтому понятие «исправность» шире, чем понятие «работоспособность». Действительно, если прибор исправен, то он обязательно и работоспособен, работоспособный прибор может быть и неисправным.

В соответствии с ГОСТ 27.002-89 различают следующие виды состояния технических объектов.

Исправное состояние - это состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации. Состояние объекта, при котором он не соответствует хотя бы одному из требований нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации, называется неисправным.

Работоспособным называется состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих его способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативнотехнической и (или) конструкторской (проектной) документации. Под неработоспособным понимают такое состояние объекта, при котором значение хотя бы одного параметра, характеризующего его способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

Предельное состояние - это состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно.

При диагностировании объектов используют понятие правильного или неправильного функционирования.

Состояние правильного функционирования - состояние, при котором применяемый по назначению объект в целом или его составная часть выполняют в текущий момент времени предписанные им алгоритмы функционирования со значениями параметров, соответствующими установленным требованиям. Соответственно, в состоянии неправильного функционирования объект не выполняет предписанные алгоритмы функционирования с требуемыми значениями параметров.

Возможны случаи, когда существенное повреждение имеется в той части объекта, которая в обеспечении данного режима не участвует. В результате неработоспособный объект с учетом всех режимов работы может находиться в состоянии правильного функционирования. На пример, система автоматического удержания судна на курсе (авторулевой), работая в следящем или простом режиме, находится в режиме правильного функционирования. Главная обратная связь по курсу судна может быть неработоспособной и поэтому вместе с блоком коррекции в этих режимах не участвует.

Все множество возможных ТС объекта может быть разделено на подмножества состояний правильного и неправильного функционирования.

Рассмотрим взаимосвязь выделенных подмножеств ТС (рис. 3.1).

Пусть площадь, занятая на диаграмме прямоугольной фигурой В, характеризует множество всех возможных видов технического состояния объекта, а площади фигур И, Р и ПФ соответствуют подмножествам состояний исправного, работоспособного и правильно функционирующего (в определенном режиме) объекта.

Площади, дополняющие площади фигур И, Р и ПФ до площади В, обозначим как И, Р и ПФ. Им отвечают подмножества состояний неисправного, неработоспособного и неправильно функционирующего объекта соответственно.

Используя символику теории множеств, запишем соотношения для включенных друг в друга подмножеств:

Исправный объект всегда работоспособен и функционирует правильно, неисправный также может быть работоспособным и правильно функционирующим.

Объединение подмножеств и их дополнений приводит к полному (основному) множеству:

На рисунке показаны три характерных пересечения подмножеств:

- подмножество состояний неисправного, но работоспособного объекта (на диаграмме - это площадь с двойной штриховкой);

- подмножество состояний неработоспособного, но правильно функционирующего объекта.

Работоспособный объект может быть неисправным, но при этом правильно функционирующим. Неработоспособный объект всегда неисправен, но при этом он может быть правильно функционирующим в каком-либо режиме.

Правильно функционирующий в данном режиме объект может быть неисправным и с учетом всех режимов неработоспособным. Неправильно функционирующий объект всегда неисправен и неработоспособен.

Исправность и неисправность, работоспособность и неработоспособность, правильное и неправильное функционирование - это укрупненные технические категории, определяющие вид технического состояния.

Для облегчения задачи диагностирования каждый вид технического состояния подразделяют на группы состояний, которые характеризуются определенными общими свойствами. Переход объекта естественным путем из одной группы в другую означает появление совокупности физических дефектов, опознаваемых как обобщенный дефект.

Состояние объекта распознается с точностью до вида при его проверке и с точностью до группы при поиске дефекта. Если в результате проверки установлено, что объект работоспособен, можно определить группу (степень) его работоспособности. Если объект признан неработоспособным, то поиск дефекта осуществляется с точностью до группы неработоспособности, т. е. до обобщенного существенного дефекта.

Следует отметить, что отказ объекта может возникнуть в результате наличия одного или нескольких дефектов, но появление дефектов не всегда означает, что возник отказ. Таким образом, дефект, как и неисправность, в зависимости от его влияния на техническое состояние объекта может означать и повреждение, и отказ. В дальнейшем при диагностировании объектов будут рассматриваться дефекты, приводящие к отказу отдельного элемента или системы в целом.

Уровень технического состояния объекта (см. рис. 3.1) снижается под действием эксплуатационных факторов, приводящих к повреждению, отказу и переходу в предельное состояние из-за неустранимого нарушения требований безопасности, снижения эффективности эксплуатации, морального старения и др. Уровень технического состояния повышают путем проведения ТО и ремонта. Так, если в гирокомпасе перестала работать следящая система, следует говорить о возникновении отказа, так как нарушено одно из основных требований к нормальной работе гирокомпаса, и пользоваться таким прибором до устранения причины отказа нельзя.

Если перегорела одна из сигнальных лампочек на штурманском пульте, это не отказ, а повреждение, так как нарушается исправность только одной детали прибора и гирокомпас сохраняет свою работоспособность.

