Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
PAGE 2
Лекция №13
Критерии выбора и оценки эффективности интерфейсов
При решении данной задачи необходимо использовать системный подход. Системный этап проектирования интерфейса, являю щийся наиболее сложным, сводится к обоснованию выбо ра интерфейса с учетом требований и ограничений конк ретной ИС. При разработке интерфейса основная задача заключается в выборе принципов организации и технической реализации информационного и управляюще го каналов интерфейса, обеспечивающего наилучшие тех нико-экономические показатели при его использовании в определенном классе ИС.
Решение задачи предполагает выбор и обоснование критерия эффективности и методов оптимизации интер фейсов при заданных ограничениях. Исходной информа цией для задания множества вариантов интерфейса яв ляются набор G структурных параметров и набор F ин терфейсных операторов. Если можно выделить набор Y обобщенных характеристик (критериев эффективности) интерфейса, то взаимосвязь организации и характеристик интерфейса определяется отображением H: = G * F—>Y. При известной целевой функции К задача обоснования выбора в терминах дискретного математического про граммирования сводится к отысканию экстремума К = extr {Y} на множестве Y0 ограничений. Решение данной задачи сводится к выбору таких вариантов организации {G,F}, при которых величина К принимает экстремаль ное значение, а значения обобщенных характеристик Y интерфейса не превышают установленных для них огра ничений Y0.
Большое число структурных параметров G и слож ность их взаимосвязи с характеристиками интерфейса Y являются основными причинами того, что задача выбора в строгой математической постановке становится трудно разрешимой. Решение задачи упрощается, если ограни чить область {G,F}, что исключает полный перебор вари антов. При этом оценка эффективности разделяется на следующие стадии:
Наиболее слож ным является определение соотношений, связывающих структурные параметры G с обобщенными характеристи ками Y и аналитическое выражение характеристик через критерий эффективности.
Структура интерфейса может быть определена размер ностью и схемой соединений и топологией связей. Размер ность соединений - это число независимых информационных каналов и степень совмещения во времени процессов информационного взаимодействия в интерфейсе. По раз мерности и степени совмещения связи разделяются на од номерные, двумерные и т. д. Существующие стандартные интерфейсы в основном имеют одномерную структуру, за исключением некоторых, ориентированных на использова ние в мультимикропроцессорных системах и сложных ИС.
Схема соединения определяет структуру информацион ного и управляющего каналов и сводится к параллельно му, последовательному и параллельно-последовательному вариантам. Основной характеристикой схемы соединения является степень связности, в соответствии с которой все структуры разделяются на слабосвязные и сильносвязные.
Топология связей характеризует взаимное размещение ПК, ИС и интерфейсных блоков в пространстве. Топология связей зависит от конструктивного размеще ния плат интерфейсных блоков и разделяется по классам в соответствии с условиями конструктивной совмести мости интерфейса на внутриблочную и межблочную.
Функциональная организация интерфейса характери зует способы построения и порядок взаимодействия ин терфейсных блоков.
Наиболее детально структура интерфейсов отражает ся сочетанием математических моделей и языков описания интерфейса (ЯОИ). Необхо димым дополнительным условием эффективного использо вания средств описания является декомпозиция интер фейса и интерфейсных блоков на функциональные неза висимые логические схемы, в частности на уровне интер фейсного блока таким логическим схемам соответствуют интерфейсные функции. Интерфейс как система сопряже ния, состоящая из совокупности интерфейсных блоков, объединенных унифицированным набором линий, может быть также разделен на функционально независимые схе мы - интерфейсные операторы.
Набор структурных параметров - размерности, схемы соединения, топологии связей и интерфейсных операто ров - селекции, координации и обмена позволяет систе матизировать возможные варианты интерфейсов.
Необходимо отметить, что структурные параметры харак теризуют информационный канал, а интерфейсные опера торы - управляющий. Учитывая это, задание всех воз можных вариантов информационного канала выполняется обычным перебором сочетаний структурных параметров, а анализ вариантов управляющего канала определяется возможными сочетаниями интерфейсных операторов с учетом различных принципов их построения. При этом, выбор структуры информационного канала и принципа функци онального построения управляющего канала взаимосвя заны, причем выбор интерфейсных операторов управляю щего канала существенно зависит от структуры информа ционного.
