TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI. Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií

´ UNIVERZITA V LIBERCI TECHNICKA Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborov´ ych studi´ı

´R ˇ SKA ´ PRA ´ CE BAKALA

Liberec 2009

Viktor Bubla

´ UNIVERZITA V LIBERCI TECHNICKA Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborov´ ych studi´ı

Studijn´ı program: B2612 Elektrotechnika a informatika Studijn´ı obor: Elektronické informaˇcn´ı a ˇr´ıdic´ı systémy

Virtua´ln´ı mˇeˇr´ıc´ı a monitorovac´ı pˇr´ıstroj v prostˇred´ı GNU/Linux Virtual measuring and monitoring device under GNU/Linux

Bakala´ˇrska´ praće

Autor: Vedouc´ı práce: Konzultant:

V Liberci 24.5.2009

Viktor Bubla Ing. Tomáˇs Tobiˇska Ing. Jan Kraus

Originál zadán´ı

Prohlášení Byl jsem seznámen s t´ım, ˇze na mou bakaláˇrskou práci se plnˇe vztahuje zákon ˇc. 121/2000 o právu autorském, zejména § 60 (ˇskoln´ı d´ılo). Beru na vˇedom´ı, ˇze TUL má právo na uzavˇren´ı licenˇcn´ı smlouvy o uˇzit´ı mé BP a prohlaˇsuji, ˇze s o u h l a s ´ı m s pˇr´ıpadn´ ym uˇzit´ım mé bakaláˇrské práce (prodej, zap˚ ujˇcen´ı apod.). Jsem si vˇedom toho, ˇze uˇz´ıt své bakaláˇrské práce ˇci poskytnout licenci k jej´ımu vyuˇzit´ı mohu jen se souhlasem TUL, která má právo ode mne poˇzadovat pˇrimˇeˇren´ y pˇr´ıspˇevek na u ´hradu náklad˚ u, vynaloˇzen´ ych univerzitou na vytvoˇren´ı d´ıla (aˇz do jejich skuteˇcné v´ yˇse). Bakaláˇrskou práci jsem vypracoval samostatnˇe s pouˇzit´ım uvedené literatury a na základˇe konzultac´ı s vedouc´ım bakaláˇrské práce a konzultantem.

Datum

Podpis

3

Podˇ ekování Pˇrednˇe bych rád podˇekoval celé komunitˇe lid´ı, která vyv´ıj´ı a stará se o software s otevˇren´ ym zdrojov´ ym kódem a zejména o operaˇcn´ı systém GNU/Linux1 . D´ıky n´ı jsem mohl já, stejnˇe jako kdokoli na svˇetˇe, pouˇz´ıvat legálnˇe a zdarma vˇsechen software, kter´ y jsem kdy ke své práci potˇreboval i v dobˇe, kdy jsem byl jako student bez finanˇcn´ıch prostˇredk˚ u. Právˇe d´ıky svému zaujet´ı pro Linux jsem se jiˇz v prvn´ım roˇcn´ıku pˇres pana Ing. Jana Koprnického, Ph.D., dozvˇedˇel o panu Ing. Janu Krausovi. Ten mˇe okamˇzitˇe nasmˇeroval správn´ ym smˇerem a hned v dalˇs´ım semestru jsem pˇreˇsel z jazyka Pascal na mnohem uˇziteˇcnˇejˇs´ı jazyk C. Za to jsem mu velice vdˇeˇcn´ y, protoˇze nepamatuji, ˇze bych se nˇekdy znovu v´ yraznˇeji setkal s Pascalem jak v souvislosti s Linuxem, tak v dalˇs´ıch oblastech. Za zm´ınku jistˇe stoj´ı i konzultace, pˇri kter´ ych jsem sice vˇetˇsinou zjistil, ˇze velká ˇcást pˇredchoz´ıho programován´ı byla zbyteˇcná nebo nepouˇzitelná, na druhou stranu jsem vˇsak pokaˇzdé dostal nové nápady, rady, informace a nasmˇerován´ı, kam se dále ub´ırat. Na posledn´ım m´ıstˇe i kdyˇz v neposledn´ı ˇradˇe nemohu nezm´ınit pohotové a vstˇr´ıcné rady a updaty zdrojov´ ych soubor˚ u panem Ing. Tomáˇsem Tobiˇskou. Jeho pˇrehled a orientace ve vˇsech souvislostech mezi des´ıtkami zdrojov´ ych soubor˚ u, stovkami struktur a tis´ıci promˇenn´ ych na mˇe pokaˇzdé udˇelal dojem. . .

1

http://www.linux.cz/

4

Abstrakt Hlavn´ım c´ılem práce je vytvoˇren´ı experimentáln´ıho virtuáln´ıho mˇeˇr´ıc´ıho pˇr´ıstroje, kter´ y je d´ıky platformˇe GNU/Linux snadno duplikovateln´ y a umoˇzn ˇuje provádˇen´ı test˚ u, jenˇz by byly na fyzick´ ych pˇr´ıstroj´ıch obt´ıˇznˇe nebo v˚ ubec proveditelné. Autor se snaˇz´ı chován´ı VMP maximálnˇe pˇribl´ıˇzit fyzickému pˇr´ıstroji. Dalˇs´ım krokem je provádˇen´ı konkrétn´ıch experiment˚ u na VMP, jejichˇz v´ ysledky jsou diskutovány a na jejichˇz základˇe jsou optimalizovány vybrané parametry. C´ıle práce smˇeˇruj´ı k hledán´ı zp˚ usob˚ u vylepˇsen´ı vlastnost´ı stávaj´ıc´ıch reáln´ ych PMD. Velká ˇca´st práce se zab´ yvá optimalizac´ı ukládán´ı archivn´ıch dat. Kl´ıˇcová slova: kvalita, virtuáln´ı pˇr´ıstroj, Linux, komprese, simulace

5

Abstract Main goal of this thesis is developing experimental virtual measuring device, which should be easily duplicateable thanks to GNU/Linux platform. It makes it possible to run tests, that are problematicly or even impossibly executable on real devices. Author mostly tries to make behavior of VMD2 similar to physical ones. In next step, exact experiments on VMD are performed. Results are discused and on their basis, chosen parameters are optimized. Findings aim to find out ways to improve properties of present real PMDs. Majority of work is attended to optimalization of archive data storing. Key words: quality, virtual device, Linux, compression, simulation

2

VMD Virtual Measuring Device ≈ VMP Virtuáln´ı Mˇeˇric´ı Pˇr´ıstroj

6

Obsah Prohlášení

3

Podˇ ekování

4

Abstrakt

5

1 Úvod

10

2 Teoretický úvod 2.1 Optimáln´ı metody ukládán´ı dat v PMD . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Obecnˇe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2 Provádˇené simulace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3 Testované algoritmy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Bezztrátová kódován´ı a kompresn´ı algoritmy aplikované na data kvality elektrické energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Obecnˇe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Experimentáln´ı generátor mˇeˇren´ ych dat . . . . . . . . . . . . 2.2.3 Testované algoritmy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . .

