Введение

Целью создания моделирующих систем является исследование моделей реальных объектов и процессов. Специалист, использующий такую систему, не ограничен ни временем эксперимента, ни проблемой расхода различных ресурсов, требующихся для проведения реального эксперимента. Кроме того, если в системе моделирования предусмотрена возможность добавления новых объектов или стадий в исследуемый процесс, то проведение эксперимента посредством моделирования выигрывает по сравнению с реальным экспериментом вдвойне.

Таким образом, системы моделирования предоставляют исследователю большую свободу действий при отсутствии каких-либо материальных затрат. Практика показывает, что использование моделирующих систем позволяет не только получить достаточно достоверные сведения о возможном поведении объектов моделирования в тех или иных ситуациях, но и к открытию новых свойств этих объектов.

Но, несмотря на все преимущества моделирующих систем, результаты моделирования не всегда в точности совпадают с результатами реальных экспериментов. Вероятность соответствия полученного при моделировании результата действительности зависит от нескольких факторов:

• степени соответствия представления об исследуемых объектах реальным объектам;

• уровня детализации свойств объектов при составлении их моделей;

• уровня понимания значимости тех или иных свойств объекта в конкретной системе;

• степени понимания взаимосвязей исходных объектов в системе.

Таким образом, чем сложнее сами объекты и их поведение в системе, тем больше их свойств требуется задать при составлении модели и тем меньше уверенность в достоверности результатов. И наоборот – чем проще реальные объекты и взаимосвязи между ними, тем проще их описать в системе моделирования и тем достовернее будут результаты, а, следовательно, тем более обоснованно применение моделирующих систем.

Микрокомпьютерная система имитационного моделирования МИКРОСИМ предназначена для моделирования систем обработки данных, а также исследования алгоритмов и систем параллельной и распределенной обработки данных.

Система МИКРОСИМ может применяться для имитационного моделирования с целью верификации и комплексной оценки эффективности систем параллельной и распределенной обработки данных, включая мультипрограммные и мультипроцессорные системы, локальные вычислительные сети, коммуникационные протоколы и т.п. Наиболее полно возможности МИКРОСИМ раскрываются при моделировании сложных алгоритмов и систем обработки данных с развитым параллелизмом протекающих в них процессов.

В качестве формального средства для описания исследуемых алгоритмов и систем в МИКРОСИМ применен аппарат модифицированных Е-сетей, являющихся развитием обыкновенных Е-сетей. Применение модифицированных Е-сетей (по сравнению с обыкновенными Е-сетями) упрощает разработку Е-сетевых схем и позволяет создавать более компактные модели.

Ввод описаний Е-сетевых моделей в МИКРОСИМ осуществляется на языке ЯОМ (Язык Описания Моделей). Этот язык представляет собой расширение языка Паскаль и, следовательно, обладает всеми его развитыми выразительными средствами.

В ЯОМ предусмотрены объекты, которые по своему статусу не являются легальными в языке Паскаль. К ним относятся так называемые сетевые переменные, а также ссылки на компоненты Е-сетей – переходы, позиции и атрибуты фишек в позициях. Кроме того, не подчиняются синтаксису языка Паскаль описания элементарных сетей и заголовки процедур управления, временной задержки и преобразования и некоторые другие конструкции в ЯОМ.

Кроме ЯОМ, в МИКРОСИМ предусмотрен отдельный язык задания параметров (ЯЗП). Этот язык используется на стадии исследования готовой (скомпонованной) модели для изменения маркировки позиций, установки желаемых значений сетевых переменных, спецификации таблиц распределения (гистограмм), указания позиций и переходов, по которым необходимо накапливать статистику при выполнении модели, задания условий прекращения (приостановки) моделирования и трассировки выполнения модели. Для изменения параметров модели не требуется повторная компиляция и компоновка частей (сегментов) модели.

Минимальным функционально законченным компонентом Е-сетевой модели является сегмент. Сегмент подлежит самостоятельной обработке (компиляции). Модель может состоять из набора связанных друг с другом сегментов, объединяемых на стадии сборки модели.