Например, выбор способа реализации оператора син хронизации определяется топологией информационного канала, селекции - размерностью и топологией интерфей са, координации - схемой соединения. Взаимосвязь струк турных и функциональных параметров позволяет сущест венно ограничить перебор благодаря отсеиванию заведо мо неприемлемых вариантов, охватывая максимальное число вариантов построения интерфейсов.
Среди технико-экономических показателей интерфей сов можно выделить несколько обобщенных показателей, совокупность которых может дать полную оценку интерфейса. К этим показателям обычно относят пропускную способность, вместимость, стоимость, надежность - время наработки на отказ. Рассмотрим более под робно данные показатели.
Пропускная способность определяет время передачи единицы информации между ФБ интерфейса. При этом, пропускная способность отличается от физической ско рости передачи информации. Пропускная способность за висит от времени, необходимого для установления связи, передачи единицы информации и разъединения связи, а также от длины массива данных, передаваемого за один сеанс связи. Физическая скорость передачи определяется минимальным циклом передачи единицы информации. Увеличение пропускной способности достигается в резуль тате сокращения удельных затрат на установление и разъединение связи, а также повышения физической ско рости передачи и увеличения разрядности информацион ного канала. Эти показатели зависят от схемы соедине ния, топологии шин, способа реализации операторов се лекции и синхронизации.
Вместимость характеризуется максимальным числом ФБ, которое может быть подключено к интерфейсу без использования дополнительных средств его расшире ния. Вместимость зависит от системы адресации интер фейса, нагрузочной способности приемопередающих эле ментов (ППЭ) и условий конструктивной реализации. Для большинства стандартных интерфейсов эта характе ристика определяется нагрузочной способностью ППЭ. Основными тех ническими средствами увеличения вместимости являются ретрансляторы сигналов для межблочных интерфейсов с кодовой выборкой. В случае, если ограничивающим фактором является система адресации, то используется или многократная адресация для межблочных интер фейсов с кодовой выборкой, или расширители для внутриблочных интерфейсов с радиальной выборкой. Вместимость тесно взаимосвязана с остальными характе ристиками интерфейсов. Ее увеличение вызывает сниже ние пропускной способности, надежности и увеличение стоимости интерфейса. Точная оценка показателей надежности интерфейса представляет достаточно сложную задачу. Реальная оцен ка, прогнозирование, а также сравнение по показателям надежности различных вариантов построения интерфей сов могут быть выполнены практически только прибли женными методами.
Составные элементы интерфейса для расчета показа телей надежности могут быть представлены в виде после довательно-параллельного соединения. Такими элемен тами являются: контроллер - устройство управления ин терфейса; интерфейсные блоки; набор интерфейсных ли ний, а также блоки питания контроллера и интерфейсных блоков.
При составлении схемы расчета показателей надеж ности интерфейса необходимо учитывать влияние отказов и сбоев на работоспособность всей ИС. Возникаю щие отказы (сбои) необходимо разделить на отказы (сбои) интерфейса, вызывающие полное и частичное нарушение работоспособности всей ИС. Полное нарушение работоспособности вызывается отказами следую щих составных элементов интерфейса: контроллера - для интерфейса с централизованным управлением; линий связи - общих для всех интерфейсных блоков; цепей эле ментов интерфейсного блока, формирующих устойчивый ложный сигнал хотя бы на одной из линий интерфейса, общей для всех блоков; блока питания контроллера - для интерфейса с централизованным управлением и интер фейсных блоков - для варианта, сочетающего децентрали зованную топологию и последовательную схему соедине ния.
Приближенные схемы расчета показателей надеж ности различных вариантов структурной организации интерфейса и их сравнение показывают, что наибольшей потенциальной надежностью обладает вариант с меж блочной топологией, децентрализованным управлением и параллельной схемой соединения.
Основными способами повышения надежности интер фейса являются увеличение размерности, обеспечиваю щей эффект резервирования, и снижение вероятности от казов, вызывающих полное нарушение работоспособности. Это достигается исключением влияния отказов интерфейс ных блоков на состояние линий связи. Надежность существенным образом зависит от вместимости.
