КОМПЛЕКСИРОВАНИЕ МАШИН
— соединение двух или более вычислительных машин (ВМ) в одну систему (комплекс) для совместной работы с целью придания этой совокупности ВМ свойств, которыми они порознь не обладали. Различают три основных вида К.
комплексирование ЦВМ, комплексирование АВМ и построение комплексов из АВМ и ЦВМ.
а) Комплексирование ЦВМ в зависимости от назначения комплекса, целей комплексирования и состава оборудования осуществляют на разных уровнях. При К. м. на уровне внеш. устр-в любая из машин комплекса может обращаться к любому из внеш. устр-в. Возможен и такой уровень комплексирования, когда «обобществляются» оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) машин комплекса. Процессы обмена информацией между машинами при этом существенно ускоряются. Наиболее глубокая связь между машинами комплекса устанавливается тогда, когда перекрестные каналы существуют между ОЗУ, арифметическими устройствами и даже между блоками управления смежных машин. ЦВМ комплексируют для увеличения общей производительности созданной вследствие К. м. вычислительной системы, повышения эффективности использования отдельных ВМ и их блоков и увеличения надежности работы системы. В различных вариантах К. м. достигаются эффекты функциональной специализации, распараллеливания, общего запоминающего устройства, резервирования и взаимного контроля — т. н. эффекты комплексирования.
Эффект функциональной специализации состоит в значительном сокращении времени решения широкого класса
задач. Он достигается возложением в процессе работы системы разных спец. ф-ций на соответствующие этим ф-циям машины (мощности). Различают вычисл., обменные, интерпретирующие и др. мощности. К вычисл. мощностям относят ЦВМ с высоким быстродействием арифм. устр-ва; обменными мощностями считают ЦВМ, имеющие многочисленные мощные каналы связи с внеш. устр-вами и устр-вами обмена, хорошо приспособленные к выполнению операций такого рода.
1. Схема координационно-вычислительного центра в г. Пассадене (США).
2. Блок-схема аналого-цифрового комплекса «АЦЭМС-1».
Машины с хорошо развитой схемной интерпретацией входного языка, эффективно работающие в диалога режиме с оператором, — это интерпретирующие мощности. Конкретные ЦВМ можно одновременно специализировать в нескольких направлениях и, соответственно, применять их в качестве разных мощностей.
Эффект распараллеливания состоит в экономии машинного времени и достигается одновременным выполнением на разных машинах параллельных ветвей одного алгоритма- Эффект общего запоминающего устройства проявляется в гибкости распределения объема памяти и повышении эффективности его использования. Применительно к оперативному ЗУ этот эффект усиливается от расширения возможностей распараллеливания алгоритмов. В случае «обобществления» внешних ЗУ эффект усиливается при функциональной специализации. Эффект резервирования состоит в повышении надежности работы системы путем подмены вышедшей по какой-либо причине из строя машины другой, исправной. Эффект взаимного контроля — уменьшение среднего времени на обнаружение и устранение неисправности в машине, когда существует возможность возложить задачу контроля и диагностики неисправностей при отказе одной из ЦВМ на исправные машины комплекса.
Согласованная работа машин, составляющих комплекс, обеспечивается частично спец. аппаратурой, частично программным путем. Чем глубже связи между машинами комплекса, тем сложнее их реализовать аппаратурно. При наличии в комплексе машин, отличающихся по формату команд, по элементной базе и т. п., требуются дополнительные устр-ва сопряжения и согласования. Согласование машин, имеющих разные языки машинные, осуществляется, гл. о., двумя путями: моделированием одной машины на другой и переводом программ на промежуточный символический язык. В первом случае согласование осуществляется с помощью односторонних быстродействующих запоминающих устр-в («эмуляторов»), в которых каждая команда «старой» программы переводится в соответствующие команды «новой» программы. Во втором — входной язык комплекса переводится на спец. промежуточный язык, в определенном смысле близкий ко всем машинным языкам комплекса. Обмен между машинами происходит именно на этом языке. Основу программного согласования работы машин комплекса составляет совокупность спец. программ, называемая операционной системой комплекса, которая организует мультипрограммный режим работы отдельных ВМ и всего комплекса в целом, управляет вводом — выводом, осуществляет коммутацию внешней и оперативной памяти, реализует функциональную специализацию, распараллеливание алгоритмов, резервирование и контроль.
