Контрольная работа: Моделирование процесса печати с использованием струйного принтера Hewlett Packard (термоструйная печать)
Контрольная работа: Моделирование процесса печати с использованием струйного принтера Hewlett Packard (термоструйная печать)
Задание
1. Выбрать вычислительный процесс и на его примере:
- построить метамодель «асинхронный процесс» и определить свойства исходного процесса на основе анализа метамодели;
- выполнить операции над процессом: репозиция, редукция, композиция, и оценить полученные результаты с практической точки зрения;
- построить предметную интерпретацию метамодели на основе сети Петри и сделать вывод о динамических характеристиках исходного процесса.
2. Оформить отчет.
Выполнение задания
1. Выделить компоненты рассматриваемого процесса.
2. Сформировать множество ситуаций рассматриваемого процесса.
3. Описать модель «асинхронный процесс».
4. Определить траектории выполнения процесса и классы эквивалентности ситуаций и сделать вывод о свойствах рассматриваемого процесса (эффективность, управляемость, простота).
5. Определить множество дополнительных ситуаций для возобновления процесса (если они есть) и построить полную или частичную репозицию процесса.
6. Выделить входные или выходные компоненты асинхронного процесса, выбрать требуемые и построить на их основе редукцию процесса.
7. Определить два подпроцесса на базе исследуемого, выбрать удобный вид композиции (последовательную или параллельную) и построить ее.
8. Описать составляющие модели «асинхронный процесс», используя понятия модели «сеть Петри».
9. Провести анализ свойств мест сети Петри на ограниченность и безопасность.
10. Провести анализ свойств переходов сети Петри на живость и устойчивость.
Постановка задания
Рассмотреть процесс печати с использованием струйного принтера Hewlett Packard (термоструйная печать). Построить метамодель «асинхронный процесс» и модель «сеть Петри». Исследовать их свойства.
Описание процесса
Струйные принтеры Hewlett Packard используют технологию термоструйной печати. В струйных принтерах имеется термоголовка, нижняя часть которой находится на небольшом расстоянии (около 1 мм и меньше) от листа бумаги. В нижней части головки на небольшом расстоянии друг от друга находятся несколько сопел (металлические пластинки, разделенных тончайшими щелями), объединенных в прямоугольную матрицу. Каждое сопло оборудовано одним или двумя нагревательными элементами (микроскопическими тонкопленочными резисторами). Сосуды с краской, сопла и нагревательные резисторы зачастую объединяются в один блок ─ картридж.
Специальные механизмы перемещают бумагу и каретку, в которой в специальных держателях установлены печатающие картриджи.
При подаче напряжения резистор за несколько микросекунд нагревается до температуры около 500°, краска вскипает. В кипящих чернилах постепенно образуется пузырек воздуха, рост которого приводит к выдавливанию чернил из сопла. Спустя приблизительно 3 микросекунды пузырек лопается и происходит отрыв, и последующий выброс уже сформировавшейся капли. После разрушения пузырька и выброса капли силы поверхностного натяжения втягивают новую порцию чернил в камеру.
Т.к. расстояние между соплом и бумагой невелико, то капля краски попадает в строго определенное место на листе бумаги. Затем печатающая головка перемещается на некоторое расстояние и процесс повторяется.
Построение метамодели «асинхронный процесс».
Компоненты
1. K – устройство управления
K+ - контролирует работу печати и всех элементов принтера
K– - бездействует
2. M – память
M+ - содержит задания на печать
M– - свободна
3. P – бумага
P+ - содержится в лотке
P– - отсутствует
4. V – система валиков для подачи бумаги
V+ - работает (перемещает бумагу)
V– - ожидает (покоится)
5. C – каретка с печатающими картриджами
C+ - перемещается
C– - покоится
6. R – нагревательный элемент (тонкопленочный резистр)
R+ - нагрет
R– - охлажден
7. S – сопло
S+ - выбрасывает каплю чернил
S– - бездействует
8. H – камера
H+ - содержит чернила
H– - пуста
9. B – пузырь
B+ - есть
B– - отсутствует
Ситуации, возникшие в процессе печати
1. Принтер включен. Задание печати.
K+ M + P– V– C– R – S – H + B –
2. В начале печати – проверка на наличие бумаги. Ее подача. При повторении печати – прокрутка бумаги.
K+ M + P+ V+ C– R – S – H + B –
3. Отсутствие бумаги. Вывод сообщения об ошибке.
K+ M + P– V+ C– R – S – H + B –
4. Каретка перемещается.
