Лекция №13

Критерии выбора и оценки эффективности интерфейсов

При решении данной задачи необходимо использовать системный подход. Системный этап проектирования интерфейса, являю­щийся наиболее сложным, сводится к обоснованию выбо­ра интерфейса с учетом требований и ограничений конк­ретной ИС. При разработке интерфейса основная задача заключается в выборе принципов организации и технической реализации информационного и управляюще­го каналов интерфейса, обеспечивающего наилучшие тех­нико-экономические показатели при его использовании в определенном классе ИС.

Решение задачи предполагает выбор и обоснование критерия эффективности и методов оптимизации интер­фейсов при заданных ограничениях. Исходной информа­цией для задания множества вариантов интерфейса яв­ляются набор G структурных параметров и набор F ин­терфейсных 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 про­граммирования 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 экстремаль­ное значение, а значения обобщенных характеристик Y интерфейса не превышают установленных для них огра­ничений Y₀.

Большое число структурных параметров G и слож­ность их взаимосвязи с характеристиками интерфейса Y являются основными причинами того, что задача выбора в строгой математической постановке становится трудно­разрешимой. Решение задачи упрощается, если ограни­чить область {G,F}, что исключает полный перебор вари­антов. При этом оценка эффективности разделяется на следующие стадии:

· задание множества всех возможных и определение до­пустимых альтернативных вариантов организации интер­фейсов;

· выбор критерия эффективности, технико-экономичес­ких показателей интерфейсов и соотношений, связываю­щих значения этих показателей с критерием эффектив­ности;

· выявление наиболее рационального на подмножестве допустимых альтернативных вариантов.

Наиболее слож­ным является определение соотношений, связывающих структурные параметры G с обобщенными характеристи­ками Y и аналитическое выражение характеристик через критерий эффективности.

Структура интерфейса может быть определена размер­ностью и схемой соединений и топологией связей. Размер­ность соединений - это число независимых информационных каналов и степень совмещения во времени процессов информационного взаимодействия в интерфейсе. По раз­мерности и степени совмещения связи разделяются на од­номерные, двумерные и т. д. Существующие стандартные интерфейсы в основном имеют одномерную структуру, за исключением некоторых, ориентированных на использова­ние в мультимикропроцессорных системах и сложных ИС.

Схема соединения определяет структуру информацион­ного и управляющего каналов и сводится к параллельно­му, 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 размеще­ния плат интерфейсных блоков и разделяется по классам в соответствии с условиями конструктивной совмести­мости интерфейса на внутриблочную и межблочную.

Функциональная организация интерфейса характери­зует способы построения и порядок взаимодействия ин­терфейсных блоков.

Наиболее детально структура интерфейсов отражает­ся сочетанием математических моделей и языков описания интерфейса (ЯОИ). Необхо­димым дополнительным условием эффективного использо­вания средств описания является декомпозиция интер­фейса и интерфейсных блоков на функциональные неза­висимые логические схемы, в частности на уровне интер­фейсного блока таким логическим схемам соответствуют интерфейсные функции. Интерфейс как система сопряже­ния, состоящая из совокупности интерфейсных блоков, объединенных унифицированным набором линий, может быть также разделен на функционально независимые схе­мы - интерфейсные операторы.

Набор структурных параметров - размерности, схемы соединения, топологии связей и интерфейсных операто­ров - селекции, координации и обмена позволяет систе­матизировать возможные варианты интерфейсов.

Необходимо отметить, что структурные параметры харак­теризуют информационный канал, а интерфейсные опера­торы - управляющий. Учитывая это, задание всех воз­можных 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 функци­онального построения управляющего канала взаимосвя­заны, причем выбор интерфейсных операторов управляю­щего канала существенно зависит от структуры информа­ционного.

Например, выбор способа реализации оператора син­хронизации определяется топологией информационного канала, селекции - размерностью и топологией интерфей­са, координации - схемой соединения. Взаимосвязь струк­турных и функциональных параметров позволяет сущест­венно ограничить перебор благодаря отсеиванию заведо­мо неприемлемых вариантов, охватывая максимальное число вариантов построения интерфейсов.

Среди технико-экономических показателей интерфей­сов 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 под­робно данные показатели.

Пропускная способность определяет время передачи единицы информации между ФБ интерфейса. При этом, пропускная способность отличается от физической ско­рости передачи информации. Пропускная способность за­висит 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 резуль­тате сокращения удельных затрат на установление и разъединение связи, а также повышения физической ско­рости передачи и увеличения разрядности информацион­ного канала. Эти показатели зависят от схемы соедине­ния, топологии шин, способа реализации операторов се­лекции и синхронизации.

