Le mini-ordinateur en ingenierie

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Par M. R. Ba ldur et M. J . G a u m o n d , Ecole Polytechnique, Universite de Montreal.

Les mini-ordinateurs evoluent rapidement et cette publication traite de leurs utilisations dans un laboratoire universitaire de genie mecanique. Le texte couvre les couts relatifs de plusieurs niveaux de complexite base sur les developpements realises a 1'Ecole Polytechnique. Les nombreux avantages d'un tel systeme et les difficultes provenant principalement du manque de support technique sont aussi discutes.

The application of mini-computers is rapidly expanding and this paper deals with their use at a university laboratory of a mechanical engineering department. Comparative costs are given for various levels of sophistication and actual experience is reported at the Ecole Polytechnique. Described are many advantages which can be gained from such an installation and also the difficulties, due mostly to the scarcity of technical support both in hardware and software fields.

Utilisation d'un mini-ordinateur a des fins academiques

Depuis quelques annees, le mini-ordinateur n'est plus considere comme un element de luxe dans un laboratoire; par exemple, en genie mecanique, il s'integre harmonieusement a 1'instrumentation neces-saire aux mesures de temperature, de pression, de flux ou de deforma­tion.

CANAUX A/N: 8 •

ICANAUX N/A: 2

| CANAUX N: 16^

APPLICATION A: $ 4,000.

TELESCRIPTEUR

LECTEUR/PERFORATEUR DE RUBAN DE PAPIER

MEMOIRE PRINCIPALE 16 K - OCTETS

I

UNITE CENTRALE DE TRAITEMENT

SYSTEME DE BASE: $ 13,000.

Figure 1: Equipement minimum typique constituant un mini-ordinateur. Note: K = 1024.

De plus, point n'est besoin d'investir de montants considerables: la figure 1 fournit une description schematique des divers elements constituant un systeme typique de base. Le logiciel d'exploitation donne a l'utilisateur le moyen de creer et d'executer des programmes d'application; le telescripteur lui permet 1'interaction necessaire a l'entree des programmes et des donnees en plus de pouvoir imprimer les resultats; enfin le lecteur/perforateur de ruban de papier joue le role d'une memoire secondaire primitive.

Repondant a certains objectifs de l'enseignement au ler cycle, le personnel enseignant peut ajouter a ce systeme de base 1'equipement apparaissant a la figure 2: cette application denotee A permet alors de faire aupres des etudiants la demonstration de tests experimentaux, tel la deformation d'une poutre soumise a un chargement mecanique. On peut ainsi leur expliquer les caracteristiques principales du mini-ordinateur et surtout, comment il peut aider a resoudre efficacement certains problemes experimentaux.

Alors que dans 1'application A destinee au ler cycle, seul le per­sonnel enseignant avait a se servir de l'equipement, l'enseignement au 2e cycle requiert des etudiants qu'ils realisent leur propre montage;

[CANAUX A/N: 8 h

ICANAUX N / A : 2 >

1 CANAUX N: 16

LECTEUR

DE CARTES

PERF0REES

MEMOIRE

PRINCIPALE

16 K-0CTETS

IMPRIMANTE

APPLICATION B: $ 19,000.

Figure 2 : Equipement additionnel a des fins academiques. Notes: A/N analogique /numerique; N/A = numerique/analogique; N = numerique.

dans cette application nommee B, ils doivent apprendre a utiliser le mini-ordinateur, comprendre son fonctionnement general et creer un programme capable de controler les divers instruments de mesure. Pour ce faire, un lecteur de cartes perforees et une imprimante augmentent la capacite d'utilisation du systeme. De plus, quoique dans T application A le personnel enseignant pouvait se satisfaire de la programmation en langage d'assemblee, la programmation en langage FORTRAN est ici toute indiquee pour repondre aux contraintes de temps plus severes; on retrouve au tableau 1 les caracteristiques prin­cipales de 1'utilisation des deux langages avec un mini-ordinateur. Enfin, qu'il suffise de mentionner que le logiciel FORTRAN requiert une quantite supp l emen ta l de memoire principale et que le person­nel enseignant doit rendre accessible aux etudiants certains sous-programmes de commande des appareils, de fagon a leur simplifier la tache.

40 CAN. ELEC. ENG. J. VOL 2, NO 4, 1977

Utilisation d'un mini-ordinateur a des fins experimentales

Lorsqu'il s'agit de remplir des besoins d'acquisition de donnees en temps reel, les sommes d'argent disponibles pour l'investissement ont un effet determinant sur le type de phenomenes analysables par le systeme.