12 12 12 12 13

. . . .

14 15 15 16

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17 17 17 18 20 20 23 24 24 24 24 24 25 26 26 27 29 29 30 31

3 Implementace 3.1 Generátor archiv˚ u. . . . . . . . . . . . . 3.1.1 Nastaven´ı, spouˇstˇen´ı a v´ ystup . . 3.1.2 Funkce . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Generátor vzork˚ u signál˚ u. . . . . . . . . 3.2.1 Funkce . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2 Konfiguraˇcn´ı a v´ ystupn´ı soubory 3.3 V´ ypoˇcetn´ı blok . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1 Funkce . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2 Soubory nastaven´ı . . . . . . . . 3.3.3 Modifikace portu pro Linux . . . 3.4 Modul komprese . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1 Funkce . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.2 Mˇeˇren´ı ˇcasu . . . . . . . . . . . . 3.5 Virtuáln´ı mˇeˇr´ıc´ı pˇr´ıstroj . . . . . . . . . 3.5.1 Souˇcinnost vˇsech modul˚ u. . . . . 3.5.2 Archivy . . . . . . . . . . . . . . 3.5.3 Linuxové varianty funkc´ı . . . . . 3.5.4 Makefile . . . . . . . . . . . . . . 3.6 Pomocné utility . . . . . . . . . . . . . .

7

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4 Praktické výsledky 4.1 Optimáln´ı metody ukládán´ı dat v PMD . . . . . . . . . . . . . . . . ´ cinnost komprese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1 Uˇ 4.1.2 Rychlost komprese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.3 Shrnut´ı Optimáln´ıch metod ukládán´ı dat v PMD . . . . . . 4.2 Bezztrátová kódován´ı a kompresn´ı algoritmy aplikované na data kvality elektrické energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Srovnán´ı generovan´ ych a reáln´ ych dat . . . . . . . . . . . . . 4.2.2 Stabilita komprese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3 Vliv kódován´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.4 Vliv velikosti souboru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.5 Rychlost komprese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.6 Shrnut´ı bezztrátového kódován´ı a kompresn´ıch algoritm˚ u aplikovan´ ych na data kvality elektrické energie . . . . . . . . . 4.3 D´ılˇc´ı poznatky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . .

33 33 33 34 35

. . . . . .

36 36 36 37 37 38

. 39 . 39

Závˇ ery a doporuˇ cení

41

Použitá literatura a prameny

43

Nomenklatura

44

Rejstˇrík

45

8

Seznam obrázku˚ 1 2 3 4 5 6 7 8

Blokové schema experimentáln´ıho systému . . . . . . . . . . . . ´ cinnost komprese pro r˚ Uˇ uzné velikosti souboru dat . . . . . . . ´ cinnost komprese pro r˚ Uˇ uzné hodnoty rozptylov´ ych limit˚ u . . . Vliv mnoˇzstv´ı záznam˚ u v archivu na rychlost komprese . . . . . Reálné a generované vzorky napˇet´ı a proudu . . . . . . . . . . . ´ cinnost komprese pˇri normáln´ım a delta kódován´ı . . . . . . . Uˇ Ilustrace vlivu velikosti vstupn´ıho souboru na u ´ˇcinnost komprese Srovnán´ı rychlosti komprese vˇcetnˇe Gzip a Bzip2 . . . . . . . .

