§ 5. Математическое обеспечение

Математическим обеспечением любой автоматизированной системы управления называется комплекс программ, языков, описаний и инструкций, осуществляющий требуемое взаимодействие всех элементов системы в процессе ее функционирования. В математическом обеспечении АСУП можно выделить две составные части:

Рис. 11. Структура системного математического обеспечения

системное (общее) математическое обеспечение; прикладное (функциональное) математическое обеспечение. Системное математическое обеспечение предназначается для организации вычислительных процессов и управления ими, эффективного использования оборудования, автоматизации процедур составления и отладки программ. В соответствии с назначением в него включаются (рис. 11):

операционная система, обеспечивающая организацию вычислительных процессов, эффективную загрузку оборудования, требуемый порядок прохождения программ и связь с оператором;

система программирования, автоматизирующая процесс программирования и включающая трансляторы с алгоритмических языков и программные макросредства, обеспечивающие использование библиотек, представленных на уровне исходных или абсолютных модулей;

система управления информационной базой, предназначенная для организации информационных массивов, их ведения и поиска по запросам, регистрации (статистики) движения данных;

система контроля и диагностики;

система программной и информационной устойчивости, осуществляющая сохранность программ и информационной базы, а также нейтрализующие последствия различных возмущений в процессе обработки данных.

1. В математическом обеспечении АСУП операционные системы играют ведущую роль как организаторы работ ЭВМ и внешней периферии (регистраторов производства), обеспечивающие работу с линиями связи, прием и первичную обработку информации, организацию прохождения и взаимодействия прикладных программ. Операционная система является связующим звеном между интегрированной технической базой и прикладным программным обеспечением.

Функционально-операционная система АСУП состоит из отдельных служб, каждая из которых представляется комплексом программ, выполняющих определенные задания при машинной обработке данных. К числу таких служб относят:

управляющий комплекс;

службу обработки и отладки заданий;

службу массивов и файлов;

службу ведения библиотек;

службу ввода-вывода информации;

службу телеобработки;

службу статистического анализа вычислительного процесса.

Управляющий комплекс является центральной частью операционной системы и обеспечивает все административные процедуры по управлению режимами функционирования ЭВМ с максимально возможной производительностью системы обработки данных, а также автоматизацию централизованного управления программным хозяйством, планирование выполнения работ и осуществление надзора за ними.

Служба обработки и отладки заданий выполняет функциональные программы в требуемых режимах и является средством, подготавливающим необходимое решение в случае аварийных ситуаций, возникающих, как правило, из-за неправильных исходных данных или сбоев при обработке. На эту службу возлагаются функции выполнения определенного круга действий, направленных на нейтрализацию последствий таких ситуаций в ходе функционирования программ АСУП.

Служба массивов и файлов математического обеспечения предназначена в основном для оперативного управления участвующей в вычислительном процессе информации, представляемой в виде массивов или файлов. При этом под массивом понимается совокупность данных, интерпретируемая как бесформатные цифровые векторы произвольной длины.

Файл — это совокупность данных со строго определенной структурой, т. е. имеющая заданный формат. Приведение больших объемов информации к определенному формату со статусом файла облегчает обработку хранимых в файлах данных.

К числу важнейших функций службы файлов относятся: ведение каталога файлов, снабжение функциональных программ нормативно-справочной и планово-экономической информацией, редактирование файлов.

Служба ведения библиотек предназначена для накопления и многократного использования различных программных модулей, которые обеспечивают планово-экономические и технические расчеты АСУП. Размещение оперативного библиотечного хозяйства осуществляется на ресурсах памяти операционной системы.

Служба ввода-вывода информации организует обмен с внешними устройствами ЭВМ и обработку прерываний, сбоев и специальных сигналов устройств ввода-вывода.

Служба телеобработки решает следующие задачи: прием информации с периферийных терминальных устройств в реальном масштабе времени и вывод информации на периферийные терминалы;

перекодировку информации и'з кода терминального устройства во внутренний код представления данных в ЭВМ; обеспечение диалога человек — машина;

сигнализацию службе обработки заданий о готовности к обработке данных для функциональных программ.