LECTEUR

DE CARTES DE CARTES

PERFOREES

IMPRIMANTE IMPRIMANTE

MEMOIRE

PRINCIPALE

48 K-OCTETS

SUUS-SYSTEME

D'ENTREE/SORTIE

A/N

N/A

N

I

APPLICATION C: $ 2 4 , 0 0 0 .

TABLEAU 1

Appareils peripheriques constituent une memoire secondaire au mini-ordinateur

Caracteristiques

Vitesse relative de transmission d'information

Capacite maximale relative de stockage

Temps moyen relatif d'acces aleatoire a une fiche

Cassette Ruban Disque magnetique magnetique magnetique

Possibilite d'utilisation dans un autre ordina­teur de l'information enregistree

Cout d'achat

1/200

1/4

4 ,000

oui

1/5

10

10 ,000

non

$5 ,000 . $10 ,000 . $13 ,000 .

Figure 3: Equipement additionnel a des fins experimentales. Notes: A/N analogique/numerique; N/A = numeriquejanalogique; N = numerique.

A titre d'exemple, la figure 3 decrit 1'equipement additionnel pour une application denotee C, ayant pour but d'etudier la deformation d'une poutre soumise a un chargement combine flexion-traction. Sur demande, le sous-systeme d'entree/sortie effectue un releve des va­leurs de quelque 12 jauges de contrainte fixees sur la poutre et les convertit en donnees utilisables par le mini-ordinateur; les autres ele­ments du systeme permettent le developpement et 1'execution des divers programmes. La vitesse de balayage des multiples capteurs est fixee a 3 a la seconde; les problemes poses par cette application typique sont toutefois communs a d'autres applications impliquant des capteurs de differentes categories ou encore des conditions experi­mentales plus critiques. Les paragraphes suivants perniettront de rea-liser les limites imposees par le systeme actuel sur la duree et sur la qualite de l'analyse du phenomene; certains elements de solution se-ront aussi presentes.

La memoire principale constitue certes le facteur limitatif le plus important. L'analyse du phenomene de 1'application C requiert en effet que soient accomplies les taches suivantes: saisie des donnees, traitement de celles-ci et production de resultats significatifs. Meme si les 3 taches sont effectuees successivement de facon a reduire l'espace-memoire occupe par les programmes, la quantite de memoire ainsi liberee pour le stockage des donnees ne permet de recueillir qu'un nombre limite de valeurs provenant du phenomene. Une des meilleures facons d'accroitre la capacite de stockage du systeme est de lui adjoindre une memoire secondaire: diverses alternatives s'of-frent alors et quelques-unes sont decrites au tableau 1.

Non seulement la memoire secondaire augmente-t-elle la duree de l'analyse du phenomene en permettant d'emmagasiner beaucoup plus de donnees, mais une portion de memoire principale peut etre mainte-nant allouee a des modules de traitement et de production des resul­tats, ce qui est represente a la figure 4. On peut, par exemple, parfaire l'analyse en comparant 1'experimental au theorique tout au long de la duree du phenomene. II est aussi possible d'imprimer ou meme d'afficher graphiquement en temps reel certains resultats juges si­gnificatifs: dans ce dernier cas, un choix s'impose parmi quelques

SANS MEMOIRE SECONDAIRE

AVEC MEMOIRE SECONDAIRE

Figure 4: Utilisation de la memoire principale dans V application C. Note: K = 1024.

appareils et le tableau 2 fournit un sommaire des criteres impor-tants.

Evidemment, les delais d'operation de la memoire secondaire doi-vent etre compatibles avec les conditions experimentales, entre autre la vitesse de balayage. De plus, 1'addition d'une memoire secondaire^ requiert un effort de programmation supplementaire: la figure 5 te-moigne de ces divers facteurs. Parce que les 3 taches mentionnees plus haut peuvent maintenant fonctionner de facon simultanee, le systeme a certes gagne en valeur sans pour autant avoir perdu en performance: il est tout autant capable de suivre revolution du phe­nomene. A la figure 6, on apercoit 1'execution en parallele des diver­ses fontions d'un tel systeme durant une tranche de temps typique.

II est important d'y remarquer 1'importance du temps de stockage

1

1

oui

1

BALDUR: MINI-ORDINATEUR 41

TABLEAU 2

Appareils peripheriques permettant Faffichage de donnees en temps reel

Imprimante Traceur de courbes Ecran cathodique Caracteristiques graphique sur plan X Y (papier) graphique

Vitesse de sortie m o y e n n e lente rapide

Definition de 1'image ou du dessin tres bonne bonne tres b o n n e

Product ion d 'un d o c u m e n t oui oui par dispositif accessoire

Possibility d ' interact ion n o n n o n par dispositif accessoire

Cout d 'achat $7 ,000 $2 ,000 . de $4 ,000 . $7 ,000 a $9 ,000 .