Комплексировать ЦВМ можно в вычислительных центрах (ВЦ) общего назначения, где имеется, напр., сверхмощная универсальная ЦВМ и несколько средних и малых машин. Последние выполняют обычно достаточно простые функции: обслуживание внеш. устр-в и пультов операторов, сортировку данных и контроль, а таке решение малых задач. Мощная ЦВМ используется при этом так, чтобы все ее сложнейшие функциональные блоки были загружены максимально. К. м. существенно повышает производительность ВЦ, способствует равномерной и эффективной загрузке его оборудования и рациональному использованию его мощностей. Возрастает не только к-во и объем решаемых задач, но увеличивается их разнообразие и сложность. ЦВМ комплексируют и в специализированных ВЦ, таких, как крупнейшие аэропорты, системы противовоздушной
обороны, системы обслуживания космических полетов и т. п. В этих случаях необходимость К. м. вызвана большим объемом решаемых задач и трудностью решения существенной их части в реальном масштабе времени. Кроме того, в большинстве таких систем настолько возрастает требование к надежности работы ВЦ, что машины должны работать в дуплексном (двойное резервирование) и даже в триплексном (тройное резервирование) режимах.
Примером комплекса ЦВМ может служить Центральный вычислительный комплекс (ЦВК) координационно-вычислительного центра в г. Пассадене (США) — одного из основных звеньев в системе наземного обеспечения космических полетов на Луну и другие планеты (рис. 1). ЦВК включает в себя две ЦВМ высокой производительности типа «IВМ-7094», две ЦВМ средней производительности типа «IBM-7040», две малые ЦВМ типа «IВМ-1401», накопители на магнитных дисках (НМД), распределительно-преобразовательные устр-ва (РПУ) и ряд вспомогательных блоков. Обе «IВМ-7094» используются в качестве осн. вычисл. мощностей. Машины «IВМ-7040» служат обменными мощностями, а также выполняют функции контроля всех элементов ЦВК. Машины «IВМ-1401» выступают в роли интерпретирующих мощностей, обслуживая пункт управления обменом информации (ПУОИ) и устр-ва вывода и отображения информации. РПУ совместно с «IВМ-7040» обеспечивают обмен данными с 48 внеш. устр-вами различного быстродействия. Макс. скорость обмена РПУ и ЦВМ составляет 62 500 слов в 1 сек. НМД имеют емкость по 54 млн. знаков и служат для хранения выходных и необработанных данных от «IВМ-7094», а также рабочих программ и констант. Устр-во управления НМД (УУ НМД) дает возможность осуществлять одновременный обмен с одной ЦВМ «IВМ-7094» и одной ЦВМ «IВМ-7040». Устр-во сопряжения машин (УСМ) обеспечивает обмен между машинами «IВМ-7094» и «IВМ-7040» 36-разрядными параллельными кодами, включается по запросу любой машины и используется в первую очередь для передачи управляющей информации между рабочими программами машин, а также для контроля при совместном использовании НМД. Связь между устр-вами ЦВК и внешними системами, в состав которых входит аппаратура контроля за полетом (АКП), система обработки телеметрической информации (СОТИ) и узел связи (УС), осуществляется посредством коммутатора (К). Для обеспечения надежной работы ЦВК предусмотрена возможность составления из элементов комплекса нескольких различных конфигураций дублирования и резервирования, одна из которых и выбирается в зависимости от требования к надежности и времени восстановления работоспособности ЦВК в текущий момент.
б) Необходимость комплексирования ЦВМ с АВМ вызвана появлением ряда задач, при решении которых требуется и высокая точность и универсальность цифровых машин, и большое быстродействие аналоговых. Эти задачи можно разделить на три группы. К первой группе задач относятся задачи моделирования в реальном масштабе времени динамики объектов, описываемых системами дифф. ур-ний, в которых переменные изменяются с разными скоростями и в разных диапазонах. Точность решения таких задач определяется гл. о. точностью представления медленно изменяющихся переменных. Примером такого типа объектов может служить летательный аппарат. Координаты его центра масс изменяются намного медленнее, чем переменные, описывающие его движение относительно центра масс. Положительный эффект от К. м. в этом случае достигается благодаря тому, что часть системы ур-ний, описывающая быстро изменяющиеся переменные, моделируется на АВМ, а другая часть — на ЦВМ. Ко второй группе задач относятся задачи, связанные с испытанием в процессе проектирования различных конструкций и алгоритмов работы цифровой управляющей машины с включением отдельных реальных узлов системы управления или управляемого объекта. Наличие реальных устр-в в модели требует реального масштаба времени ее работы (который во многих случаях можно осуществить лишь с помощью АВМ). Вместе с тем моделировать цифровую управляющую машину целесообразно в данном случае лишь на ЦВМ. Третья группа задач — это задачи, в которых система дифф. ур-ний является составной частью итерационного цикла. Такими задачами являются, напр., задачи оптим. управления или задачи статистического моделирования. Использование для решения системы дифф. ур-ний АВМ с ускоренным масштабом времени позволяет существенно сократить время решения таких задач.