Операционная система АСУП ориентирована на прием информации в реальном масштабе времени, поэтому служба телеобработки должна быть постоянно готова воспринимать данные по мере поступления и сохранять их в «очереди», если обработка не может быть выполнена немедленно.

Вопросы форматного редактирования решаются путем разработки и реализации специального языка для описания форматов. Служба приема информации с периферийных терминалов проектируется как комплекс программ, функционирующих на ресурсах

операционной системы под руководством управляющего комплекса.

Служба статистического анализа вычислительного процесса является средством накопления статистических данных для анализа и контроля использования программного обеспечения и позволяет активизировать процесс функционирования вычислительной системы и определять пути ее совершенствования.

2. Системы программирования АСУП предназначены для автоматизации процессов разработки и отладки как функциональных, так и управляющих (обслуживающих) программ. Основу указанных систем составляют алгоритмические языки различного уровня, назначения и трансляторы с этих языков на машинный язык.

В настоящее время в СССР приняты следующие унифицированные алгоритмические языки;

Кобол — для решения планово-экономических задач; Алгамс (подмножество Алгол-60)—для решения научных и инженерных задач;

Фортран—для решения научных и инженерных задач на машинах большой и средней мощности;

БЭЙСИК Фортран — для решения научных и инженерных задач на малых машинах;

РПГ — для решения учетно-отчетных задач; ПЛ/1—универсальный язык для решения широкого круга различных задач.

Рассмотренные языки относятся к классу проблемно-ориентированных языков. С их помощью пользователь ЭВМ может формулировать свои задачи, абстрагируясь от машины, реализующей процесс вычисления. Системы, базирующиеся на проблемно-ориентированных языках, существенно упрощают процесс составления программ. Однако в данном случае при трансляции программ, как правило, не обеспечиваются оптимальные эксплуатационные их характеристики.

Машинно-ориентированные языки типа Ассемблера предназначены для автоматизации значительной части технической работы при составлении программы решения задач, но предполагают знание и использование особенностей логической структуры конкретной ЭВМ,

Одним из .возможных способов автоматизации программирования является метод, основанный на макросредствах, которые ориентированы на процессы обработки информации и данных задач АСУП. Макросредства системы реализуются стандартными и типовыми программами и подпрограммами, которые образуют библиотеку (БСП), из модулей которой можно комбинировать большую часть рабочих программ решения задач.

Разработка прикладных программ в этом случае практически сводится к определению последовательности процедур и к написанию обращений к ним. При необходимости выполнения специальных преобразований блоки пишутся программистом и размещаются между соответствующими стандартными процедурами.

Типовая программа, составленная по методу компоновки, со-- гоит из следующих частей:

ядро программы;

информационные таблицы;

параметры заказа.

Ядро программы содержит все необходимые операторы и об-ращения к используемым стандартным процедурам. Оно вклю-чпется в библиотеку стандартных подпрограмм, откуда и считы-

гся для выполнения в соответствии с очередью заказов.

Информационные таблицы определяют условия работы про-рримм применительно к конкретным ситуациям.

Параметры заказа являются элементами, внешними по отношению к программе, и непосредственно в ее состав не входят; "пи задаются программе. В соответствии с параметрами заказа программа считывает необходимые информационные таблицы,

м.ишя файлов, организует доступ к нужным файлам, а затем

выполняет решение задачи.

3, Важнейшим компонентом АСУП является система управления информационной базой. Система, как правило, выполняет сле-

цующие задачи:

Л01 КЧвСКую И физическую организацию данных;

накопление, обновление и управление данными;

организацию различных видов поиска данных и служебных операций над ними;

'пяль с прикладными программами через макросредства БД;

обеспечение защиты и санкционированного доступа абонентов ■ ||иным с учетом уровня их компетентности.

Система представляет собой комплекс управляющих и транслирующих программ для реализации определенной архитектуры ||орм,111,нон1юй базы и системно-технических методов организации гс комплексов.