9

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

15 33 34 35 36 37 38 38

1 Úvod PMD neboli Power Monitoring Device je elektronické obvykle vestavné zaˇr´ızen´ı, slouˇz´ıc´ı k monitorován´ı kvality dodávek elektrické energie rozvodné s´ıtˇe v m´ıstˇe instalace. Zaˇr´ızen´ı provádˇej´ı v´ ypoˇcty, zpracovávaj´ı a archivuj´ı data, umoˇzn ˇuj´ı vzdálené monitorován´ı prostˇrednictv´ım s´ıt’ové komunikace a obvykle na displeji zobrazuj´ı ˇzádané veliˇciny. V´ yvoj firmware a testován´ı s fyzick´ ym pˇr´ıstrojem je moˇzné a bˇeˇznˇe pouˇz´ıvané. Je vˇsak nutné m´ıt speciáln´ı jak softwarové, tak hardwarové vybaven´ı, nemluvˇe o fyzickém pˇr´ıstroji. Nab´ız´ı se otázka: Proˇc nevytvoˇrit nezávisl´ y, pˇrenositeln´ y model celého mˇeˇric´ıho a monitorovac´ıho ˇretˇezce uvnitˇr naprosto bˇeˇzného ˇ sen´ı této otázky se vˇenuje pˇreváˇzná ˇcást práce. Dalˇs´ı ˇcást osobn´ıho poˇc´ıtaˇce? Reˇ zmiˇ nuje dosavadn´ı provedené praktické experimenty na virtuáln´ım ˇretˇezci. Operaˇcn´ı systém GNU/Linux se stává stále obl´ıbenˇejˇs´ım nejen na pracovn´ıch stanic´ıch, ale zejména i v nejr˚ uznˇejˇs´ıch embedded zaˇr´ızen´ıch. Pouˇzit´ı OS m´ısto jedno´ uˇcelového kompletn´ıho firmware má samozˇrejmˇe svoje v´ yhody. Kromˇe vyˇsˇs´ı spolehlivosti a univerzálnosti je jimi jistˇe i snazˇs´ı v´ yvoj samotn´ ych aplikac´ı, lepˇs´ı pˇrenositelnost zdrojov´ ych kód˚ u a ˇsiroká podpora hardware. Tato skuteˇcnost je v delˇs´ım ˇcasovém horizontu d˚ uvodem vzniku práce, pˇriˇcemˇz v budoucnu by mohly b´ yt modifikovan´ y v´ ypoˇcetn´ı blok a dalˇs´ı funkce pˇr´ımo pouˇzitelné v PMD zaloˇzen´ ych na OS Linux. Práce se zab´ yvá myˇslenkou vytvoˇren´ı virtuáln´ıho mˇeˇric´ıho pˇr´ıstroje tak, aby bez jak´ ychkoli periferi´ı mohl simulovat bˇeh a chován´ı skuteˇcného pˇr´ıstroje. S t´ım souvis´ı potˇreba vytvoˇren´ı programu, kter´ y dokáˇze generovat vzorky virtuálnˇe mˇeˇreného signálu a také programu, kter´ y zpracuje a ukládá namˇeˇrené veliˇciny. Kromˇe toho je nutné modifikovat hardwarovˇe závislé funkce v´ ypoˇcetn´ıho bloku, aby byl pˇrenositeln´ y a vyuˇz´ıval funkc´ı OS Linux, pˇr´ıpadnˇe dalˇs´ıch svobodn´ ych knihoven s otevˇren´ ym zdrojov´ ym kódem. Vˇsechny komponenty je potˇreba vytvoˇrit tak, aby mˇely co nejlépe nastavitelné parametry pro pozdˇejˇs´ı testován´ı. Jsou pouˇz´ıvány bud’ pˇr´ımo konfiguraˇcn´ı soubory ˇctené pˇri bˇehu programu, nebo alespoˇ n pˇrep´ınaˇce parametr˚ u ve zdrojov´ ych souborech. Vzhledem k tomu, ˇze s embedded zaˇr´ızen´ımi souvis´ı omezené zdroje v´ ykonu, kapacity pamˇeti a pˇrenosov´ ych kanál˚ u, d˚ uleˇzit´ ym modulem, kterému je vˇenována velká pozornost, je kompresn´ı blok. Jeho pomoc´ı jsou testovány r˚ uzné bezztrátové kompresn´ı algoritmy pro dosaˇzen´ı optimálnˇejˇs´ıho vyuˇzit´ı pamˇeti urˇcené archivn´ım dat˚ um, jejich nároky na v´ ykon procesoru a operaˇcn´ı pamˇet’. Provˇeˇruje se domnˇenka o velké redundanci archivn´ıch dat a zjiˇst’uje se vliv nejr˚ uznˇejˇs´ıch struktur vstupn´ıch soubor˚ u a jejich kódován´ı na u ´ˇcinnost komprese. V souvislosti s vytváˇren´ım modul˚ u komprese a dvou variant generátoru archiv˚ u

10

ˇci vzork˚ u signálu vznikly ˇclánky na konference EPE3 [8] a CIRED4 [9]. Vysvˇetlen´ı problém˚ u, poznatky a v´ ysledky pˇreloˇzené do ˇceˇstiny jsou souˇca´st´ı práce. Jsou zde ilustrovány u ´ˇcinky r˚ uzn´ ych typ˚ u datov´ ych sad na u ´ˇcinnost komprese a mnoho dalˇs´ıch vliv˚ u. V souvislosti s provádˇen´ım benchmark˚ u kompresn´ıch metod bylo nutné zvolit zp˚ usob mˇeˇren´ı ˇcasu. Je uveden zp˚ usob pouˇzit´ı pˇresn´ ych procesorov´ ych ˇcasovaˇc˚ u s extrémn´ım rozliˇsen´ım. Veˇsker´ y v´ yvoj prob´ıhal na platformˇe GNU/Linux s v´ yhradn´ım pouˇzit´ım voln´ ych nástroj˚ u, knihoven, v´ yvojového prostˇred´ı, kompilátoru jazyka C a dokonce i WYSI5 WYM DTP editoru LYX6 . Nepouˇz´ıván´ı placeného software je neoficiáln´ım c´ılem celé práce a jej´ı obsah a forma snad bude reprezentativn´ım pˇr´ıkladem toho, ˇze nˇeco takového je moˇzné.

Electric Power Engineering 2008 http://www.epe-conference.eu/epe2008/files/ partitions2_cz.html 4 International Conference on Electricity Distribution 2009 http://www.cired2009.org/ 5 WYSIWYM — What You See Is What You Mean 6 Rychle se vyv´ıjej´ıc´ı kvalitn´ı DTP software, kter´ y je GUI frontendem LATEXu http://www. lyx.org/