Стоимость является одним из основных показателей, определяющих технико-экономическую эффективность интерфейса. Различают начальную стоимость, характери зующую затраты на интерфейс с одним источником и при емником, а также относительную (удельную) стоимость, определяемую затратами на интерфейс в пересчете на один интерфейсный блок. Точный расчет стоимости зат рат в большинстве случаев ,особенно на системном этапе проектирования, вызывает трудности ввиду того, что стоимость определяется расходами на разработку, изго товление, внедрение и эксплуатацию. Определение стои мости необходимо для сравнительного анализа технико-экономической эффективности интерфейсов. Поэтому в большинстве случаев достаточно приближенной оценки стоимостных затрат, включающих в себя затраты на контроллер, интерфейсные блоки, систему электропита ния, конструктивы и кабели связи.
Для распределенных ИС и сетей существенную ве личину составляют затраты на кабели связи, поскольку стоимость кабелей и их монтажа соизмерима или превы шает стоимость остального оборудования интерфейса. Затраты на линии связи в основном определяются сум марной длиной связей, которая, в свою очередь, зависит от пространственного расположения элементов сети. Оценка влияния конфигурации размещения и схемы сое динения на суммарную длину кабельных линий обычно выполняется для двух крайних случаев размещения устройств: линейного и плоского. Для упрощения рас стояния между соседними элементами принимаются рав ными, а плоская конфигурация представляется правиль ной геометрической фигурой.
Расчеты показывают, что для межблочной топологии соединение кольцевой структуры по сравнению с маги стральной вызывает увеличение длины кабельных связей почти на 100 %, а для внутриблочной топологии практи чески не зависит от схемы соединения.
Из сравнения межблочной и внутриблочной топологий в сочетании с различными схемами соединения следует, что наиболее экономичным является вариант параллель ного соединения (магистральной структуры) с межблоч ной топологией.
При решении задачи оценки эффективности интерфей сов в ИС основную сложность представляет выбор обоб щенного критерия эффективности. В большинстве случаев в качестве такого критерия принимают некоторые из основных технико-экономических показателей интерфей сов: пропускную способность (производительность), стоимость и надежность. Процесс оценки эффектив ности принятия решения по выбору приемлемого вариан та включает определение аналитической взаимосвязи обобщенных характеристик интерфейсов, количественную оценку показателей и графическое отображение характе ристик с последующим сопоставлением полученных ре зультатов. Такая последовательность позволяет получить семейства характеристик для определенных классов ин терфейсов, на основе которых разработчик оперативно может выполнять сравнение и выбор соответствующих интерфейсов с учетом требований разрабатываемой ИС. Недостатки подхода заключаются в приближенном ха рактере принимаемого решения, поскольку значимость каждой из сравниваемых характеристик оценивается субъективно, а также в том, что многокритериальный ха рактер оценки эффективности не позволяет принять реше ние, которое бы математически строго подтверждало его оптимальность.
Другой способ оценки эффективности и выбора интер фейса сводится к приведению многокритериального ха рактера оценки к однокритериальному. Суть спо соба заключается в исключении из рассмотрения менее важных, по мнению разработчика, характеристик и в аналитическом выражении основной характеристики (критерия эффек тивности) через оставшиеся с учетом определенных огра ничений. Примером может служить, например, критерий оценки эф фективности на основе информативности обмена и инфор мационной производительности интерфейса. Инфор мативность обмена характеризует степень совмещения во времени процессов установления и разъединения связи с процессом передачи данных. Этот показатель позволяет без учета физической скорости передачи данных оцени вать эффективность алгоритмов обмена и представляет собой отношение реального времени передачи информа ционного массива к минимально возможному с учетом полного совмещения во времени фаз взаимодействия. С учетом действительной скорости обмена используется общая и полезная информационные производительности интерфейса, представляющие собой отношения соответст венно общего количества единиц информации - данных, адресных, состояния, команд к минимально возможному времени передачи - при числе информационных сообще ний в массиве, равном единице. Аналогично вычисляют ся соответствующие характеристики с учетом ограничений программного обеспечения ввода-вывода.