При т. ре архитектуры системы учитываются такие аспекты,

киь рмэличия и определении элементов данных, набор операций,

II] i .in над хранящимися данными, изменяемость структуры,

'■ритм |ация связи между массивами и их элементами.

ll.i нижнем уровне этой системы располагаются программы, р' |дизующие механизмы, организующие массивы данных и их 1вМвНТЫ па физическом уровне, а также присвоение приоритетно, hi сообщениям и построение очередей обслуживания. На сле-ЮЩем уровне формируются таблицы описания данных и катании ебязей между массивами и их элементами на логическом ровне. Иерархически старшим над этим уровнем является уро-i 'in, программного механизма доступа к данным, ориентировании о на пользователя (абонента) и на соответствующую форму обращения к базам данных. На этом уровне могут, использоваться КПК различные стандартные алгоритмические языки (Кобол, ПЛ/1 п т п.). так и специально разработанные языки манипулирования 1 шш.ши. Особым уровнем выделяется комплекс программ, который обеспечивает производственную надежность, защиту и сохранность данных, а также эффективность функционирования информационной базы в целом.

4. Большое количество и сложность аппаратных и программных средств АСУП наряду с конечной надежностью их работы требуют включения в состав математического обеспечения систем контроля и диагностики, которые содержат комплекс контрольных тестов, предусматривающих регламентную и текущую проверку состояния системы в специальных режимах, предупреждение неисправностей селекцией критичных элементов, энергетическую, информационную и логическую настройку ее элементов на заданный режим и вид работы, регламентную и профилактическую наладку АСУП.

Служба диагностики отказов этой системы обеспечивает автоматический поиск неисправностей системы, статистический анализ отказов и выработку рекомендаций по их предупреждению.

5. Система программной и информационной устойчивости содержит:

средства фиксации и динамического дублирования (в определенные моменты времени) состояний работающих программ и обрабатываемой информации;

средства устранения последствий случайных сбоев аппаратуры;

средства восстановления состояния системы после сбойно-аварийных ситуаций;

средства регенерации и логического контроля всего информационно-программного хозяйства АСУП. '

Прикладное (функциональное) математическое обеспечение АСУП (рис. 12) представляет собой комплекс программ, разработанный на базе системного Математического обеспечения для реализации различных функциональных задач в интересах пользователей автоматизированных систем управления предприятием.

Прикладное математическое обеспечение, предназначенное для реализации функциональных задач, состоит из двух основных частей: системы пакетов прикладных программ, ориентированных на автоматизацию крупной функции управления, и системы стандартных прикладных программ, ориентированных на отдельные задачи управления или стандартные функциональные процедуры.

Система пакетов прикладных программ сложной структуры включает:

ведущую программу, управляющую общим процессом взаимодействия всех элементов пакета;

средства генерации пакета на конкретные условия применения и настройки на требующиеся режимы работы;

модули, реализующие выполняемое пакетом множество процедур;

сервисные программы пакета, позволяющие пользователю добавлять, заменять или корректировать програкмные модули, выводить их на различные носители, менять режим их работы и т. д.

Система стандартных прикладных программ содержит:

библиотеку стандартных программ (модулей), которые могут быть использованы для построения различных пакетов или отдельных функциональных программ;

службу формирования программ, предназначенную для форматизации, настройки программных модулей и передачи их пользователю, в качестве которого могут выступать операционная система, средства генерации пакета и т. д.;

службу ведения фонда алгоритмов и программ, реализующую справочную и поисковую функции для передачи типовых программ и алгоритмов в АСУП смежных предприятий.

Спецификой функционирования комплекса прикладных программ является регулярность применяемости этих программ в технологическом процессе обработки информации на предприятии и связанная с ней частичная детерминированность всего вычислительного процесса. В этом направлении прикладные программы АСУП по своему статусу приближаются к программам системного математического обеспечения и должны быть построены оптимальным образом с тем, чтобы обеспечить заданные требования но критериям оценки функционирования системы в целом.

Прикладное математическое обеспечение должно обладать также большой гибкостью и адаптируемостью к различным усло-пиям применения, поскольку по своей физической сущности программный аппарат комплексной автоматизации управления имеет большую общность для различных предприятий.

. Таким образом, прикладные программы АСУП, являясь важнейшим выходным элементом специализированной системы обработки данных АСУП, должны отвечать двум в известной степени противоречивым требованиям: с одной стороны, эффективности функционирования, с другой — настраиваемое™ на различные режимы применения в условиях одного или ряда предприятий.

Эти требования удовлетворяются максимальной типизацией программных модулей, универсализацией входных и выходных форматов этих модулей и построения высокоорганизованной системы генерации прикладного математического обеспечения.