3

11

2 Teoretický úvod 2.1 Optimální metody ukládání dat v PMD Tato ˇca´st práce souvis´ı s tvorbou podklad˚ u a vlastn´ımi poznatky pˇri vytváˇren´ı ˇclánku na konferenci Electric Power Engineering 2008 (EPE) [8]. 2.1.1 Obecnˇ e Dneˇsn´ı stav evoluce v oblasti standard˚ u elektromagnetické kompatibility [2, 5] v m´ıstˇe mˇeˇren´ı definuje kvalitu a jej´ı vlastnosti. Bˇehem mˇeˇren´ı jsou zaznamenávány a vyhodnocovány ukazatele, podle kter´ ych se zjiˇst’uje, zda jsou standardy dodrˇzovány. Obvykle se jedná o dlouhodobá mˇeˇren´ı, jejichˇz v´ ystupem jsou obrovská mnoˇzstv´ı dat. Jsou specifikovány r˚ uzné intervaly záznamu dat [4, 3]. Nejkratˇs´ı interval pro archivaci zde definovan´ y je 150 period. Pokud to uˇzivatel poˇzaduje, je vˇsak moˇzné zaznamenávat i v tak krátkém intervalu, jako 10 cykl˚ u, coˇz odpov´ıdá 200 ms. Pokud se archivuj´ı i jen základn´ı hodnoty, nen´ı problém, aby bˇehem dne archiv dosáhl velikosti stovek MB. Vzhledem k mezinárodn´ım standard˚ um a k obecn´ ym vlastnostem energetické s´ıtˇe se dá oˇcekávat, ˇze mezi mˇeˇren´ ymi parametry budou pouze malé fluktuace a ˇze v archivech bude vysok´ y stupeˇ n redundance. Pro kompaktn´ı mˇeˇric´ı pˇr´ıstroj se slabou konektivitou to znamená mnoho dat, která mus´ı b´ yt neustále zpracovávána a ukládána. Médi´ı existuje celá ˇrada, ale v pˇr´ıpadˇe PMD jsou data obvykle ukládána do vnitˇrn´ı pamˇeti v surové binárn´ı podobˇe pomoc´ı suboptimáln´ıch kódován´ı pro kaˇzdou veliˇcinu. S rostouc´ım objemem mˇeˇren´ ych veliˇcin a se zkracován´ım interval˚ u archivace se poˇzadavky na vnitˇrn´ı pamˇet’ a propustnost pˇripojen´ı obrovsky zvyˇsuj´ı. Jednoduch´ ym ˇreˇsen´ım je zv´ yˇsen´ı u ´loˇzné kapacity. Je pravda, ˇze vzhledem k neustálému sniˇzován´ı cen flash disk˚ u to nen´ı problém, avˇsak existuj´ı i nev´ yhody, jako tˇreba pomalé stahován´ı dat nebo dlouhá doba odezvy pˇr´ıstroje a operátorského PC pˇri vzájemné komunikaci, protoˇze se pˇrenáˇs´ı v´ıce byt˚ u, neˇz je nutné. Redundantn´ı data mohou b´ yt také ukládána a odes´ılána v komprimované podobˇe pomoc´ı bezztrátové nebo dokonce i ztrátové komprese. R˚ uzné komprimaˇcn´ı algoritmy v kombinaci s optimáln´ım kódován´ım veliˇcin sniˇzuj´ı nároky na velikost pamˇeti a zrychluj´ı proces z´ıskáván´ı dat k dalˇs´ımu zpracován´ı nebo vzdálenému monitoringu. Kromˇe jiného má vliv i r˚ uzn´ y zp˚ usob ukládán´ı dat ve smyslu jejich v´ yhodnˇejˇs´ıho uspoˇra´dán´ı. 2.1.2 Provádˇ ené simulace Surová data sledovan´ ych veliˇcin typicky nemaj´ı velk´ y rozptyl, coˇz znamená, ˇze obsahuj´ı vysoce redundantn´ı blok symbol˚ u a hodnot optimáln´ıch pro kompresi. Vˇenu-

12

jeme se efekt˚ um nˇekter´ ych zmˇen ve struktuˇre zmiˇ novaného bloku dat vzhledem ku ´ˇcinnosti základn´ıch veˇrejnˇe dostupn´ ych kompresn´ıch algoritm˚ u. Pro experimenty a srovnán´ı u ´ˇcinnosti komprese jsme vyvinuli nástroj, kter´ y umoˇzn ˇuje mˇenit nˇekteré kl´ıˇcové faktory v archivu komprimovan´ ych dat. Testuje se vliv typu kódován´ı a nastaven´ı archivu, seˇrazen´ı dat, kvality a intervalu archivace. Variace bloku veliˇcin jsou provádˇeny na základˇe reálného PMD. Jsou obsaˇzeny vˇsechny bˇeˇznˇe monitorované hodnoty jako napˇet´ı, proudy, v´ ykony a energie, harmonické sloˇzky a nˇekolik dalˇs´ıch v tomto pˇr´ıpadˇe nepodstatn´ ych záznam˚ u dle funkc´ı reálného pˇr´ıstroje. Kaˇzdá veliˇcina je generována v nastavitelném kódován´ı a s parametrizovateln´ ymi rozptyly. 2.1.3 Testované algoritmy Pro experimentáln´ı mˇeˇren´ı pouˇz´ıváme bˇeˇznˇe dostupné entropické a slovn´ıkové algoritmy, jejichˇz zdrojov´ y kód v ANSI C m˚ uˇze b´ yt lehce z´ıskán, je ovˇeˇren´ y a m˚ uˇze b´ yt znovupouˇzit d´ıky veˇrejné licenci. D˚ uleˇzit´ ym faktorem pˇri v´ ybˇeru byla skuteˇcnost budouc´ıho pouˇzit´ı v embedded zaˇr´ızen´ı na bázi mikrokontroléru ARM s velmi limitovan´ ymi zdroji. Tato skuteˇcnost diskvalifikovala nˇekteré pokroˇcilejˇs´ı ale pamˇet’ovˇe a v´ ypoˇcetnˇe nároˇcnˇejˇs´ı varianty LZ jako gzip nebo bzip2. Run Length Encoding — RLE RLE je jedn´ım z nejjednoduˇsˇs´ıch algoritm˚ u, jehoˇz princip spoˇc´ıvá v nahrazen´ı opakuj´ıc´ı se sekvence byt˚ u v souboru vyhrazen´ ym znakem a ˇc´ıslem udávaj´ıc´ım poˇcet opakován´ı. Tento princip pˇres svou jednoduchost dosahuje zaj´ımav´ ych v´ ysledk˚ u u dat s mnoˇzstv´ım opakuj´ıc´ıch se byt˚ u (je obsaˇzen v mnoha grafick´ ych formátech). jednoduch´ a a extrémnˇe rychlá komprese s minimáln´ımi nároky na pamˇet’ témˇeˇr zbyteˇcné v netrivi´ aln´ıch situac´ıch

