Сочинение на тему Кибер Физические Системы
- Опубликовано: 12.08.2020
- Предмет: Информационная наука
- Темы: Cyber, Информационные технологии
Прогресс исследований в области киберфизических систем (CPS) обещает преобразовать наш мир с помощью систем, которые быстрее реагируют, точнее, работают в опасных или недоступных средах, обеспечивают крупномасштабную распределенную координацию, высокоэффективны, расширяют возможности человека и улучшить социальное благополучие. Некоторые примеры включают автономное предотвращение столкновений; роботизированная хирургия и производство нанотолерантности; автономные системы поиска и спасания; пожаротушение и разведка, автоматизированное управление движением; здания с нулевой чистой энергией; и вспомогательные технологии и повсеместное медицинское наблюдение и поставка. CPS – это, по сути, соединение и координация физических и вычислительных ресурсов. Однако современные компьютерные и сетевые абстракции плохо подходят для реализации приложений CPS. Необходимо разработать новые абстракции, чтобы объединить вычислительные и физические процессы унифицированным способом.
Современные методы вычисления, создания сетей и реализации программного обеспечения в большей степени ориентированы на среднюю производительность случая, а не на предсказуемость времени. Языки программирования, такие как C или Java, не имеют методов для указания временных ограничений. То есть язык не связывает время с программой. Как правило, компоненты системы разрабатываются индивидуально, а затем интегрируются. В конце концов, время выполнения в худшем случае может быть рассчитано и учтено. Хотя современные архитектуры, в которых используются многоуровневые кэши, предикторы ветвлений, глубокие конвейеры и т. Д., Улучшают среднюю производительность, они не влияют на производительность в худшем случае. Сбои в некоторых 2 приложениях, которые зависят от времени выполнения в наихудшем случае, могут быть катастрофическими, такие как контроллеры полета для спутников, медицинское диагностическое оборудование для пациента в интенсивной терапии и системы наведения для ракет, чтобы назвать несколько. CPS в первую очередь касается того, как учитывается время. В физическом мире время не может останавливаться для выполнения вычислений, и CPS должен работать в режиме реального времени, чтобы придерживаться того факта, что время в физическом мире непрерывно. В целях достижения требований к синхронизации CPS были определены новые архитектуры процессоров, включающие процессоры Precision Timed (PRET).
PRET призван обеспечить предсказуемость синхронизации на уровне архитектуры. Предсказуемость времени – это способность прогнозировать временные свойства системы. Многие из основных элементов процессора RISC сохраняются при удалении других источников неопределенности. Концептуально инструкции извлекаются, декодируются и выполняются одинаково; однако способы реализации этих задач могут различаться. Для исследования CPS разрабатывается процессор PRET с открытым исходным кодом на основе программного процессора OpenFire. Хотя многие аспекты процессора, влияющие на выполнение задач, могут быть рассмотрены, такие как конвейеры, кэши, межпроцессное взаимодействие (IPC) и распределение ресурсов, управление потоками рассматривается в этом тезисе. Более конкретно, рассматривается аппаратное и программное взаимодействие для планирования потоков. Различные методы для реализации аппаратных планировщиков идентифицируются, моделируются и анализируются. Мотивации внедрения контроллера аппаратного обеспечения включают в себя: ускорение по сравнению с программным обеспечением, гибкость и прирост производительности, напрямую привязанный к частоте операций планирования (и многие другие).
Кроме их названий, существуют различия между программным и аппаратным обеспечением. Программное обеспечение может рассматриваться как набор упорядоченных инструкций, необходимых для выполнения конкретной задачи. Эти инструкции могут быть источником накладных расходов, особенно в системах реального времени. Если у пациента артериальное давление 3 значительно падает; но для того, чтобы предупредить медсестру, необходимо выполнить десять инструкций, жизненно важное время было потрачено впустую, если выполнение инструкций занимает достаточно много времени. Аппаратное обеспечение может потенциально преодолеть множество ловушек, связанных с программным обеспечением. Некоторые вычисления могут выполняться параллельно с процессором, если реализованы аппаратно. Накладные расходы сокращаются за счет невыполнения набора инструкций. Более того, аппаратное обеспечение по своей сути детерминировано. То есть время выполнения в аппаратном обеспечении может быть легче вычислено по сравнению со временем выполнения в программном обеспечении. Хотя версия программного обеспечения может выполнять алгоритм в 12 тактовых циклах, могут существовать дополнительные издержки; тем не менее, аппаратная версия занимает 2 такта без дополнительных затрат.