K+ M + P+ V– C+ R – S – H + B –
5. Пропускается ток. Резистр осуществляет быстрый нагрев чернил, находящихся в небольшой камере, до температуры их кипения.
K+ M + P+ V– C– R + S – H + B –
6. Образуется пузырек воздуха, который постепенно растет. Из выходного отверстия сопла выдавливаются пузырем чернила. Ток отключается. Нагревательный элемент остывает.
K+ M + P+ V– C– R – S – H + B +
7. Пузырек лопается. Происходит отрыв и последующий выброс уже оформившейся капли на бумагу. Силы поверхностного натяжения втягивают новую порцию чернил в камеру.
K+ M + P+ V– C– R – S + H + B –
8. С помощью системы валиков бумага выходит из принтера. Память принтера освобождается.
K+ M – P– V + C– R – S – H + B –
s1 = (1,1,0,0,0,0,0,1,0)
s2 = (1,1,1,1,0,0,0,1,0)
s3 = (1,1,0,1,0,0,0,1,0)
s4 = (1,1,1,0,1,0,0,1,0)
s5 = (1,1,1,0,0,1,0,1,0)
s6 = (1,1,1,0,0,0,0,1,1)
s7 = (1,1,1,0,0,0,1,1,0)
s8 = (1,0,0,1,0,0,0,1,0)
Ситуации: S={s1, s2, s3, s4, s5, s6, s7, s8}
Инициаторы: I= {s1, s2, s4}
Результанты: R={s3, s7, s8}
Ситуация s1 описывает начальный этап процесса, то есть задание печати.
Ситуация s2 описывает ситуацию, когда происходит проверка на наличие бумаги в лотке. Она инициирует два возможных результата – дальнейшее продолжение печати, либо ее прекращение после вывода сообщения об ошибке.
Ситуация s4 инициирует непосредственно начало процесса печати (то есть процесса нанесения чернил на бумагу).
Ситуация s3 описывает возможный результат в случае отсутствия бумаги.
Ситуация s7 описывает непосредственно результат печати.
Ситуация s8 описывает завершение работы принтера после печати.
Граф, отражающий отношение непосредственного следования
Траектории выполнения процесса, классы эквивалентности ситуаций и свойства рассматриваемого процесса
В данном случае имеем следующие траектории:
S1 → S2 → S4 → S5 → S6 → S7 → S8 – полный процесс, включающий все этапы работы струйного принтера (от задания печати и вплоть до освобождения памяти принтера, при условии, что в лотке содержится бумага).
S4 → S5 → S6 → S7 – процесс, включающий основные этапы работы струйного принтера, а именно сам механизм печати.
S2 → S3 – процесс, осуществляемый в случае отсутствия бумаги в лотке.
Пусть задан асинхронный процесс, у которого:
1. для любой ситуации s, не являющейся инициатором, найдется такой инициатор i, что (i M s),
2. для любой ситуации s, не являющейся результантом, найдется такой результант r, что (s M r),
3. не найдется двух ситуаций si и sj , таких что: (si Ï R) & (sj Ï R) & (si M sj) & (sj M si).
Такой асинхронный процесс называется эффективным. То есть все ситуации эффективного процесса ведут из инициаторов в результанты, а также не должно быть ориентированных циклов, за исключением циклов, состоящих только из результантов.
Бинарное отношение эквивалентности ситуаций, обозначаемое буквой E означает, что либо si = sj , либо (si F sj) и (sj F si). Отношение эквивалентности позволяет построить разбиение множество ситуаций на непересекающиеся классы эквивалентности, такие, что любые две ситуации из одного класса эквивалентны, а любые две ситуации из разных классов не эквивалентны. Для классов эквивалентности определено отношение непосредственного следования F. В допустимых последовательностях классов можно выделить начальные и конечные элементы, которые будем называть соответственно начальными и заключительными классами эквивалентности. Для эффективного АП начальные классы могут состоять только из инициаторов, заключительные - только из результантов.
Для эффективного АП любой класс эквивалентности ситуаций, не принадлежащий результантам, состоит из одной ситуации.
Если в эффективном асинхронном процессе каждая допустимая последовательность классов эквивалентности ведет из каждого начального класса в один и только один заключительный класс, то такой процесс называется управляемым.
В процессе печати струйного принтера все ситуации лежат на пути из инициаторов в результанты, то есть выполняются 1 и 2 свойства; и нет циклов, то есть выполняется свойство 3. Следовательно, можно сделать вывод о том, что данный процесс является эффективным.