При описании модели исследуемой системы для проведения с ней дальнейших экспериментов с использованием МИКРОСИМ исследователь непременно проходит через два этапа:

1. визуальное описание модели с помощью Е-сетей;

2. описание разработанной Е-сетевой модели на ЯОМ.

Создание визуального описания исследуемой модели с использованием Е-сетей – обязательный и независимый от МИКРОСИМ этап.

Для приведения модели в форму «понятную» МИКРОСИМ, т.е. для ее описания на ЯОМ, исследователь естественно должен быть знаком с синтаксисом ЯОМ. Однако, описать модель на ЯОМ без ошибок тем сложнее, чем объемнее исследуемая модель. Задача описания модели на ЯОМ усложняется еще и тем, что в МИКРОСИМ отсутствует развитая диагностика ошибок.

Для того чтобы упростить процесс описания модели на ЯОМ существует система визуального программирования имитационных моделей СВПИМ, удобный инструмент, который предоставляет исследователю возможность обойти второй этап создания модели. Ему уже не придется кропотливо искать ошибки в текстовом описании модели, он может даже вообще не знать ЯОМ.

СВПИМ представляет собой инструмент для описания новых и модификации существующих сетевых моделей удобными диалоговыми средствами. С использованием средств визуального программирования, предоставляемых СВПИМ, формируется графическое описание модели. Сетевая модель может состоять из одного или нескольких сегментов, связанных между собой. Сегмент состоит из элементарных Е-сетей определенных типов, описанных далее. Одновременно с графическим описанием автоматически формируется описание этой модели на Языке Описания Модели (ЯОМ). Т.е., описав графически сетевую модель, как результат мы получаем текстовое описание модели на ЯОМ в виде файла с расширением.JOM. Этот файл может при желании редактироваться в любом текстовом редакторе. Описание модели в файле с расширением.JOM «понятно» среде МИКРОСИМ и может в ней далее решаться.

Необходимость контроля и наблюдения за поведением модели в процессе ее интерпретации была очевидна еще на стадии разработки МИКРОСИМ. Для реализации такой необходимости в МИКРОСИМ предусмотрена возможность трассировки модели – вывода на экран последовательности срабатываний переходов и информации о них. К сожалению, данная функция не позволяет полностью контролировать корректность работы интерпретатора.

С появлением такого мощного средства как СВПИМ, упрощающего самый трудоемкий этап моделирования – этап описания модели на ЯОМ, возникла идея использования создаваемого в ней графического изображения не только для получения описания модели на языке ЯОМ, решаемого в системе МИКРОСИМ, но и для отображения процесса интерпретации модели, что позволило бы отслеживать динамику модели в целом.

Подсистема визуального отображения интерпретации сетевых моделей представляет собой инструмент для отображения процесса моделирования в среде МИКРОСИМ, с использованием графического изображения модели, сформированного при помощи СВПИМ. Данная подсистема отображает на экране последовательность срабатываний переходов и перемещения фишек в исследуемой модели.

Для наглядности отображения в подсистеме предусмотрены задержки, кратные модельным временам задержек ассоциированных со срабатывающими переходами. Тем не менее, для того, чтобы отследить текущее модельное время на момент срабатывания перехода, оно учитывается и отображается в статусном окне приложения.

1. Специальная часть

   2. Понятие Е-сетей

      2. Общая характеристика модифицированных Е-сетей

Как уже отмечалось, в качестве формального аппарата для представления моделируемых систем в МИКРОСИМ используются модифицированные Е-сети. Структурно Е-сеть представляет собой граф, состоящий из двух типов вершин – позиций и переходов, соединенных друг с другом ориентированными дугами, причем каждая дуга может связывать лишь переход с позицией или позицию с переходом. Следовательно, структура Е-сети эквивалентна ориентированному двудольному графу, у которого одно множество вершин содержит только позиции, а другое множество вершин – только переходы. В модифицированных Е-сетях существуют два типа позиций – простые позиции и позиции-очереди.

