|
Исследование возможностей ос linux для приложений реального времени с обработкой разнородной информации с помощью ат-моделирования
|
Скачать 94.61 Kb.
Дата |
27.08.2016 |
Размер |
94.61 Kb. |
|
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.
|
|
|