Вместимость характеризуется максимальным числом ФБ, которое может быть подключено к интерфейсу без использования дополнительных средств его расшире­ния. Вместимость зависит от системы адресации интер­фейса, нагрузочной способности приемопередающих эле­ментов (ППЭ) и условий конструктивной реализации. Для большинства стандартных интерфейсов эта характе­ристика определяется нагрузочной способностью ППЭ. Основными тех­ническими 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 интер­фейсов с кодовой выборкой, или расширители для внутриблочных интерфейсов с радиальной выборкой. Вместимость тесно взаимосвязана с остальными характе­ристиками интерфейсов. Ее увеличение вызывает сниже­ние пропускной способности, надежности и увеличение стоимости интерфейса. Точная оценка показателей надежности интерфейса представляет достаточно сложную задачу. Реальная оцен­ка, прогнозирование, а также сравнение по показателям надежности различных вариантов построения интерфей­сов могут быть выполнены практически только прибли­женными методами.

Составные элементы интерфейса для расчета показа­телей надежности могут быть представлены в виде после­довательно-параллельного соединения. Такими элемен­тами являются: контроллер - устройство управления ин­терфейса; интерфейсные блоки; набор интерфейсных ли­ний, а также блоки питания контроллера и интерфейсных блоков.

При составлении схемы расчета показателей надеж­ности интерфейса необходимо учитывать влияние отказов и сбоев на работоспособность всей ИС. Возникаю­щие отказы (сбои) необходимо разделить на отказы (сбои) интерфейса, вызывающие полное и частичное нарушение работоспособности всей ИС. Полное нарушение работоспособности вызывается отказами следую­щих составных элементов интерфейса: контроллера - для интерфейса с централизованным управлением; линий связи - общих для всех интерфейсных блоков; цепей эле­ментов 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 интер­фейсных блоков - для варианта, сочетающего децентрали­зованную топологию и последовательную схему соедине­ния.

Приближенные схемы расчета показателей надеж­ности различных вариантов структурной организации интерфейса и их сравнение показывают, что наибольшей потенциальной надежностью обладает вариант с меж­блочной топологией, децентрализованным управлением и параллельной схемой соединения.

Основными способами повышения надежности интер­фейса являются увеличение размерности, обеспечиваю­щей эффект резервирования, и снижение вероятности от­казов, вызывающих полное нарушение работоспособности. Это достигается исключением влияния отказов интерфейс­ных 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, характери­зующую затраты на интерфейс с одним источником и при­емником, а также относительную (удельную) стоимость, определяемую затратами на интерфейс в пересчете на один интерфейсный блок. Точный расчет стоимости зат­рат в большинстве случаев ,особенно на системном этапе проектирования, вызывает трудности ввиду того, что стоимость определяется расходами на разработку, изго­товление, внедрение и эксплуатацию. Определение стои­мости 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 электропита­ния, конструктивы и кабели связи.

Для распределенных ИС и сетей существенную ве­личину составляют затраты на кабели связи, поскольку стоимость кабелей и их монтажа соизмерима или превы­шает стоимость остального оборудования интерфейса. Затраты на линии связи в основном определяются сум­марной длиной связей, которая, в свою очередь, зависит от пространственного расположения элементов сети. Оценка влияния конфигурации размещения и схемы сое­динения на суммарную длину кабельных линий обычно выполняется для двух крайних случаев размещения устройств: линейного и плоского. Для упрощения рас­стояния между соседними элементами принимаются рав­ными, а плоская конфигурация представляется правиль­ной геометрической фигурой.

Расчеты показывают, что для межблочной топологии соединение кольцевой структуры по сравнению с маги­стральной вызывает увеличение длины кабельных связей почти на 100 %, а для внутриблочной топологии практи­чески не зависит от схемы соединения.

Из сравнения межблочной и внутриблочной топологий в сочетании с различными схемами соединения следует, что наиболее экономичным является вариант параллель­ного соединения (магистральной структуры) с межблоч­ной топологией.

При решении задачи оценки эффективности интерфей­сов в ИС основную сложность представляет выбор обоб­щенного критерия эффективности. В большинстве случаев в качестве такого критерия принимают некоторые из основных технико-экономических показателей интерфей­сов: пропускную способность (производительность), стоимость и надежность. Процесс оценки эффектив­ности принятия решения по выбору приемлемого вариан­та включает определение аналитической взаимосвязи обобщенных характеристик интерфейсов, количественную оценку показателей и графическое отображение характе­ристик с последующим сопоставлением полученных ре­зультатов. Такая последовательность позволяет получить семейства характеристик для определенных классов ин­терфейсов, на основе которых разработчик оперативно может выполнять сравнение и выбор соответствующих интерфейсов с учетом требований разрабатываемой ИС. Недостатки подхода заключаются в приближенном ха­рактере принимаемого решения, поскольку значимость каждой из сравниваемых характеристик оценивается субъективно, а также в том, что многокритериальный ха­рактер оценки эффективности не позволяет принять реше­ние, которое бы математически строго подтверждало его оптимальность.

