Ansiot......................................... 5 Q

Ohjelmoitaessa on erääseen päätavotteista päästy kiistattomas­

ti. Käyttöjärjestelmä on toteutuksen viimeisiä yksityiskohtia myöten symmetrinen ja riippumaton yksittäisten prosessorien vikaantumisesta, silloin kun vikaantumiseen ei liity koko

järjestelmän tilan muutosta. Tästä ansiosta voidaan johtaa useimmat muista.

Lähtökohtana olleen numeerisen tyostökoneohjauksen tiukat reaaliaikavaatimukset ovat käyttöjärjestelmän avulla täytet­

tävissä alustavien laskelmien ja simulointiajojen mukaan.

Etenkin käytettäessä koelaitteiston kahdeksanbittisten pro­

sessorien tilalla kuusitoistabittisiä prosessoreita voidaan kuormituksen ja vasteaikojen suhteen päästä erittäin hyviin tuloksiin.

Käyttöjärjestelmä tukee modulaarista sovellutusohjelmien ra­

kennetta sekä ihmisläheistä prosessi-käsitettä. Tehtävät muodostavat itsenäisiä moduuleja sekä tehtävälistoja voidaan pitää rajoitetusti rinnakkaisuutta sisältävinä prosesseina.

Saman ajatuksen jatkeena voidaan pitää käyttöjärjestelmän tukemaa mahdollisuutta liittää useita uC*-järjestelmiä rin­

nakkain.

Käyttöjärjestelmän toteutuksessa on onnistuttu jättämään aiot­

tu mahdollisimman suuri strateginen päätösvalta ajoituskysy- myksissä ja luotettavuuden sekä suorituskyvyn välisen kompro­

missin muotoilussa sovellutusohjelmoijalle. Tehtävätyyppien

lisäys ja aikavakioiden muuntelu on samaten tehty helpoksi, joten käyttöjärjestelmän yleisyys ei ole kärsinyt. Sovellu­

tuksia voidaan nähdä niin nopean kuin hitaankin prosessin­

ohjauksen piirissä.

Käyttöjärjestelmä on ohjelmoitu modulaarisesti toisistaan riippumattomiin osiin ja siihen on helppo toteuttaa muiden operaatioiden kanssa tasavertaisia lisäyksiä.

Suunniteltu hierarkinen vikastrategia on erittäin kattava ja sallii mahdollisuudet sovellutusohjelmasta riippuen ohjelmoi­

da kuhunkin tapaukseen sopivat toipumisproseduurit. Tämän ohella on käyttöjärjestelmän kriittiset osat pyritty mini­

moimaan. Käyttöjärjestelmämalleista on helppo todeta niiden lukkiutumattomuus. Tämä voitaneen todentaa myöhemmin koneel­

lisesti. On syytä olettaa, että mahdolliset lukkiutumiset johtuvat vain ohjelmointivirheistä ja ovat poistettavissa.

Tämä ei tietenkään tarkoita sitä, ettei sovellutusohjelmista voisi tehdä lukkiutuvia.

Käyttöjärjestelmä on havainnollisesti mallitettu oleellisem­

milta osiltaan ja toteutus vastaa malleja hyvin pitkälle.

Mallituksen eräänä ansiona voidaan pitää verrattain helppoa tutustuttamista käyttöjärjestelmän toimintoihin, joka pelkän verbaalisen kuvauksen varassa olisi hyvin vaikeata.

7.2 Puutteet

Käyttöjärjestelmästä voidaan osoittaa useita osittain lait­

teistosta ja osittain toteutuksesta johtuvia puutteita. Jous­

tavuuden vuoksi nämä puutteet on kuitenkin myöhemmin pääosin korjattavissa. Suurimpana tällaisena puutteena voidaan pitää sitä. ettei vikastratégiaa ole täydellisesti toteutettu. Tämä johtuu osittain aiemmin esitetyistä puutteista laitteistossa ja osittain riittämättömästä ajasta valita eri toteutusvaihto­

ehtojen välillä.

Toinen selvästi havaittava puute on, ettei käyttöjärjestelmä ratkaisevasti tue tiedonsiirtoa tehtävien välillä. Toistaisek­

si kommunikointi tapahtuu yhteismuistissa olevien yhteisten muuttujien avulla. Tämä johtuu muistinhallinnan puuttumisesta koelaitteistosta. Lopullisessa laitteistossa on tämäkin osa erittäin tarpeellinen. Laitteistomodifikaation jälkeen voi­

daan käyttöjärjestelmää näiltä osin täydentää

Resurssien jaon yksinkertaisuus on eräs silmiinpistävä piir­

re. Monimutkaisempaan resurssistrategiaan kuuluisi kuitenkin olennaisesti muistin dynaaminen allokointi. Tämä on jätetty toteuttamatta samoin perustein kuten edellinenkin kohta.

