Тема 3.1. Согласование асинхронных процессов и организация интерфейсов

Современные дискретные системы и ЭВМ строятся на основе модульного принципа: устройства машин, сами машины, равно как и программное обеспе­чение, выполняются в виде отдельных функциональных и структурных единиц (модулей). Последние могут объе­диняться (комплексироваться), образуя сложные системы. Организация модулей в систему с необходимостью пред­полагает взаимодействие между модулями, что требует значительных временных, аппаратурных и программных ресурсов. Фундаментальным понятием, отражающим аспект взаимодействия модулей в системе, является по­нятие интерфейса.

Определение 3.1. В широком смысле под интерфейсом понимается совокупность правил, обеспечивающих совместное функционирование аппаратных и программных средств.

Иногда интерфейсом называют и сами техни­ческие средства, созданные в соответствии с этими пра­вилами.

Интерфейс (в отличие от интерфейсных устройств) не является частью аппаратных средств, а представляет со­бой сечение (границу) между модулями системы, на котором определены сигналы и процедуры обмена. Интерфейс точно определяет, какие сигналы или сообщения могут пересекать это сечение и каков их смысл. Он должно обеспечивать единый метод передачи данных не­зависимо от внутренних особенностей взаимодействующих модулей и относиться исключительно к обмену сигналами между устройствами. Правильно определенное содержа­ние интерфейса является необходимым условием его разра­ботки.

Совокупность правил и средств, составляющих струк­туру интерфейса принято делить на три уровня: механический, электрический и логический.

Механический (конструктивный) уровень определяет совокупность требований, которым должны удовлетворять узлы интерфейсной аппаратуры — кабель, линии связи, разъемные соединения, интерфейсные карты (адапте­ры) и т. п.

Электрический уровень интерфейса оговаривает до­пуски на параметры входных и выходных электрических сигналов, токовые нагрузки на источник сигнала. Они зависят от принятой элементной базы.

Логический уровень интерфейса обеспечивает коорди­нацию протекания информационных потоков между устройствами. Он определяет способ представления сигна­лов, символов, сообщений, обозначения и классификацию сигналов и сообщений. Логический уровень — наиболее сложная часть правил интерфейса. Логическое согласо­вание объединяемых в систему устройств предусматривает функционирование взаимодействующих модулей по установлен­ным алгоритмам.

Основным понятием, отражающим ко­ординированное функционирование объектов логического уровня интерфейса, является понятие протокола информа­ционного обмена.

Определение 3.2. Под протоколом информационного обмена (далее для краткости — просто протоколом) обычно понимают свод правил, которых нужно придерживаться, чтобы обеспе­чить упорядоченный информационный обмен между двумя или более объектами.

Термин «протокол» часто используется в литературе по вычислительной технике и системам управления. Его появление обусловлено неко­торым сходством с понятием дипломатического протокола (совокупность правил, регулирующих порядок различных дипломатических актов) и протокола заседания (обла­ченное в письменную форму изложение хода заседания).

Способы задания, анализа и синтеза интерфейсного взаимодействия являются предметом специальной теории протоколов (информационного об­мена). Не­смотря на некоторые успехи этой теории, на практике для описания интерфейсных протоколов чаще всего при­меняются неформальные или полуформальные средства, такие, как естественный язык, временные диаграммы, циклограммы или блок-схемы алгоритмов. Вследствие этого они чрезвычайно громоздки и допускают неоднозначное толкование.

При состав­лении протоколов требуется удовлетворение несколько требований:

- компактное представление правил обмена, их однозначное толкование,

- возможность проверки задания на полноту и непротиворечивость,

- возможность перехода от протоколов непосредственно к синтезу интерфейсного устройства.

Основным направлением решения поставленных задач является формализа­ция языка описания, которая может быть осуществлена в терминах асинхронных процессов.

Использование теории асинхронных процессов позволит дать формальное толкование понятия «протокол», описать интерфейс и его протокол.

Согласованные асинхронные процессы

Пусть заданы два приведенных процесса:

P₁^п= <S₁, F₁, I₁, R₁> и P₂^п = <S₂, F₂, I₂, R₂>

с ситуациями, в которых выделены входная и выходная компоненты.

Элементы подмножества Y₁* значений выходной компоненты ситуаций первого процесса (Y₁* Í Y₁) семантически эквивалентны элементам подмножества Х₂* значений входной компоненты ситуаций второго процесса (Х₂* Í Х₂), а элементы подмножества Y₂* значений выходной компоненты ситуаций второго процесса (Y₂* Í Y₂) - элементам подмножества X₁* значений вход­ной компоненты ситуаций первого процесса (Х₁* Í Х₁).

Осуществим, если это возможно, последовательную композицию процессов Р₁^п и Р₂^п, считая, что Y₁* = Х₂^* (либо Y₂^* = X₁*). Результатом композиции является асинхронный процесс Р_1,2^п (либо Р_2,1^п).В ситуациях асинхронного процесса Р_1,2^п (либо Р_2,1^п) выделим входную компоненту, совпадаю­щую со входной компонентой ситуаций P₁^п (либо P₂^п). Пост­роим, если это возможно, замыкание Р_1,2³ (либо Р_2,1³)асинхронного процесса Р_1,2^п (либо Р_2,1^п),считая, что поэлементно Y₂^* = X₁* ( либо Y₁* = Х₂^*). На основании введенных ранее понятий редук­ции и замыкания АП нетрудно показать, что Р_1,2³ = Р_2,1³.

Ситуации построенного таким образом асинхронного процесса имеют следующую структуру:

s = (u, v, z),

где и = у¹ = х², v = у² = х¹, z = (z¹, z²), причем компонен­ты u и v принимают значения из множеств U Í Y₁* = Х₂* и V Í Y₂* = Х₁* соответственно.

Определение 3.3. Два асинхронных процесса будем на­зывать согласованными относительно множеств U и V, если результатом применения к ним последовательной композиции и замыкания является автономный процесс, заданный на непустом множестве ситуаций, компоненты и и v которых являются отождествленными входными и выходными компонентами ситуаций этих процессов.