TEMPS DE (msec)

STOCKAGE

D'UNE FICHE DE 500

250 CARACTERES

— r - — « 1 —

4,000 12,000

TEMPS DE

PROGRAMMATION

(MOIS)

( I )

20,000

COUT D'ACHAT ($)

Figure 5: Facteurs pertinents lors du choix d'une memoire secondaire dans 1'application C. Notes: $5,000 = 2 cassettes magnetiques; $17,000 = 2 rubans magnetiques; $20,000 = 2 disques magnetiques.

sur memoire secondaire: si les conditions experimentales devenaient plus critiques ou si 1'application passait de 1'acquisition de donnees au controle de processus, des facteurs tels une fonction calcul plus elabo-ree ou une interaction plus complexe avec le phenomene feraient que ie choix de la memoire secondaire prendrait encore plus d'impor­tance. A la figure 7, on voit facilement que pour un volume croissant d'information a etre stocke, le disque magnetique devient progressivement Valternative la plus logique.

Utilisation d'un mini-ordinateur a des fins de calcul

Quoique Vutilisation du mini-ordinateur soit connue et repandue en milieu experimental, son emploi pour des travaux de calcul ne s'ap-puie pas sur une aussi vaste experience. Au departement de genie

I DID

ED

tranche - 100% du temps unite centrale de traitement - 26% balayage et affichage - 3% calculs - 20% impression = 60% stockage sur cassette magnetique = 29% stockage sur ruban magnetique = 3% stockage sur disque magnetique = 1%

Figure 6: Representation des activites ayant lieu partiellement simultanement durant une tranche de 5 balayages dans V application C.

mecanique de 1'Ecole Polytechnique, lorsqu'il s'agit d'effectuer de la programmation en langage FORTRAN, le personnel peut acceder facilement au mini-ordinateur et aux ordinateurs CYBER 74 et IBM/360-75: cette situation de choix d'ordinateurs selon les exigen­ces posees par une application est monnaie courante chez beaucoup d'autres categories d'utilisateurs.

Bien que la qualite et la versatilite du logiciel FORTRAN soient souvent moindres avec un mini-ordinateur, les delais d'obtention des resultats sont generalement immediats pour de petits programmes; 1'utilisation a distance d'un terminal relie a un ordinateur central

^ ^ 400 -

300 -

200 -

100 -

- 2

- 1

42 CAN. ELEC. ENG. J. VOL 2, NO 4, 1977

Temps de t r a n s f e r t

(msec) 5000 CASSETTE MAGNETIQUE

RUBAN MAGNETIQUE

DISQUE MAGNETIQUE

~ N O M B R E DE CARACTERES A TRANSFERER

Figure 7: Variations du temps de transfert sur memoire secondaire selon la grosseur du bloc d'information.

permet evidemment d'atteindre un niveau d'interaction comparable sinon meilleur.

D'autre part, pour des applications ayant une fonction de calcul tres elaboree, le mini-ordinateur presente des avantages marques au point de vue de la flexibilite d'utilisation, surtout si de tels programmes doivent etre executes assez souvent. En effet, le mini-ordinateur peut etre laisse sans surveillance effectuant les fonctions exigees par un systeme complexe: il suffit de preparer adequatement la sequence des commandes et des donnees et on peut alors augmenter le facteur d'utilisation du mini-ordinateur en profitant des peri odes de nuit et de fin de semaine. Les montants autrement alloues a la location d'ordina­teur peuvent ainsi contribuer a l'elaboration de son propre systeme sur lequel un control e s'exerce beaucoup plus facilement. Le tableau 4 fournit une comparaison des couts d'utilisation pour une application, denotee D, de solution matricielle d'un probleme de genie mecanique:

TABLEAU 3

Utilisation d'un langage de programmation avec un mini-ordinateur

Caracteristiques FORTRAN Langage

d'assemblee

Taille minimale de la memoire principale: octets 32 K 8 K

Temps d'apprentissage: mois 1 2-5

Developpement de programme facile plus ardu

Efficacite pour des applications experimentales bonne meilleure

Possibilite d 'execut ion d 'un programme dans un autre ordinateur oui non

TABLEAU 4

Comparaison de l'execution d'un programme elabore de calcul (Application D)

CYBER 7 4 Mini-ordinateur

Temps tota l d 'execu­t ion et d 'en t ree /sor t ie : minu tes 90 1,500

Grandeur du mot -memoi re : bits 6 0 16

Memoire principale requise: K-mots 45

memoi re secondaire requise

Cou t d ' execut ion $1 ,500 . de $50 . a $100 .

a noter que les couts du mini-ordinateur ne sont fournis qu' approximativement.