Несмотря на то, что предсказуемость синхронизации легче оценить в аппаратном обеспечении, многие утверждают, что время обработки также может быть уменьшено. Более того, затраты на проектирование и время выхода на рынок снижаются благодаря использованию FPGA. Хотя многие процессоры могут быть перепрограммированы для выполнения определенных приложений, перепрограммирование выполняется программно. То есть количество аппаратных устройств, таких как множители, сумматоры, кэш и т. Д., Не меняется. Настраиваемые вычислительные устройства, такие как ПЛИС, можно настраивать на аппаратном уровне, а не на программном уровне. Конфигурация FPGA чаще всего указывается с использованием языка описания оборудования (HDL). Наиболее часто используемые ЛПВП – это Verilog и VHDL. Специфично для этого тезиса, мягкий процессор был создан в логической матрице и памяти общего назначения ПЛИС и используется для исследования необходимости в архитектурах PRET в приложениях CPS.
Как указывалось ранее, программный процессор, реализованный на ПЛИС, создается в логической матрице и памяти общего назначения ПЛИС. Мягкий процессор – это ядро интеллектуальной собственности, которое реализовано с использованием логических элементов, которые реализуют определенные схемы поведения, используя программируемые логические устройства. Его можно рассматривать как программный микропроцессор. Конфигурируемость, быстрое время выхода на рынок, простота интеграции и избежание устаревания – это особенности использования программного процессора. В настоящее время существует программный процессор с открытым исходным кодом для технологии FPGA, OpenFire, который в настоящее время модифицируется для приложений CPS. Текущие модификации OpenFire добавляют дополнительные этапы в конвейер. Эта новая версия, MultiFire, показала увеличение производительности (36% по площади и 69% по максимальной частоте) по сравнению с OpenFire. Несмотря на то, что для продвижения исследований архитектуры PRET необходимо исследовать многие области, цель этого тезиса состоит в том, чтобы идентифицировать, моделировать и моделировать методы планирования потоков в аппаратном обеспечении для многопоточных приложений.
Потоки – это, по сути, набор инструкций, используемых для выполнения определенной операции. Более того, многопоточность – это процесс одновременного выполнения нескольких потоков на процессоре. Некоторые задачи в физическом мире состоят из нескольких процессов, которые могут выполняться параллельно. Например, автономная система может интерпретировать скорость, температуру, высоту и давление, чтобы принимать решение для конкретной задачи. Каждое измеренное событие можно считать потоком. То есть инструкции, необходимые для измерения скорости, будут выполняться с использованием одного потока, а инструкции, необходимые для измерения температуры, будут выполняться в другом потоке. Хотя правильность важна, правильное выполнение этих задач в реальном времени имеет первостепенное значение. Определенные события в среде приложений определяют значимость потока. В приведенном выше примере измерение температуры может быть более важным, чем измерение скорости. Кроме того, скорость может быть измерена чаще, чем температура. Следовательно, когда требуется температура, потоку, предоставляющему данные о температуре, может потребоваться прервать поток, предоставляющий данные о скорости. Каждый процесс представляет поток, а блок управления потоком представляет управление и планирование. Целью данного тезиса является моделирование и моделирование методов планирования потоков в аппаратном обеспечении.
Планирование потоков имеет решающее значение для обеспечения работы определенных приложений в режиме реального времени. Однако большинство традиционных схем планирования, которые встречаются для многопоточных приложений, неэффективны для реализации приложений реального времени. Кроме того, переключение контекста увеличивает издержки при использовании нескольких потоков. Поэтому эффективная реализация переключений контекста и потоков планирования имеет первостепенное значение в приложениях реального времени. Наиболее распространенные схемы, которые встречаются для планирования и реализации многопоточных приложений 7, включают в себя: циклический перебор, первый пришел-первый (FIFO), оставшееся кратчайшее время, многоуровневая очередь и планирование на основе приоритетов.
Текущая реализация в процессоре MultiFire использует схему циклического планирования; новая инструкция извлекается каждый цикл из другого потока. Round-robin считается самым простым решением для реализации алгоритма планирования потоков. Равные временные интервалы задаются каждому потоку, и они циклически проходят по конвейеру. Приоритеты не устанавливаются в циклической схеме. Каждому потоку дается одинаковое количество времени для выполнения. Как только временной интервал завершается, состояние потока сохраняется, и следующему потоку в очереди предоставляется такое же количество времени для выполнения. Как только временной интервал для последнего потока в очереди завершается, первый поток запускается снова. В то время как этот метод прост для понимания и реализации, приложения реального времени сильно страдают, так как количество необходимых потоков увеличивается. Количество потоков и длина каждого временного интервала влияют на то, сколько времени потребуется одному потоку для завершения. В приложениях реального времени 8 определенных потоков могут требовать более раннего времени завершения. Хотя распределение времени для выполнения каждого потока может показаться справедливым, некоторые приложения могут потребовать внимания и результатов раньше. Например, если чье-то сердце перестает биться, кто носит кардиостимулятор, следует немедленно обратить внимание на схему, необходимую для того, чтобы сердце человека билось. Следовательно, может потребоваться больше времени (то есть более длинные временные интервалы) для определенных потоков. Существуют три других традиционных метода планирования («первым пришел – первым обслужен», «самое короткое оставшееся время» и «фиксированный приоритет») для устранения недостатков, наблюдаемых в схемах циклического планирования. Однако они также иногда оказываются неэффективными для реализации приложений реального времени.