Shannon-Fano encoding — SF, Huffman Encoding — HUF Tyto algoritmy jsou pˇredstaviteli kategorie entropick´ ych kodér˚ u. Princip obou metod [7] spoˇc´ıvá v enkódován´ı byt˚ u do bitov´ ych stream˚ u. Na základˇe mnoˇzstv´ı v´ yskyt˚ u kaˇzdého znaku je uˇsetˇrena pamˇet’ zakódován´ım znak˚ u s nejvyˇsˇs´ım zastoupen´ım pomoc´ı nejkratˇs´ıho bitového kódu. Oba kódy pouˇz´ıvaj´ı takzvan´ y histogram pravdˇepodobnosti, nebo také bitov´ y strom, kter´ y je nutné uloˇzit na zaˇcátek zkomprimovaného souboru. Existuj´ı optimalizace snaˇz´ıc´ı se zjednoduˇsit kompresi a odstranit potˇrebu v´ıce pr˚ uchod˚ u, kdy se binárn´ı strom rekonstruuje za bˇehu. SF a HUF nedokáˇz´ı rozliˇsovat sekvence stejn´ ych symbol˚ u. Základn´ı pouˇzité verze algoritm˚ u se liˇs´ı ve zp˚ usobu stavby kódovac´ı tabulky/stromu. Zat´ımco SF rekurzivnˇe dˇel´ı soubor znak˚ u, HUF buduje strom opaˇcnˇe — spojuje

13

vˇetve s nejniˇzˇs´ım v´ yskytem. Oba algoritmy jsou sice podobnˇe sloˇzité, HUF má vˇsak obvykle lepˇs´ı v´ ysledky, protoˇze jeho binárn´ı kódován´ı je optimáln´ı. rychlé, optim´ aln´ı komprese jednotliv´ ych znak˚ u u ´ˇcinné i u zaˇsumˇen´ ych dat malé pamˇet’ové n´ aroky, jednoduchá, jasná implementace nepˇr´ıliˇs u ´ˇcinné pro malé mnoˇzstv´ı dat

Lempel-Ziv — LZ77 LZ77 je reprezentantem kategorie slovn´ıkov´ ych algoritm˚ u, kter´ y posouvá dále ideu RLE a HUF pomoc´ı komprese opakuj´ıc´ıch se sekvenc´ı (r˚ uzn´ ych) symbol˚ u. Pokud naraz´ı na sekvenci, která se jiˇz dˇr´ıve vyskytla, zanechá na m´ıstˇe pouze odkaz na minul´ y v´ yskyt a délku identické sekvence. Mnoho existuj´ıc´ıch variant se liˇs´ı zp˚ usobem v´ ystavby slovn´ıku, pˇriˇcemˇz celá ˇrada vylepˇsen´ ych a upraven´ ych verz´ı je chránˇena patenty. LZ algoritmus je univerz´ aln´ı (dobrá u ´ˇcinnost na jak´ ychkoli datech) optim´ aln´ı pro kompresi textu umoˇzn ˇuje snadnou a velice rychlou dekompresi vyˇsˇs´ı nároky na pamˇet’, pomalé

Lempel-Ziv-Oberhumer — LZO, MiniLZO LZO je vysoce optimalizovaná varianta LZ algoritmu [10], která dosahuje mnohem vyˇsˇs´ıch rychlost´ı komprese za cenu m´ırného sn´ıˇzen´ı u ´ˇcinnosti. Testovaná varianta MiniLZO je binárnˇe kompatibiln´ı algoritmus, avˇsak bere v u ´vahu omezené v´ ykonové a pamˇet’ové zdroje embedded zaˇr´ızen´ı. velice dobr´ y kompresn´ı pomˇer u vysoce redundantn´ıch dat rychlejˇs´ı komprese i dekomprese v porovn´ an´ı s LZ stˇredn´ı pamˇet’ové nároky, volitelné mnoˇzstv´ı pˇridˇelené pamˇeti

2.2 Bezztrátová kódování a kompresní algoritmy aplikované na data kvality elektrické energie Následuj´ıc´ı sekce vznikala v souvislosti s prezentac´ı ˇclánku na International Conference on Electricity Distribution 2009 v Praze (CIRED) [9].

14

Visualization Generator gen.conf

Data processing

Archive generation

Compression

Compressed outputs Statistical data

ArcConfig.xml

Obrázek 1: Blokové schema experimentáln´ıho systému 2.2.1 Obecnˇ e V dalˇs´ı ˇca´sti práce jsme zmˇenili pˇr´ıstup k provádˇen´ı experiment˚ u, avˇsak d˚ uvody a c´ıle se neliˇs´ı od tˇech popisovan´ ych v sekci 2.1.1. Opˇet jsme provádˇeli testy s c´ılem provˇeˇrit chován´ı r˚ uzn´ ych kompresn´ıch algoritm˚ u pˇri kompresi r˚ uzn´ ych typ˚ u dat s r˚ uzn´ ym sloˇzen´ım a r˚ uzn´ ymi vlastnostmi. Pro tento u ´ˇcel jsme nejdˇr´ıve z´ıskali reáln´ y archiv mˇeˇren´ı. Kromˇe toho jsme vytvoˇrili modulárn´ı systém v prostˇred´ı GNU/Linux umoˇzn ˇuj´ıc´ı generovat virtuáln´ı sadu napˇet´ı a proud˚ u s velice jemn´ ymi moˇznostmi nastaven´ı tak, abychom se mohli maximálnˇe pˇribl´ıˇzit reálnému mˇeˇren´ı. Generátor byl pouˇzit pro pˇr´ıpravu dat urˇcen´ ych k vytváˇren´ı archiv˚ u, na nichˇz m˚ uˇzeme d˚ ukladnˇeji studovat efektivitu a stabilitu kompresn´ıch algoritm˚ u. 2.2.2 Experimentální generátor mˇ eˇrených dat Pro u ´ˇcel vytváˇren´ı dat kvality elektrické energie jsme vyvinuli vlastn´ı modulárn´ı systém viz obr. (1), kter´ y simuluje funkci PMD v reálném svˇetˇe. Pˇredstaven´ y systém se skládá z generátoru vzork˚ u, virtuáln´ıho bloku v´ ypoˇctu kvality, archivace dat a kompresn´ı jednotky. Kaˇzd´ y z modul˚ u m˚ uˇze b´ yt nahrazen jinou implementac´ı tak, aby nab´ızel data s jin´ ymi veliˇcinami a parametry. Pro generován´ı signál˚ u jsme pouˇzili syntézu ze sloˇzek, u nichˇz je moˇzné jednotlivˇe nastavit napˇet´ı, fázi, frekvenci a odchylku, která ovlivˇ nuje jejich náhodné kol´ısán´ı. Generovan´ y signál je kromˇe toho i promˇenn´ y v ˇcase. Skládá se z interval˚ u se stejn´ ymi statistick´ ymi vlastnostmi s dan´ ym poˇctem opakován´ı. Parametry kaˇzdého intervalu vzork˚ u mohou b´ yt modifikovány jednoduˇse nastaven´ım v odpov´ıdaj´ıc´ı ˇca´sti konfiguraˇcn´ıho souboru (v´ ychoz´ı je gen.conf ). Kaˇzd´ y kanál (fáze) m˚ uˇze b´ yt generována naprosto nezávisle na ostatn´ıch se svoj´ı sadou parametr˚ u. Celková vzorkovac´ı frekvence, interval generován´ı, datov´ y typ vzork˚ u a mnoˇzstv´ı generovan´ ych dat je opˇet nastavitelné pˇri kaˇzdém generován´ı. Vygenerovaná binárn´ı data namˇeˇren´ ych“ vzork˚ u jsou dále zpracována pomoc´ı ” v´ ypoˇcetn´ıho bloku, kter´ y simuluje reáln´ y PMD, zpracovává v´ ysledky a jeho v´ ystupem jsou data veliˇcin v r˚ uzném kódován´ı a r˚ uzn´ ych datov´ ych typech. Implementace umoˇzn ˇuje provést simulaci mˇeˇren´ı kvality elektrické energie ze stejn´ ych dat a z´ıskat