Назначением имитационной модели исследуемого объекта является воспроизведение с приемлемой точностью тех сторон процесса его функционирования, которые представляют интерес с точки зрения целей исследования. Для выявления сущности такого воспроизведения необходимо предварительно уточнить, что представляет собой процесс функционирования объекта, и что значит исследовать этот процесс.

Функционирование любого объекта сопровождается дискретным или непрерывным изменением одного, двух и большего числа относящихся к нему показателей, которые остаются неизменными (или даже приобретают строго определенные значения) в периоды «бездействия» объекта. Путем регистрации и анализа значений этих показателей можно установить, функционирует объект в данный момент или нет. Так, например, о функционировании производственного участка свидетельствует:

ü рост объема выпуска готовой продукции этого участка;

ü увеличение объема потребленного исходного сырья;

ü изменение уровня незавершенного производства участка и запасов исходного сырья,

ü отличный от нуля уровень потребления электроэнергии оборудованием участка и т.п.

На протяжении отдельных промежутков времени, относящихся к периоду функционирования объекта, тот или иной из рассматриваемых показателей может принимать постоянные значения, соответствующие случаю бездействия объекта. Однако хотя бы один из остальных показателей в течение тех же промежутков времени будет непрерывно изменяться или же приобретет значение, свидетельствующее о функционировании объекта. Таким образом, о функционировании любого объекта следует судить исходя из значений некоторого комплекса относящихся к нему показателей. Исследова

ние же процесса функционирования объекта сводится к изучению процесса изменения значений этих показателей во времени.

Функционирование исследуемого объекта может характеризоваться большим числом показателей. С точки зрения конкретных целей (задач) исследования, многие из этих показателей не представляют никакого интереса и могут быть исключены из рассмотрения. Что касается остальных показателей, то эти показатели как бы заменяются некоторыми абстрактными величинами, находящимися с ними в определенном соответствии. В зависимости от целого ряда факторов те или иные из указанных показателей могут представляться в виде величин, изменения которых во времени лишь приближенно соответствуют (в детерминированном или вероятностном смысле) действительным изменениям во времени этих показателей. Отдельные показатели, имеющие в действительности дискретный и вероятностный характер изменения, могут рассматриваться как величины, изменяющиеся во времени непрерывным и детерминированным образом; группы показателей могут заменяться некоторыми обобщенными величинами и т.д. Полученные в результате этого «заменители» упомянутых выше показателей считаются определенным образом взаимосвязанными. Для выделения и конкретизации таких взаимосвязей в комплекс рассматриваемых величин могут дополнительно включаться величины, играющие роль промежуточных и не представляющие самостоятельного интереса с точки зрения целей исследования. Благодаря этому, создается возможность составления формального (математического) описания отмеченных взаимосвязей, отражающего с той или иной точностью действительные взаимосвязи между соответствующими показателями функционирования исследуемого объекта.

Переход от полного набора показателей, характеризующих процесс функционирования исследуемого объекта, к ограниченному комплексу приближенно выполняющих ту же функцию величин, взаимосвязи между которыми могут быть описаны математически, является первым и весьма важным шагом на пути формализации (формализованного описания) этого процесса. Специфика отмеченного шага состоит в том, что при его выполнении одновременно осуществляется как бы замена самого исследуемого объекта его формализованным представлением, «функционирование» которого исчерпывающе характеризуется упомянутым комплексом величин.

Таким образом, исследование того или иного объекта, по сути дела, заменяется исследованием некоторой динамической абстрактной системы, являющейся формализованным представлением этого объекта. Функционирование такой системы полностью характеризуется комплексом величин, сформированных на этапе формализации процесса функционирования исследуемого объекта. Каждое сочетание конкретных, мгновенных значений указанных величин соответствует вполне определенному мгновенному состоянию системы. В связи с этим рассматриваемые величины можно назвать характеристиками состояния системы . Можно теперь сказать, что процесс функционирования системы представляет собой процесс изменения во времени ее состояния, а исследование этого или иного объекта сводится к исследованию процесса изменения во времени представляющих интерес характеристик состояния системы, выступающей в качестве формализованного представления этого объекта.

Заключительным шагом этапа формализации процесса функционирования исследуемого объекта является математическое описание взаимосвязей между характеристиками состояния системы и характеристик внешних воздействий. Тем самым как бы полностью завершается построение указанной системы и переход от исследуемого объекта к его формализованному представлению.

Для выполнения указанного шага могут быть привлечены самые разнообразные средства из арсенала математического анализа: дифференциальное и интегральное исчисление, теория вероятностей, теория множеств, алгебра логики и др.

Искомое математическое описание взаимосвязей между характеристиками состояния системы может иметь вид, например, совокупности математических соотношений, т.е. представлять собой то, что обычно называют математической моделью объекта. Такая совокупность математических соотношений учитывает внутреннюю структуру системы и полностью определяет процесс ее функционирования во времени. Следовательно, математическая модель объекта – это, по сути дела, сама система, представленная в данном случае в виде определенной совокупности математических соотношений (в отличие от реального объекта, имеющего один-единственный, строго определенный вид, абстрактная система может конкретно представляться в различных видах).