В широком смысле принцип «первым пришел – первым обслужен» (FIFO) – это концепция, которая позволяет обслуживать первый элемент, встречающийся в процессе. Вот некоторые примеры: люди, ожидающие в очереди, очередь печати и электронные буферы. Подумайте о том, чтобы стоять в очереди на месте бизнеса. Лицо, находящееся на 9 линии, обслуживается первым. После их обслуживания обслуживается следующий человек в очереди. Этот процесс повторяется, пока все люди не будут обслужены. Эту же идею можно увидеть в стандартной очереди печати. Если пять человек хотят распечатать документ одновременно, тот, кто первым отправит свой документ в очередь печати, будет обслуживаться первым независимо от размера документа. Первый документ может состоять из ста страниц, а следующий документ в очереди может состоять из одной страницы. В любом случае первый документ в очереди на печать будет обслуживаться первым. Хотя этот метод кажется наиболее справедливым, он оказывается очень неэффективным для приложений реального времени. Пропускная способность обычно низкая из-за длинных процессов, заполняющих очередь. Кроме того, сроки не учитываются при выполнении процессов. Однако затраты на планирование обычно минимальны, поскольку переключение контекста происходит только при завершении процесса.
Планирование наименьшего оставшегося времени, иногда называемое сначала кратчайшим заданием, – это концепция, которая позволяет обслуживать процесс с кратчайшим временем в первую очередь. Тот же пример стояния в очереди можно использовать для иллюстрации. Когда два человека вступают в линию в бизнесе, иногда человек, нуждающийся в большем количестве времени, позволяет сначала обслужить другого человека, нуждающегося в более коротком времени. Например, иногда покупатель в продуктовом магазине с тележкой, полной продуктов, разрешает сначала обслуживать другого человека с одним предметом. Это легко оказывается субъективным в зависимости от вовлеченных людей. Кроме того, приложение реального времени, реализующее схему планирования с наименьшим оставшимся временем, не является субъективным. В то время как человек может легко сделать ходатайство о том, чтобы переместиться на передний край, у ниток нет такой роскоши. Процессор не знает разницы между потоком, обслуживающим пациента в больнице, и потоком, считывающим термометр. Этот метод оказывается неэффективным во многих отношениях. Во-первых, страдают процессы с более длительным временем. Они должны постоянно ждать завершения более коротких процессов, прежде чем их рассматривать. Более длительные процессы фактически лишены процессорного времени. Во-вторых, переключение контекста добавляет издержки, если выполняемый в данный момент процесс прерывается процессом с более коротким временем. Если это происходит, более длинный процесс делится пополам, возможно, много раз, что позволяет выполнять более короткие процессы. Наконец, сроки не рассматриваются. Время обработки просто учитывается и учитывается при определении того, какой процесс выполнить. Чтобы ввести некоторую форму субъективности для определения того, какой поток обслуживается первым, может быть реализована схема приоритетного планирования с фиксированным приоритетом.
Упреждающее планирование с фиксированным приоритетом – это концепция, которая применяет приоритеты к процессам для определения их порядка обслуживания. Поток с более высоким приоритетом будет перемещаться вверх в очереди выполнения. Если он заблокирован, он переместится в очередь ожидания, и следующий поток с наивысшим приоритетом будет выполнен в очереди выполнения. Определение приоритета для каждого потока зависит от приложения. Для этого отчета будет рассмотрено планирование потоков на основе приоритетов в оборудовании. Более того, предполагается, что приоритеты уже установлены для целей настоящего отчета. То есть расстановка приоритетов потоков не имеет значения для целей данного отчета; Для целей настоящего отчета будут использованы четыре приоритета. Три высших приоритета используются для специфических для приложения операций, а четвертый приоритет используется для состояния ожидания. Приоритеты необходимы для того, чтобы обратиться к иерархии событий для конкретного процесса. Например, если кардиостимулятор чувствует, что сердце пользователя перестает биться, процесс, необходимый для запуска сердца пользователя, должен иметь наивысший приоритет. Более того, другие темы должны быть остановлены …
Кибербезопасность или защита информационных технологий – это методы защиты компьютеров, сетей, программ и данных от несанкционированного доступа или атак, направленных на эксплуатацию. Существует четыре типа
Ахмад Альдхафири CEGR 4802/1/2018 ГИС Геоинформационная система (ГИС) – это система, предназначенная для сбора, хранения, обработки, анализа, управления и представления всех типов географических данных. Ключевым
Основная идея виртуальной машины состоит в том, чтобы удалить оборудование одного компьютера и сделать его автономной операционной средой, которая ведет себя как отдельный компьютер. По