Le developpement d'une application d'une telle envergure sur mini-ordinateur requiert certes de 1'expertise en informatique afin de s'adapter aux caracteristiques du systeme. Par exemple, il faut compenser pour une memoire principale petite par une plus grande utilisation de la memoire secondaire; de plus, il est souvent necessaire de prevoir un nombre plus grand de programmes courts et le sequen-cement de tels programmes s'avere plus complexe. Enfin, certains appareils sont necessaires au developpement des programmes: le tableau 5 decrit les caracteristiques d'appareils permettant l'entree d'information au mini-ordinateur.

Un systeme integre

Des facteurs comme des delais de formation et de familiarisation ainsi que des exigences de rentabilite a moyen terme justifient genera­lement une strategic progressive d'achat et de mise en operation d'un systeme de mini-ordinateur. A partir de donnees recueillies au depar-tement de genie mecanique de l'Ecole Poly technique, on a pu identifier les cinq stades de la strategic de developpement, lesquels apparaissent au tableau 6: a noter qu'un stade donne englobe les applications du stade precedent.

L'equipement necessaire aux applications mentionnees au tableau 6 est decrit au tableau 7; ceci permet d'avoir une vision globale de la strategic On remarque que certains appareils remplissent les exigen­ces posees a un stade particulier mais non plus a des stades plus avances: par exemple, la cassette magnetique et le traceur sont de bons choix au stade 3 mais n'offrent plus la performance requise aux stades 4 ou 5. D'autre part, 1'achat d'un sous-systeme modulaire d'entree/sortie A/N, N/A et N au stade 3 permet une expansion facile aux stades ulterieurs; 1'experience d'analyse et de programmation sera deja acquise quand viendra le temps d'envisager les applications beaucoup plus complexes des stades 4 et 5, ou Ton n'aura plus qu'a ajouter des modules au sous-systeme. Enfin, les estimes de developpement du logiciel sont fournis au tableau 8 pour des appli­cations typiques entreprises a l'Ecole Polytechnique: evidemment, ces couts devront etre majores si Ton envisage des applications sembla-bles ayant un caractere plus general ou devant rencontrer des exigen­ces plus severes.

Perception de la situation actuelle dans le domaine du mini-ordinateur

II ne fait plus de doute que le mini-ordinateur offre un potentiel tres vaste d'applications. Tout specialement dans le milieu de l'enseigne-

3000 -

1000 -

500 -

100 -

50 -

10 -

BALDUR: MINI-ORDINATEUR 43

TABLEAU 5

Appareils peripheriq ues permettant Fentree d'information au mini-ordinateur

Caracteristiques Lecteur de

cartes perforees Lecteur de

ruban de papier Telescripteur Ecran cathodique alphanumerique

Vitesse de lecture: caracteres/seconde 500 3 0 0 manuel le manuel le

Possiblite de correct ion d 'un programme a l 'e ta t source ou d 'un fichier de donnees manue l lement tres difficile par p rogramme

seulement par p rog ramme

seulement

Product ion d 'un releve des operat ions facilement lisible oui

difficilement lisible oui n o n

Cout d 'uti l isation eleve peu eleve peu eleve neglige able

Cout d 'achat $4 ,500 . $ 2 , 5 0 0 . $2 ,000 . $3 ,000 .

TABLEAU 6

Strategic de developpement d' un systeme de mini-ordinateur a FEcole Polytechnique

Applications Stade 1 S t a d e 2 Stade 3 Stade 4 Stade 5

Enseignement le r cycle V Enseignement 2e cycle V Programmation en langage d'assemblee V Programmation en langage F O R T R A N V Acquisition de donnees : pet i te performance V Acquisition de donnees: grande performance V Acquisition de donnees , calculs, stockage et affichage simultanes V Controle de processus V Calcul scientifique elabore V Utilisation d 'un mini-ordinateur comme terminal relie a un ordinateur central V

Cout total typ ique : $ 2 0 , 0 0 0 . $35 ,000 . $55 ,000 . $90 ,000 . $ 1 5 0 , 0 0 0 .