Как правило, используемые для АСУП типовые технические средства снабжаются хорошо развитым математическим обеспечением, которое необходимо органически включать в систему математического обеспечения АСУП, совмещая их с программами, отражающими специфику применения стандартных средств. Весьма широкие возможности в этом отношении открывают вычислительные средства третьего и четвертого поколений, в основу математического обеспечения которых положены принципы модульности генерируемости и открытости [12].

Например, математическое обеспечение типовых для АСУП вычислительных средств ЕС ЭВМ концентрируется вокруг двух типов операционных систем: ДОС ЕС и ОС ЕС.

ДОС ЕС (дисковая операционная система) обеспечивает функционирование однопроцессорных комплексов технических средств ЕС ЭВМ, пакетную обработку заданий, мультипрограммный режим работы с фиксированным числом задач, обработку пакетированных заданий в мультипрограммном режиме, протоколирование хода работы вычислительной системы, телеобработку, совмещение операций ввода-вывода с работой центрального процессора, возможность включения пакетов прикладных программ, работу с библиотеками, широкий набор языков программирования (Ассемблер, Базисный Фортран, Фортран IV, РПГ, Кобол, ПЛ/1), трансляторов и различных вспомогательных программ.

Мультипрограммный режим работы, осуществляемый ДОС ЕС, характеризуется следующими особенностями:

одновременным выполнением вычислительной системой максимум до трех программ;

статическим распределением основной памяти между решаемыми задачами;

статическим распределением внешних устройств и памяти на дисках.

Операционная система ОС ЕС отвечает потребностям широ-. кого круга пользователей и ориентирована на применение в различных областях.

ОС ЕС обеспечивает функционирование однопроцессорных и многопроцессорных комплексов технических средств ЕС ЭВМ, пакетную обработку заданий, мультипрограммный режим работы с фиксированным и переменным числом задач, работу системы в режиме квантования времени, работу в реальном масштабе времени, автоматический сбор данных от источников информации, хранение и обработку информации, защиту наборов данных, протоколирование хода работы вычислительной системы, включение пакетов прикладных программ, широкий набор средств автоматизации программирования.

Мультипрограммный режим, обеспечиваемый ОС ЕС, является значительно более развитым, чем аналогичный режим в ДОС, включает режим мультипрограммирования с фиксированным числом задач (MFT) и режим мультипрограммирования с переменным числом задач (MVT). Максимальное количество одновременно выполняемых программ .увеличено до 15. В режиме MVT обеспечивается динамическое распределение памяти.

Естественно, что ОС ЕС существенно сложнее, чем ДОС ЕС, и требует для реализации более мощных технических средств.

Возможность выбора необходимых для конкретной работы компонентов операционных систем обеспечивается модульностью их построения и используется в процессе генерации рабочих вариантов системы. При генерации систем пользователь имеет возможность выбрать из общего состава компонентов те, которые ему необходимы, с учетом индивидуальных требований (конфигурация конкретной вычислительной установки, объем и тип выполняемых работ, режим функционирования технических средств с учетом требуемой срочности выполнения отдельных видов работ и др.).

Благодаря генерации системы удается в какой-то степени сбалансировать возникающие противоречия между требованиями универсальности операционных систем и эффективностью их конкретного использования.

Наряду с операционными системами в состав математического обеспечения ЕС ЭВМ входят комплексы программ технического обслуживания (КПТО) и некоторые пакеты прикладных программ. Комплекс программ технического обслуживания содержит наладочные, проверочные и диагностические программы, предназначенные для автономной или неавтономной проверки правильности функционирования отдельных устройств, блоков и вычислительной установки в целом. Неавтономно работающие программы КПТО выполняются под управлением операционных систем одновременно с прикладными программами.

Разработка математического обеспечения на базе ЕС ЭВМ сводится к настройке типовых модулей операционных систем ЕС, адаптации пакетов прикладных программ к условиям проектируемой системы, созданию специфичных для АСУП, модулей системного и прикладного математического обеспечения и объединению с помощью комплекса генерации АСУП всех указанных компонентов в единую эффективно функционирующую систему, обладающую развитыми адаптационными свойствами.