15

r˚ uzné v´ ysledky ve v´ıce formátech. Data z´ıskaná v tomto kroku jsou v´ ychoz´ım bodem pro provádˇen´ı test˚ u s bezztrátov´ ymi kompresn´ımi algoritmy. Posledn´ı blok je urˇcen ke kompresi vygenerovan´ ych archiv˚ u pomoc´ı voln´ ych, bez jakéhokoli poplatku dostupn´ ych, kompresn´ıch metod — RLE, variant LZ, nˇekolika entropick´ ych algoritm˚ u, aritmetického kódován´ı a blokovˇe tˇr´ıd´ıc´ıch gzip a bzip2. V´ ysledky experiment˚ u jsou porovnávány ve smyslu vyuˇzit´ı pamˇeti, délky v´ ypoˇctu, sloˇzitosti implementace a zejména dle dosaˇzeného kompresn´ıho pomˇeru. 2.2.3 Testované algoritmy Opˇet jsme pouˇzili skupinu volnˇe a zdarma dostupn´ ych algoritm˚ u, popisovan´ ych v (2.1.3). Doˇslo vˇsak k rozˇs´ıˇren´ı této skupiny o nˇekolik dalˇs´ıch, pro nás zaj´ımav´ ych, kompresn´ıch metod. Jako dalˇs´ı alternativa existuje mnoˇzstv´ı ztrátov´ ych metod, které se také prakticky implementuj´ı, jako napˇr´ıklad PQZIP, jenˇz je v patentovém ˇr´ızen´ı. V naˇsich experimentech tyto nepouˇz´ıváme, protoˇze u nich vˇzdy docház´ı k urˇcité deformaci dat a ztrátˇe informace. Porovnáván´ı v´ ysledk˚ u by tedy bylo daleko obt´ıˇznˇejˇs´ı, kdyˇz by se pokaˇzdé mohla v´ ysledná data liˇsit. Aritmetická komprese — AC Aritmetická komprese patˇr´ı do skupiny entropick´ ych metod, která produkuje témˇeˇr optimáln´ı v´ ystup (lepˇs´ı, neˇz HUF) na dané skupinˇe symbol˚ u. AR je efektivn´ı pˇri kompresi dat, kde malé mnoˇzstv´ı symbol˚ u mnoˇzstv´ım v´ yskytu pˇrevaˇzuje nad zbytkem. nejoptimálnˇejˇs´ı testovan´ y entropick´ y algoritmus niˇzˇs´ı rychlost oproti SF, HUF, podobná pamˇet’ová nároˇcnost

Blokovˇ e orientované algoritmy — bzip2, gzip Bzip2 i gzip jsou relativnˇe modern´ı a velice efektivn´ı algoritmy. Bzip2 vyuˇz´ıvá kromˇe jiného blokové tˇr´ıdˇen´ı známé jako Burrows-Wheeler transformace. Gzip je pro zmˇenu postaven na DEFLATE algoritmu, pouˇz´ıvaném v jiné podobˇe v mnoha patentovan´ ych algoritmech. Gzip patˇr´ı pˇr´ımo do projektu GNU. Nejedná se o jednoduché algoritmy, ale o nˇekolikavrstvé pomˇernˇe sloˇzité techniky vyuˇz´ıvaj´ıc´ı RLE, BWT7 , MTF8 , HUF, delta kódován´ı ˇci LZ779 . vysoce univerz´ aln´ı a u ´ˇcinné vysoce nároˇcné na pamˇet’ i v´ ypoˇcetn´ı v´ ykon Burrows-Wheeler transformace Move to front 9 Abraham Lempel a Jacob Ziv v roce 1977 7 8