ment, il peut contribuer a developper des outils pedagogiques de plus en plus efficaces et ce, a un cout raisonnable. D'autre part, les milieux industriels ont su depuis longtemps l'integrer aux divers processus de fagon a rentabiliser leurs operations, ce que ne leur avaient pas permis les ordinateurs de grande taille; plus recemment, les domaines com-merciaux et financiers s'en servent principalement pour remplacer ou completer economiquement des systemes d'ordinateur de grande puissance. De plus, il est aussi possible de l'utiliser a des fonctions scientifiques ou le volume des calculs a effectuer serait grand: meme

si l'obtention des resultats prend un peu plus de temps, des sommes importantes en frais de location d'ordinateur peuvent alors servir a l'etablissement de son propre systeme de mini-ordinateur.

Posseder son mini-ordinateur pose evidemment certains problemes. II est souvent avantageux d'acheter l'equipement de plusieurs manu-facturiers mais une attention particuliere doit etre apportee a la compa­tibility entre les divers appareils et on doit aussi s'attendre a rencontrer des difficultes de soutien technique lors de panne impliquant des appa-

44 CAN. ELEC. ENG. J. VOL 2, NO 4, 1977

TABLEAU 7

Equipement necessaire a la strategic de developpement a l'Ecole Polytechnique

Stade 1 Stade 2 Stade 3 Stade 4 Stade 5

Memoire principale: 16 k-Octets 32 k-Octets 64 k-Octets

X X

X X X

Telescripteur Lecteur /perforateur de ruban de papier

X X X X X X X X

Lecteur de cartes perforees Impr imante

X X X X

X X

X X

Cassette magnet ique: 2 uni tes Ruban magnet ique: 1 uni te Disque magnet ique: 1 uni te

2 uni tes

X X X

X

X

Ecran ca thodique a lphanumerique Ecran ca thodique graphique Traceur X-Y sur papier X

X X

X X

Interface de communica t ions e t m o d e m s X

Canaux A/N, N /A et N Sous-systeme d 'entree/sort ie A/N, N / A e t N

X X X X X

Cont ra t d 'entret ien X X X

reils de provenances differentes. De plus, le logiciel du manufacturier ne suffit generalement pas a toutes les exigences posees par les diver-ses applications.

Certaines societes de service informatique se specialised dans le logiciel d'application mais il faut alors bien s'assurer que les cahiers de charges sont respectes et etre pret a defrayer un montant parfois eleve pour la solution offerte. Ainsi, que ce soit pour un organisme universitaire ou pour une societe manufacturiere ou commerciale de petite taille, les problemes se poseront d'une fagon similaire et Tune des solutions qui apparait la plus avantageuse a long terme est de pouvoir compter sur une certaine expertise-maison. Cette solution souleve certes des problemes de qualite et de disponibilite permanente du soutien technique; si Ton parvient toutefois a les resoudre, elle offre l'avantage de pouvoir compter sur des ressources internes lors-que des decisions strategiques pour l'entfeprise ou 1'organisme en question comporteront de quelque facon certains aspects informa-tiques.

Conclusion

En milieu universitaire, l'etablissement d'un systeme de mini-ordinateur peut comporter des avantages marques pour des domaines comme l'enseignement, le travail experimental et le calcul scientifique en autant qu'une strategic progressive de developpement soit instauree. D'autre part, quand 1'utilisation d'un mini-ordinateur devient generate et intensive dans quelque milieu que ce soit, le sou­tien technique se presente alors comme le probleme majeur a resoudre et on peut dimcilement compter sur une expertise exterieure puisque l'industrie du mini-ordinateur n 'a pas atteint la maturite de celle des ordinateurs de grande puissance. Enfin, il y a souvent de grands benefices economiques a retirer d'un systeme de mini-ordinateur en autant que les deux conditions enoncees plus haut aient ete satisfaites de fagon raisonnable.

TABLEAU 8

Estimes du cout de developpement du logiciel pour certaines applications a

l'Ecole Polytechnique

Mois-homme

Enseignement l e r cycle: application A 2

Enseignement 2e cycle: application B 3

Acquisi t ion de donnees : pet i te performance 3

Acquisit ion de donnees : grante performance 4

Acquisit ion de donnees, calculs, stockage e t affichage simultanes 10

Controle de processus 12

Calcul scientifique elabore 4

Utilisation d 'un mini-ordinateur comme terminal relie a un ordinateur central 18

NOTE: Mois-Homme= $1,200 pour analyste-programmeur ayant un an d'experience. Ce cout est utilise pour deriver les couts totaux au tableau 3.