Ohjelmien rinnakkaisuutta on usein vaikea hahmottaa. Käyttö­

ohjeet ovat osin puutteelliset, eivätkä sisällä ohjeita oh­

jelmien jakamiseen rinnakkaisiin osiin; runsas simulaattorin käyttö ohjelmien muotoilussa on tarpeen.

Näiden lisäksi seuraavat yksityiskohdat kaipaisivat lisätyötä :

- PL/M—toteutus ei ole paikoitellen riittävän nopea

- Erillistä äänestysproseduuria keskeytysohjelmia varten ei ole toteutettu

- Käyttöjärjestelmä ei tue riittävästi vaihtoehtoisten ohjelmien käyttöä äänestysten yhteydessä

- Symmetrinen keskeytyspalvelu on järjestelmälle raskas

- Virtuaaliajoittimen a joitusaIgoritmi on yksinkertainen ja tehtävälistojen lukumäärä kiinteä

7.3 Jatkokehittelyn suuntaviivat

Tässä diplomityössä suunnitellun ohjelmistoarkkitehtuurin ja sitä vastaavan käyttöjärjestelmän ominaisuuksia on syytä vie­

lä tutkia ja kehitellä useista eri lähtökohdista:

-Suorituskykyanalyysin perusteella saatavien tulosten perus­

teella tulisi käyttöjärjestelmää kehittää siten, että käyt­

töjärjestelmästä aiheutuva suorituskyvyn lasku minimoituu.

Simulointitulokset antavat selkeät lähtökohdat sille, miten tyypilliset ohjelmistot kuormittavat käyttöjärjestelmää.

Runsaasti kuormitettuihin käyttöjärjestelmän osiin olisi syytä kiinnittää huomiota ja niiden koodia voisi optimoida.

Esimerkiksi tehtävää joitin vaikuttaa tällaiselta kuormite­

tulta osalta ja on lisäksi ohjelmoitu PLM-ohjelmointikie- lellä. Jos se kirjoitetaan suoraan assemblykoodiksi voidaan saavuttaa merkittävää suorituskyvyn kohoamista.

-Sovellutusohjelmien ja käyttöjärjestelmän välistä rajapintaa tulisi siirtää lisäämällä käyttöjärjestelmään joitakin usein käytettyjä toimintoja. Tällaisista toiminnoista hyviä esimerk kejä ovat puskuroitu synkronointisanomien välitys sekä pusku­

roitu äänestys. On selvästi havaittavissa, että puskurointi lisää käyttöjärjestelmän läpäisyä monissa tapauksissa huomat­

tavasti. Resurssien hallintaa tulisi myös monipuolistaa si­

ten, että nykyisen yhden resurssiryhmän sijasta voitaisiin varata tehtävälle useita resurssiryhmiä. Varausstrategian laa dinnassa tulee tällöin kiinnittää erityistä huomiota siihen, ettei käyttöjärjestelmän kuormitus kasva liiaksi ja ettei strategia salli lukkiutumistilanteita.

-Sovellutusohjelmien optimaalinen laadinta ei ole mahdollista ilman syvällistä käyttöjärjestelmän tuntemista tai läpikotais ten simulointiajojen suorituksia. Olisi kehitettävä ohjeisto sovellutusohjelmien rinnakkaisuuden löytämiseksi ja sen muun­

tamiseksi käyttöjärjestelmän kannalta soveliaimpaan muotoon.

-Käyttöjärjestelmän mallitus perustuu Petri-verkkoihin. Digi­

taalitekniikan laboratoriossa on meneillään toinen projekti, jossa suunnitellaan Petri-verkkojen tietokoneistettua analy­

sointia. Tulisi tutkia mahdollisuuksia liittää näin syntyvään ohjelmistoon muunnosalgoritmit, joiden avulla tässä kirjoituk sesa esitettyjä muunnettuja Petri-verkkoja voi analysoida.

Saatavat tulokset olisivat varmasti erittäin hyödyllisiä käyt töjärjestelmän varmentamisen kannalta.

8 Yhteenveto

Teknillisen korkeakoulun digitaalitekniikan laboratoriossa kuluneen vuoden aikana suoritetussa tavoitetutkimuksessa on tutkittu tiukasti kytketyn moniprosessorijärjestelmän sovel­

tuvuutta numeeriseen työstökoneohjaukseen. Koelaitteistona on ollut laboratorion aiempien moniprosessoriprojektien yhtey­

dessä konstruoitu hybridivarmennettu uC*-monimikroprosessori.