Другим конкретным видом представления системы, также выступающим в качестве математической модели объекта, является, например, графическое изображение структурной схемы этой системы совместно с математическим описанием процессов функционирования всех ее элементов, а также процесса воздействия на систему «внешней среды». Заметим, что из второго варианта представления системы может быть непосредственно получена математическая модель объекта в виде упомянутой выше совокупности математических соотношений и наоборот.

Что же касается самой системы – формализованного представления объекта – как таковой, то она может рассматриваться как математическая модель объекта «вообще» или, иначе говоря, как «абстрактная» математическая модель объекта.

Очевидно, что математическая модель исследуемого объекта должна обладать по отношению к последнему определенной степенью адекватности. Другими словами, в процессе функционирования системы, выступающей в качестве такой модели, характеристики ее состояния должны воспроизводить изменения во времени соответствующих показателей функционирования исследуемого объекта с точностью, определяемой целями исследования.

Предположим, что изложенный выше переход от исследуемого объекта к его математической модели успешно осуществлен. Дальнейший ход решения поставленных задач исследования объекта зависит от выбора метода целенаправленного изучения построенной математической модели. В первую очередь здесь следует попытаться применить те или иные аналитические методы. Если же применение таких методов существенно затруднено или просто невозможно, то указанные задачи исследования могут быть решены лишь путем воспроизведения и экспериментального изучения процесса функционирования сформированной абстрактной системы.

Функционирование системы, т.е. изменение во времени значений характеристик ее состояния, может быть воспроизведено различными способами в зависимости от используемых для этой цели средств (устройств, приспособлений). При этом в качестве характеристик состояния системы выступают определенным образом выбранные величины (показатели), в той или иной степени характеризующие функционирование данного устройства (например, для ЭВМ в качестве такого показателя может выступать объем используемой памяти или время, затрачиваемое на совершение конкретной операции).

Заметим также, что изменения значений характеристик состояния воспроизводится ЭВМ со скоростью, как правило, отличной от скорости изменения соответствующих показателей, характеризующих функционирование исследуемого объекта. При этом сохраняется необходимое соотношение между скоростями изменений всех характеристик состояния системы, так что последняя, моделируя функционирование исследуемого объекта, как бы функционирует в своем, особом времени, течение которого отлично от реального. Такое искусственное время, имеющее смысл лишь по отношению к данной системе, в литературе по имитационному моделированию называют системным временем , или модельным временем . С точки зрения формализованного описания исследуемого объекта, системное (модельное) время представляет собой независимую

переменную, функциями которой являются, в частности, все характеристики состояния системы.

Нетрудно видеть, что устройство, используемое для воспроизведения процесса функционирования данной абстрактной системы, выступает по отношению к этой системе совсем в ином качестве, нежели та или иная модель объекта по отношению к этому объекту. Модель объекта воспроизводит изменения во времени значений лишь части всех возможных показателей функционирования объекта, причем состав входящих в эту часть показателей зависит от целей исследования объекта. ЭВМ же воспроизводит изменения во времени всех без исключения характеристик состояния системы, независимо от целей ее исследования. Кроме того, режим функционирования ЭВМ полностью определяет «быстроту» изменений характеристик состояния системы в реальном времени и тем самым течение системного времени.

С точки зрения показателей функционирования рассматриваемого устройства, соответствующих характеристикам состояния системы, это устройство (определенным образом «настроенное») выступает в качестве некоторого имитатора данной системы. С указанной точки зрения то же самое устройство одновременно выступает и в качестве модели исследуемого объекта, которая в связи с изложенным выше обстоятельством может быть названа имитационной . Заметим, что имитацию процесса функционирования системы с помощью имитатора или, иными словами, воспроизведение процесса функционирования исследуемого объекта с помощью его имитационной модели естественно было бы теперь назвать имитационным моделированием объекта. Однако в данном пособии термин «имитационное моделирование» используется для обозначения процесса построения имитационной модели того или иного объекта.

Таким образом, на пути создания имитационной модели исследуемого объекта имеет место последовательный переход от объекта к его формализованному представлению – абстрактной системе и от этой системы к искомой имитационной модели (имитатору системы). Повторим, что в общем случае не точно, а приближенно абстрактная система воспроизводит функционирование исследуемого объекта, а имитатор – функционирование системы. Поэтому точность воспроизведения имитационной моделью представляющих интерес сторон процесса функционирования исследуемого (моделируемого) объекта зависит от выбора как формализованного представления объекта, так и устройства, используемого в качестве имитатора системы.

Резюмируя изложенное выше, можно сказать, в общем случае сущность воспроизведения функционирования исследуемого объекта состоит в имитации (тем или иным способом) изменений во времени значений всех характеристик состояния системы, выступающей в качестве формализованного представления (математической модели) указанного объекта. Данное обобщенное определение может быть конкретизировано по отношению к тому или иному виду устройства – имитатора системы.