Использование этих показателей позволяет определить производительность интерфейса, а также характеризует активность программы ввода-вывода по организации взаимодействия. Данный способ обеспечивает математи чески точную оценку критерия, однако исключение из рас смотрения ряда показателей делает проблематичной воз можность эффективного использования его для всех клас сов интерфейсов.
Более полно технический уровень интерфейса отража ет критерий эффективности интерфейса, получивший на звание добротности интерфейса Q, определяемый из соотношения
,
где I - разрядность информационной шины; А - исполь зуемое число адресов; К - используемое число команд; F - эквивалентное число команд, которые надо выпол нить при реализации эквивалентных аппаратурных функ ций устройства сопряжения; Т1 - время передачи одного слова; Т2 - дополнительное время обмена, определяемое интервалами подготовки и завершения операции обмена и идентификации запроса; М - число слов; d - коэффи циент, учитывающий ускорение обмена за счет введения режима прямого доступа в память; h - общее число шин интерфейса.
В критерии также учитываются структура системы шин и функциональная организация интерфейса.
В рассмотренных способах оценки в качестве ос новного критерия принимается пропускная способность (производительность, добротность). Более сложным и объективным представляется критерий производитель ность/стоимость.
Производительность определя ется средней пропускной способностью контроллера ин терфейса (средней интенсивностью обслуживаемого им информационного потока).
Стоимость выражается через затраты на реализацию, которые являются производной функциональной сложно сти устройств интерфейса. Функциональная сложность устройств представляется количеством информации, опи сывающей таблицу состояний их автоматных моделей. Значение функциональной сложности может быть выра жено через объемы схемотехнического оборудования (число корпусов ИС) и программного обеспечения. Ос новная трудность способа заключается в определении пропускной способности и функциональной сложности устройств. Кроме того, при оценке не учитываются пол ностью функциональные возможности, а также другие по казатели интерфейса.
Выполнение сравнения и оценки альтернативных ва риантов интерфейсов на основе рассмотренных критери ев встречает определенные трудности. Это связано с тем, что некоторые показатели невозможно связать аналити ческими зависимостями с обобщенными характеристиками интерфейсов, а некоторые вообще не поддаются коли чественной оценке. К таким показателям относятся: уро вень стандартизации, технологичность изготовления, про мышленное анонсирование, наличие диагностического обес печения.
Наиболее приемлемым приближенным способом оцен ки является сведение задачи многокритериальной оценки к однокритериальной. В качестве критерия эффективности удобен показатель оптимальности, представляющий ли нейную функцию частных показателей качества.
Основная трудность заключается в определении весо вых коэффициентов и в количественной оценке некоторых качественных показателей.
Наиболее приемлемым путем определения весовых ко эффициентов является использование стандартного мето да экспертных оценок или эвристического прогнозирова ния. Экспертами могут быть специалисты, разрабатываю щие ИС, для которых производится выбор интерфейса, специалисты организаций, внедряющих данные ИС, и специалисты, занимающиеся эксплуатацией ИС.
В соответствии с областью применения, на которую ориентируется тот или иной интерфейс, формируется со ответствующий набор показателей и характеристик. Наборы по существу отражают сте пень соответствия интерфейса требованиям, предъявляе мым к ним ПК и ИС, на которые интерфейсы ориентированы. Ограничения характеристик определяются достижимым техническим и технологическим уровнем реализации интерфейсов.
В настоящее время целесообразно при оценке обоб щенного показателя качества интерфейсов (интерфейс ных систем) использовать следующее распределение ве сов основных и вспомогательных показателей качества (на основе опыта применения методики оценки аналогич ных ИС):
технико-функциональные 05...0,6;
конструктивно-технологические и эксплуатационные 0,3...0,4;
стандартизации и унификации, патентно-правовые, эргономические, эстетические 0,1.
Технический уровень оцениваемого интерфейса опреде ляется по отношению к базовому, в качестве которого выбирается интерфейс аналогичного функционального на значения.
Разработка обоснованных методик, устанавливающих порядок выбора и оценки показателей качества интер фейсов, является актуальной и важной задачей, оптималь ное решение которой способствует повышению эффектив ности использования интерфейсов в ИС.