Kirjoittajan osuutena tutkimuksessa on ollut soveltuvan käyt­

töjärjestelmän suunnittelu koelaitteistolle.

Lähtökohtana on ollut tutustuminen merkittäviin rinnakkaisiin tutkimuksiin ja koelaitteiston arkkitehtuurin antamiin edelly­

tyksiin käyttöjärjestelmäsuunnittelun pohjana. On ilmeistä, että hybridivarmennettu arkkitehtuuri on sovellutuksen kannal­

ta antoisa, joskin koelaitteisto on puutteellinen. Laitteisto ei anna riittävää tukea käyttöjärjestelmätoimintojen kannalta oleelliselle muistinsuojaukselle. Tämä puute heijastuu suunni­

tellun käyttöjärjestelmän muistinhallintaoperaatioiden puuttu­

misena. Operaatiot on mahdollista lisätä myöhemmin, jos koe­

laitteistoa kehitetään.

Ohjelmistoarkkitehtuurin suunnittelussa oli tavoitteena, että laitteiston suomat mahdollisuudet varsinaiseen moniprosessoin- tiin ja toisaalta äänestimen avulla varmennettuun tehtävien suoritukseen olisivat joustavasti käytettävissä. Luontevin ohjelmistoarkkitehtuuri olisi saavutettu simuloimalla tieto- ohjausta tehtävätasolla kuten uC*:lle aiemmin suunnitellussa käyttöjärjestelmässä mutta näin ei olisi voitu saavuttaa kaikkia pääsovellutukselle asetettuja reaaliaikavaatimuksia.

Toteutettu ohjelmistoarkkitehtuuri on muodollisesti edellistä rajallisempi mahdollistaen virtuaaliajoituksen ja rinnakkais­

prosessoinnin ilman kohtuutonta käyttöjärjestelmäkuormitusta.

Rajoitukset eivät vaikuta arkkitehtuurin yleisyyteen.

Suurimpana ansiona ohjelmistoarkkitehtuurin ohella voidaan työssä pitää käyttöjärjestelmän suunnittelussa käytettyä me­

todiikkaa. Petri-verkkoja käytetään yleisesti rinnakkaisten

järjestelmien mallittamiseen. Puutteina on usein kuitenkin esitetty kyvyttömyys hyödyntää malleissa esiintyviä samankal­

taisuuksia. Työssä on formalismia kehitetty edelleen jolloin esitetty puute on pääosin saatu poistettua kadottamatta Pet- ri-verkkojen analyyttisiä ominaisuuksia. Sivutuloksena voi­

daan osoittaa modifioituja verkkoja voitavan käyttää myös rekursiivista laskentaa mallitettaessa.

Käyttöjärjestelmän oleelliset osat on mallitettu kehitetyn formalismin avulla. Mallit antavat mahdollisuuden havainnol­

listaa järjestelmän dynaamista toimintaa. Soveltuvien välinei­

den ollessa käytössä on järjestelmän formaali analysointi lisäksi mahdollista. Kehitetty formalismi, ohjelmistoarkki­

tehtuuri ja laaditut mallit ovat saavuttaneet kansainvälistä tunnustusta. Kolme tekijän yhdessä työn ohjaajan kanssa ai­

heesta kirjoittamaa raporttia on esitetty tai hyväksytty esi­

tettäväksi alan ulkomaisissa konferensseissa.

Eräänä tutkimuksen tavoitteista on ollut sovellutusohjelman toiminnan luotettavuus. Käyttöjärjestelmän osalta tähän on pyritty suunnittelemalla hierarkinen vikastrategia, jolloin laitteiston avulla seurataan alimman tason ohjelmien toimin­

taa ja nämä taasen seuraavat ylempiä kerroksia. Erillisenä vikastrategian osana on äänestimen avulla saatavan vikatilas- ton käyttö. Muistinsuojauksen osalta on suunnitelmat jätetty avoimiksi, laitteiston ollessa tältä osin puutteellinen.

Käyttöjärjestelmä on tärkeimmiltä osiltaan toteutettu ja tes­

tattu. Ohjelmointi on suoritettu suurimmaksi osaksi oppilas­

töinä, joita kirjoittaja on tiiviisti ohjannut. Ohjelmiston suurin ansio on modulaarisuus ja moduulien riippumattomuus toisistaan. Ohjelmiston eri osia voidaan käyttää toisistan riippumatta. Onnistumista tavoitteena olleen symmetrisyyden toteuttamisessa kooditasolle asti voidaan pitää merkittävänä saavutuksena.

In document Symmetrisen moniprosessorikäyttöjärjestelmän suunnittelu reaaliaikasovellutuksiin (sivua 64-70)