16

3 Implementace Pro v´ yvoj vˇsech modul˚ u i jedno´ uˇcelov´ ych program˚ u byl pouˇzit svobodn´ y, nekomerˇcn´ı software. Pouˇz´ıvan´ y operaˇcn´ı systém je linuxová distribuce Ubuntu, která vycház´ı z jedné z nejstarˇs´ıch a nejrozˇs´ıˇrenˇejˇs´ıch distribuˇcn´ıch vˇetv´ı v˚ ubec — Debianu. Zdrojové soubory jsou vˇsak pˇreloˇzitelné na jakémkoli GNU/Linux systému. Binárn´ı soubory jsou vytváˇreny kompilátorem GCC10 spouˇstˇen´ ym prostˇrednictv´ım programu 11 make dle závislost´ı popsan´ ych v souborech Makefile, které jsou vytvoˇreny pro jednotlivé projekty. Jako v´ yvojové prostˇred´ı bylo zvoleno opensource IDE NetBeans, které p˚ uvodnˇe vzniklo jako v´ yvojové prostˇred´ı pro jazyk Java, pozdˇeji vˇsak zaˇcaly pˇrib´ yvat dalˇs´ı podporované jazyky (vˇcetnˇe C/C++). Kromˇe pˇrekládan´ ych 12 soubor˚ u jsou vyuˇz´ıvány i skripty v jazyce BASH , které se pouˇz´ıvaj´ı k automatizaci spouˇstˇen´ı specifick´ ych sad test˚ u. Pouze v jednom pˇr´ıpadˇe je pouˇzit vlastn´ı formát konfiguraˇcn´ıho souboru, pro nˇejˇz je souˇcást´ı programu jednoduch´ y parser. Mezi ne u ´plnˇe bˇeˇzné knihovny, které jsou nutné pro pˇreloˇzen´ı nˇekter´ ych zdro13 jov´ ych soubor˚ u, patˇr´ı knihovna pro v´ ypoˇcet DFT libfftw3 a knihovna pro práci s XML libxml214 .

3.1 Generátor archivu˚ Generátor archiv˚ u je prvn´ım programem vytváˇren´ ym za u ´ˇcelem generován´ı dat urˇcen´ ych k benchmarku kompresn´ıch algoritm˚ u. Jedná se o jedno´ uˇcelov´ y program, vytváˇrej´ıc´ı pomoc´ı generován´ı pseudonáhodn´ ych ˇc´ısel s dan´ ymi rozptyly a parametry archivy dat se strukturou odpov´ıdaj´ıc´ı archiv˚ um vytváˇren´ ym reáln´ ymi PMD. 3.1.1 Nastavení, spouštˇ ení a výstup Pˇr´ımo ve zdrojovém kódu je dána struktura generovan´ ych archiv˚ u a pˇreddefinované ˇ odchylky jednotliv´ ych veliˇcin, pˇri jejichˇz urˇcován´ı jsme vycházeli z normy CSN EN 50160 [1]. Volbou parametr˚ u v shellu pˇri spouˇstˇen´ı programu ./DataProKompresi m˚ uˇzeme vˇsak volit, zda se maj´ı generovat integer hodnoty, float hodnoty a harmonické, zda se veliˇciny maj´ı ukládat prokládanˇe nebo sériovˇe a zda poˇzadujeme delta kódován´ı. Dále je moˇzné zadat globáln´ı rozptyly vˇsech veliˇcin a globáln´ı pravdˇepodobnosti vˇsech veliˇcin. V takovém pˇr´ıpadˇe se pevnˇe dané hodnoty z programu nahrad´ı zadan´ ymi parametry. Posledn´ı volbou je moˇznost po vygenerován´ı archivu okamˇzitˇe spustit kompresi, coˇz je v´ yhodné pro dávkové spouˇstˇen´ı des´ıtek test˚ u. Jednotlivé GNU C Compiler, pozdˇeji GNU Compiler Collection http://gcc.gnu.org/ GNU Make http://www.gnu.org/software/make/ 12 Bourne Again SHell - BASH http://www.gnu.org/software/bash/ 13 http://www.fftw.org/ 14 http://xmlsoft.org/ 10

11

17

V´ ypis 1 Nutné parametry vypsané generátorem archiv˚ u v@r:~/src/komprese$ ./DataProKompresi Nutne ciselne argumenty oddelene mezerou: Pocet celych opakovani Pocet vnitrnich opakovani Generovat float hodnoty (1/0) Generovat integer hodnoty (1/0) Generovat harmonicke (1/0) Generovat s delta kodovanim (1/0) Ihned komprimovat (1/0) Spolecna odchylka (>10000 -> neuplatni se) Spolecna pravdepodobnost (>10000 -> neuplatni se) v@r:~/src/komprese$

V´ ypis 2 Pˇr´ıklad spuˇstˇen´ı generátoru archiv˚ u v@r:~/src/komprese$ ./DataProKompresi 1 300 1 1 1 1 1 500 9500 Generuji data do souboru data-1-300-1-1-1-1-500-9500.bin. . Hotovo. Bez chyb. ./komprese data-1-300-1-1-1-1-500-9500.bin log-1-300-1-1-1-1-500-9500.txt BezLZSlow RLE t 0.000903 s in 101.180 kB out 95.822 kB ratio 94.7 % speed 112047.610 kB/s v@r:~/src/komprese$

volby tak, jak je vyp´ıˇse generátor pˇri nesprávném zadán´ı, jsou shrnuty ve v´ ypisu (1). V´ ystupem generátoru je binárn´ı soubor pojmenovan´ y data s následn´ ym v´ ypisem vˇsech parametr˚ u oddˇelen´ ych pomlˇckou. Pˇr´ıpona souboru je .bin. Jako pˇr´ıklad m˚ uˇzeme uvést vygenerován´ı pˇribliˇznˇe 100 kB souboru se sériov´ ym ˇrazen´ım veliˇcin, ukládán´ım pomoc´ı delta kódován´ı a obsaˇzen´ ymi integer i float hodnotami vˇcetnˇe harmonick´ ych. V´ ystup se bude ihned komprimovat. Vˇsechna generovaná data maj´ı spoleˇcnou dovolenou odchylku 5 % v 95-ti procentech hodnot. Z v´ ypisu (2) je zˇrejmé, ˇze rozptyl a pravdˇepodobnost je zadána v setinách procenta. D˚ uvodem je zjednoduˇsen´ı v´ ypoˇct˚ u pˇri pouˇzit´ı celoˇc´ıselné hodnoty a zjemnˇen´ı moˇzné volby. Ve v´ ypisu je zahrnuta i ˇcást v´ ystupu navazuj´ıc´ı komprese. Ve skuteˇcnosti pokraˇcuj´ı informace o bˇehu dalˇs´ıch algoritm˚ u. 3.1.2 Funkce Pˇri spuˇstˇen´ı programu jsou naˇcteny parametry do vnitˇrn´ıch promˇenn´ ych, aby následnˇe mohly ovlivnit poˇcty bˇeh˚ u vnitˇrn´ıch a celkov´ ych cykl˚ u. Poˇcet celých opakován´ı jednoduˇse vygeneruje za sebe ˇza´dan´ y poˇcet archiv˚ u. Naopak poˇcet vnitˇrn´ıch opakován´ı ovlivˇ nuje poˇcet zapsan´ ych hodnot stejné veliˇciny sériovˇe za sebou. Hodnota parametr˚ u Generovat float hodnoty, Generovat integer hodnoty a Generovat harmonické jednoduˇse povoluj´ı nebo zakazuj´ı zápis veliˇcin s vybran´ ym datov´ ym typem, respektive pˇridávaj´ı ˇci zakazuj´ı harmonické. Pokud nastav´ıme parametr Generovat