Переход в модифицированной Е-сети изображается отрезком прямой. Этот отрезок, в зависимости от типа элементарной сети, отвечающей данному переходу, может дополняться коротким ответвлением, исходящим от конца отрезка под прямым углом в одну или другую сторону, или короткой «перекладиной». Дуга изображается с помощью отрезков прямых и знаков «> » и «<», в зависимости от направления дуги. Понятие элементарной сети определяется в следующем параграфе, а описания типов элементарных сетей – в п. 2.1.2.

1. Понятие элементарной сети

Элементарная сеть – это минимальная по структуре Е-сеть, состоящая из единственного перехода и связанных с ним входных и выходных позиций. Формально элементарную сеть можно представить следующей семеркой:

E = ,

где P1, P2 – конечные множества входных и выходных позиций; C – необходимое (но, в общем случае, недостаточное) условие срабатывания перехода; R1, R2 – функции входного и выходного выбора, или функции управления на входе и выходе перехода; TAU – функция временной задержки; FI – функция преобразования.

Далее условие срабатывания C будет записываться в виде логического выражения, операндами которого являются предикаты вида B(X), где X – позиция. При этом B(X) = 1 (или TRUE), если позиция X содержит хотя бы одну фишку; B(X) = 0 (или FALSE), если позиция X пуста.

Предпосылкой срабатывания перехода, ассоциированного с данной элементарной сетью, является истинность условия C (этому соответствует в наших обозначениях ситуация C = 1).

Функция R1 вычисляет подмножество тех входных позиций перехода, из которых в конце фазы активности сработавшего перехода должно быть извлечено (удалено) по одной фишке.

Функция R2 вычисляет подмножество тех выходных позиций перехода, в которые должно быть добавлено по одной фишке после срабатывания перехода.

Функция TAU вычисляет длительность активной фазы сработавшего перехода. В конце этой фазы происходит извлечение фишек из входных позиций перехода, определяемых функцией R1, и добавление фишек в те выходные позиции перехода, которые вычисляются функцией R2.

Наконец, процедура FI задает преобразования, которые должны быть выполнены в конце фазы активности сработавшего перехода.

Для построения Е-сетей любой сложности достаточен ограниченный набор типов (классов) элементарных сетей. Этот набор называется базовым набором, он приведен на Рис. 2.1. На этом рисунке для каждого типа перехода представлены его условное обозначение (T, Y, X, G, I) и геометрическая реализация. Для определенности входные и выходные позиции у всех типов элементарных сетей, обозначенные соответственно буквами X и Y с индексом считаются простыми. При необходимости любая простая позиция может быть заменена позицией-очередью.

Соединяя друг с другом элементарные сети из базисного набора, можно создавать, как уже отмечалось, модифицированные Е-сети произвольной сложности. Точками соединения или связывания двух элементарных сетей служат позиции. При связывании двух элементарных сетей по некоторой паре позиций выходная позиция одной элементарной сети объединяется с входной позицией другой (в частном случае, той же самой) элементарной сети, в результате чего получается единственная позиция. При этом объединяемые позиции обеих сетей должны быть одного типа, такого же типа будет и результирующая позиция.

1. Правила функционирования элементарных сетей

Ниже приводятся описания базовых типов элементарных сетей, представленных на Рис. 2.1. В этих описаниях для каждого типа элементарной сети указываются условия срабатывания перехода C, общие и стандартные функции входного и выходного выбора R1 и R2, а также стандартная процедура преобразования FI. Под стандартной функцией (процедурой) понимается функция (процедура), используемая по принципу умолчания. Такая функция (процедура) не нуждается в явном задании (спецификации) и реализуется всякий раз, когда не задана соответствующая нестандартная функция (процедура).

В приводимых ниже описаниях базовых типов элементарных сетей не отражаются правила перемещения фишек при срабатывании переходов, так как эти правила неявно задаются функциями входного и выходного выбора R1 и R2. При этом предполагается следующий общий принцип перемещения фишек: из каждой входной позиции сработавшего перехода, определяемой функцией R1, извлекается по одной фишке и затем добавляется по одной фишке в каждую выходную позицию этого же перехода, определяемую функцией R2.