В данном процессе начальный класс эквивалентности содержит одну ситуацию s1, а конечных класса два и они содержат соответственно две ситуации s7 и s8 и одну ситуацию s3, все остальные классы эквивалентности содержат по одному элементу.
Так как некоторые допустимые последовательности классов эквивалентности ведут из начальных классов не в один, а в два заключительных класса, то данный процесс не является управляемым.
Пусть в эффективном асинхронном процессе выполнены следующие условия:
1) для " i Î I и " s Î S: (i F s) Þ (s Ï I);
2) для " r Î R и " s Î S: (s F r) Þ (s Ï R);
т.е. из инициатора (результанта) нельзя попасть в другой инициатор (результант). Иными словами каждая траектория содержит в точности один инициатор и один результант.
Асинхронный процесс, удовлетворяющий свойствам 1, 2 называется простым.
Данный процесс не удовлетворяет первому и второму свойствам, поэтому не является простым.
Вывод: рассматриваемый процесс печати струйного принтера является эффективным, но не является ни управляемым, ни простым.
Операции над процессами.
Репозиция.
Репозиция - это возобновление процесса, механизм перехода от результантов к инициаторам.
В данном случае множество дополнительных ситуаций репозиции SD вводить не нужно.
Репозицией данного процесса можно считать:
1. возобновление печати на новом листе.
Инициатор: s8
Результант: s1
2. Циклическое повторение нагрева чернил, образования пузыря и выброс капли на бумагу
Инициатор: s7
Результант: s4
3. Возобновление печати после вывода сообщения об отсутствии бумаги
Инициатор: s3
Результант: s1
Таким образом, репозиция данного процесса имеет вид , где
= {s1, s3, s4, s7, s8},
= {s3, s7, s8},
R' = {s1, s4},
= {(s8, s1), (s7, s4), (s3, s1)}
Объединение процесса и его репозиции:
Вывод: репозиция позволяет повторить процесс после его выполнения. Для данной модели это означает, что печать может происходить не один раз, а столько, сколько необходимо в рамках поставленной задачи.
Репозиция рассматриваемого процесса является частичной, так как I' совпадает с R, но R' не совпадает с I.
Редукция
Редукция процесса состоит в сведении данного асинхронного процесса к более простому.
Составим редукцию репозиции нашего процесса.
Пусть процесс задан диаграммой переходов:
Три первых элемента вектора выберем в качестве входной компоненты.
Образуем p-блочное разбиение множества S , p = 4:
X = {1001, 1100, 1101, 1110, 1111}
Выбираем r =2 (r < p):
X* = {1110, 1111}
Образуем множество, содержащее ситуации, входящие в те блоки разбиения, которые соответствуют выбранным значениям входной компоненты:
S* = {111100010, 111010010, 111001010, 111000011, 111000110}
Для каждого инициатора построим множество ситуаций встречающихся на траекториях процесса , ведущих из указанного инициатора. Образуем множество как объединение тех множеств , для которых справедливо :
1: 110000010→111100010→ 111010010→111001010→111000011→
→111000110→100100010
2: 111100010→110100010
3: 111010010→111001010→111000001→111000110
Ситуации из траектории 3:
S(X*) = {111010010, 111001010, 111000011, 111000110}
I(X*) = {111010010}
R(X*) = {111000110}
Построим F(X*):
Вывод: редукция позволяет из полного описания процесса выделить некоторую его часть, рассмотрение которой интересно по тем или иным причинам.
В данном случае, в результате редукции была выделена ветвь, которая соответствует механизму печати струйного принтера (перемещение каретки, нагрев чернил, образование пузыря, выброс капли на бумагу и наполнение камеры чернилами).
Композиция
Рассмотрим последовательную композицию двух процессов с ситуациями, структурированными по второму способу: в ситуациях p1 выделена выходная компонента; в ситуациях p2 выделена входная компонента.
p1 – подготовки к печати, состоит из двух ситуаций;
p2 – непосредственно сама печать;
Компоненты процесса p1:
1. K – устройство управления
K+ - контролирует работу печати и всех элементов принтера
K– - бездействует
2. P – бумага
P+ - содержится в лотке
P– - отсутствует
3. M – память
M+ - содержит задания на печать
M– - свободна
Ситуации процесса p1:
1. Принтер включен. Задание печати.
K+ P– M +
2. Проверка на наличие бумаги.
K+ P+ M +
K | P | M | |
s11 = |
1 | 0 | 1 |
s22 = |
1 | 1 | 1 |