Состав аналого-цифрового комплекса (АЦК) определяется его назначением. В общем случае этот комплекс содержит следующие части: аналоговую часть, цифровую часть, устр-во сопряжения и центр, пульт управления. В состав АЦК могут входить в вспомогательные узлы: индикационные и регистрационные блоки, узлы согласования, имитирующие блоки и т. п. Цифровая часть может содержать одну ЦВМ или комплекс ЦВМ различного класса и назначения. В аналоговую часть также может входить одна или несколько АВМ. Мощность и тип комплекси-руемых машин определяется объемом и характером предполагаемых задач. Осн. ф-циями устр-ва согласования являются преобразование формы информации из цифровой в аналоговую и наоборот, синхронизация работы машин и управление всеми блоками и частями АЦК с целью координирования их совместной работы и наибольшей автоматизации процесса решения задачи. Блок управления и синхронизации обеспечивает реализацию циклических программ и выдачу разовых команд, а также осуществляет привязку системы к реальному времени С центр, пульта управления организуют обращение к различным блокам АЦК и реализуют различные режимы работы АЦК.
К таким режимам можно отнести режимы пуска, останова, подготовки задачи, перевода системы на автономную работу отдельных машин, автономной проверки и отладки устр-ва сопряжения и режим тестовой проверки всего АЦК. Характерной особенностью работы с АЦК является необходимость программирования как аналоговой и цифровой части комплекса, так и способа их взаимодействия. В случае, когда аналоговая часть не допускает автомат, ввода информации, соответствующая часть задачи вводится непосредственно коммутацией на наборном поле АВМ и ручной установкой нужных параметров. Если же автомат, ввод в аналоговую часть возможен, вся программа решения задачи вводится в цифровую часть, которая затем полностью управляет аналоговой частью и перед решением задачи и в процессе решения.
На рис. 2 приведена схема аналого-цифрового комплекса «АЦЭМС-1», построенного на базе трехадресной универсальной ЦВМ средней мощности и двух аналоговых машин типа «МН-18». Комплекс «АЦЭМС-d» предназначен для решения нелинейных обыкновенных дифф. ур-ний в реальном масштабе времени и рассчитан на связь с реальной аппаратурой (РА). Для увеличения эффективности решения задач в АЦК созданы условия частичной автоматизации операций ввода и вывода данных, контроля результатов набора и решения задач. Работа вычисл. устр-в организуется единой системой управления ЦУУ. В системе имеются три осн. сигнала управления: «пуск», «останов» и «исходное положение», которые используются во всех устр-вах комплекса. Осн. режимами работы комплекса являются решение и контроль блоков. Устр-во преобразования информации УП-3 осуществляет преобразование машинных переменных, поступающих из аналоговой части в виде величин напряжений в цифровой код и наоборот. Комплекс «АЦЭМС-1» позволяет моделировать в реальном масштабе времени процессы, скорость изменения сигналов в которых не превышает скорости изменения синусоиды с амплитудой 50 в и частотой 5 гц. При этом, напр., точность решения задачи продольного полета самолета на один-два порядка выше, чем при решении на аналоговых машинах. Решение той же задачи только на цифровой машине с той же точностью требует увеличения масштаба времени в десять раз.
в) Комплексирование АВМ чаще всего связано со специфическими для АВМ ограничениями, накладываемыми на порядок системы решаемых ур-ний, на к-во нелинейностей и переменных коэфф. и т. п. В этом случае К. м. ведет к простому увеличению вычисл. мощности. При этом осуществляется построение модели системы ур-ний, в которой составными частями являются блоки двух или более аналоговых машин. Никаких существенных мер по стыковке и согласованию работы машин в этом случае принимать не приходится. Однако в ряде случаев комплексирование узко специализированных аналоговых машин дает качественный эффект. Напр., комплекс, состоящий из гидроинтегратора «ИГ-1» и электроинтегратора «ЭГДА-9-60» очень эффективно используют при решении задач конвективного теплообмена в слое. Процесс решения разбивают на последовательность временных интервалов, в каждом из которых сначала методом электрогидро-динамических аналогий решается на «ЭГДА-9-60» гидродинамическая часть задачи, а затем, используя полученный результат, методом гидротепловых аналогий на «ИГ-1» производится расчет теплового поля в этом временном интервале (см. ЭГДА, Моделирование на сплошных средах).
Лит.: Голубев-Новожилов Ю. С. Многомашинные комплексы вычислительных средств. М., 1967 [библиогр. с. 402—415]; Кудряшов И. А. [и др.]. Аналоговые и комбинированные электронные вычислительные машины. Л., 1969 [библиогр. с. 445—446]; Глушков В. М. [и др.]. Некоторые основные направления развития цифровой вычислительной техники. М., 1970 [библиогр. с. 91—94].
Л. А. Казакевич.