Другой способ оценки эффективности и выбора интер­фейса сводится к приведению многокритериального ха­рактера оценки к однокритериальному. Суть спо­соба заключается в исключении из рассмотрения менее важных, по мнению разработчика, характеристик и в аналитическом выражении основной характеристики (критерия эффек­тивности) через оставшиеся с учетом определенных огра­ничений. Примером может служить, например, критерий оценки эф­фективности на основе информативности обмена и инфор­мационной производительности интерфейса. Инфор­мативность обмена характеризует степень совмещения во времени процессов установления и разъединения связи с процессом передачи данных. Этот показатель позволяет без учета физической скорости передачи данных оцени­вать эффективность алгоритмов обмена и представляет собой отношение реального времени передачи информа­ционного 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 соответст­венно общего количества единиц информации - данных, адресных, состояния, команд к минимально возможному времени передачи - при числе информационных сообще­ний в массиве, равном единице. Аналогично вычисляют­ся 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 математи­чески точную оценку критерия, однако исключение из рас­смотрения ряда показателей делает проблематичной воз­можность эффективного использования его для всех клас­сов интерфейсов.

Более полно технический уровень интерфейса отража­ет критерий эффективности интерфейса, получивший на­звание добротности интерфейса Q, определяемый из соотношения

,

где I - разрядность информационной шины; А - исполь­зуемое число адресов; К - используемое число команд; F - эквивалентное число команд, которые надо выпол­нить при реализации эквивалентных аппаратурных функ­ций 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 - коэффи­циент, 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 ос­новного критерия принимается пропускная способность (производительность, добротность). Более сложным и объективным представляется критерий производитель­ность/стоимость.

Производительность определя­ется средней пропускной способностью контроллера ин­терфейса (средней интенсивностью обслуживаемого им информационного потока).

Стоимость выражается через затраты на реализацию, которые являются производной функциональной сложно­сти устройств интерфейса. Функциональная сложность устройств представляется количеством информации, опи­сывающей таблицу состояний их автоматных моделей. Значение функциональной сложности может быть выра­жено через объемы схемотехнического оборудования (число корпусов ИС) и программного обеспечения. Ос­новная трудность способа заключается в определении пропускной способности и функциональной сложности устройств. Кроме того, при оценке не учитываются пол­ностью функциональные возможности, а также другие по­казатели интерфейса.

Выполнение сравнения и оценки альтернативных ва­риантов интерфейсов на основе рассмотренных критери­ев встречает определенные трудности. Это связано с тем, что некоторые показатели невозможно связать аналити­ческими зависимостями с обобщенными характеристиками интерфейсов, а некоторые вообще не поддаются коли­чественной оценке. К таким показателям относятся: уро­вень стандартизации, технологичность изготовления, про­мышленное анонсирование, наличие диагностического обес­печения.

Наиболее приемлемым приближенным способом оцен­ки является сведение задачи многокритериальной оценки к однокритериальной. В качестве критерия эффективности удобен показатель оптимальности, представляющий ли­нейную функцию частных показателей качества.

Основная трудность заключается в определении весо­вых коэффициентов и в количественной оценке некоторых качественных показателей.

Наиболее приемлемым путем определения весовых ко­эффициентов является использование стандартного мето­да экспертных оценок или эвристического прогнозирова­ния. Экспертами могут быть специалисты, разрабатываю­щие 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 со­ответствующий набор показателей и характеристик. Наборы по существу отражают сте­пень соответствия интерфейса требованиям, предъявляе­мым 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 обоб­щенного показателя качества интерфейсов (интерфейс­ных систем) использовать следующее распределение ве­сов основных и вспомогательных показателей качества (на основе опыта применения методики оценки аналогич­ных 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 опреде­ляется по отношению к базовому, в качестве которого выбирается интерфейс аналогичного функционального на­значения.

Разработка обоснованных методик, устанавливающих порядок выбора и оценки показателей качества интер­фейсов, является актуальной и важной задачей, оптималь­ное решение которой способствует повышению эффектив­ности использования интерфейсов в ИС.