18

s delta kódován´ım na 1, pˇri prvn´ım zápisu je kaˇzdá veliˇcina uloˇzena nativnˇe a jej´ı aktuáln´ı hodnota se zachovává v pamˇeti, v dalˇs´ım bˇehu je uloˇzen rozd´ıl aktuáln´ı od pˇredchoz´ı hodnoty a pˇredchoz´ı hodnota je aktualizována. Pokud povol´ıme Ihned komprimovat, vygenerovan´ y soubor je okamˇzitˇe pˇredán pro kompresi i se správnˇe zadan´ ymi parametry vstupn´ıho a logovac´ıho souboru, které logicky koresponduj´ı s názvem generovaného souboru, tedy i se zadan´ ymi parametry. Srdcem generátoru je funkce vytváˇrej´ıc´ı pseudonáhodnou hodnotu dle pˇredan´ ych parametr˚ u viz v´ ypis (3). Jsou ji celoˇc´ıselnˇe pˇredány parametry ideáln´ı hodnota, odchylka, pravdˇepodobnost a násobek. Ideáln´ı hodnota zhruba odpov´ıdá hodnotˇe konkrétn´ı veliˇciny mˇeˇrené v s´ıti reáln´ ym PMD. Protoˇze vˇsak napˇr´ıklad proudy ˇci napˇet´ı v základn´ıch jednotkách nejsou vhodné pro pouˇzité datové typy, v PMD se ukládaj´ı vynásobené dan´ ymi konstantami, d´ıky ˇcemuˇz je kromˇe optimálnˇejˇs´ıho vyuˇzit´ı datového typu moˇzné vyhnout se v´ ypoˇcetnˇe nároˇcnému pouˇz´ıván´ı datov´ ych typ˚ u s plovouc´ı ˇra´dovou ˇca´rkou. Posledn´ı parametr nasobek pˇreb´ırá zm´ınˇenou pˇrevodn´ı konstantu. Hned za deklarac´ı lokáln´ıch promˇenn´ ych je s n´ı vynásobena ideáln´ı hodnota tak, aby odpov´ıdala formátu uloˇzen´ı v archivu. Druh´ y a tˇret´ı parametr ovlivˇ nuje statistické rozloˇzen´ı pseudonáhodn´ ych ˇc´ısel. Globáln´ı nastaven´ı odchylky a pravdˇepodobnosti má pˇrednost pˇred hodnotami dan´ ymi normou. Pokud jsou globáln´ı parametry nastaveny (menˇs´ı neˇz 1000 ≈ 100 %), jsou jimi pˇrepsány pevnˇe dané hodnoty a dále se poˇc´ıtá pouze s nimi. Následuj´ıc´ı ˇca´st do doˇcasné promˇenné uloˇz´ı bud’ ideáln´ı hodnotu v pˇr´ıpadˇe, ˇze je zadána nulová odchylka, pseudonáhodné ˇc´ıslo v mez´ıch dan´ ych odchylkou nebo u ´plnˇe náhodné ˇc´ıslo, které m˚ uˇze nab´ yvat jakékoli hodnoty v rozsahu typu unsigned short. Nakonec je promˇenná nahoda typovˇe konvertována a vrácena jako návratová hodnota funkce. Pseudonáhodné ˇc´ıslo v dan´ ych mez´ıch je v pouˇzité implementaci z´ıskáno jako nahoda = ideal · 1 +

x 10000

,

(1)

kde pro náhodné x plat´ı − odchylka < x < odchylka

(2)

a odchylka je parametr v rozsahu 0 < odchylka < 10000 .

19

(3)

V´ ypis 3 Funkce generován´ı pseudonáhodného celého ˇc´ısla unsigned short RandomInt(int ideal, int odchylka, int pravd, int nasobek) { float nahoda; unsigned short hodnota; ideal *= nasobek; if (OdchylkaGlob <= 10000) odchylka = OdchylkaGlob; if (PravdGlob <= 10000) pravd = PravdGlob; if (odchylka == 0) nahoda = ideal; else if ((rand() % 100) < pravd) nahoda = ideal + (rand() % (2 * ideal * odchylka) - ideal * odchylka) / 10000; else nahoda = rand() / nasobek; hodnota = (unsigned short) nahoda; return hodnota; }

3.2 Generátor vzorku˚ signálu˚ Generátor vzork˚ u signál˚ u je prvn´ım a základn´ım modulem VMP. Vˇse ostatn´ı uˇz v nˇejaké podobˇe existovalo a pro naˇse pouˇzit´ı bylo tˇreba pouze upravit, pˇr´ıpadnˇe doplnit ˇci vymˇenit nˇekteré funkce. S kvalitou a vˇerohodnost´ı generovan´ ych signál˚ u stoj´ı a padá v´ yznam a funkˇcnost celého VMP. Z toho vypl´ yvá, ˇze modul generátoru signál˚ u je kl´ıˇcovou ˇca´st´ı celé práce. Nejvˇetˇs´ı d˚ uraz byl kladen na univerzálnost a konfigurovatelnost jeho chován´ı. Právˇe proto byla zvolena cesta vytvoˇren´ı speciáln´ıho konfiguraˇcn´ıho souboru, jehoˇz moˇznosti budou dále vysvˇetleny. P˚ uvodn´ı myˇslenkou bylo vytváˇren´ı signál˚ u ze zadan´ ych harmonick´ ych (ale moˇzno i neharmonick´ ych) sloˇzek, ˇc´ımˇz je moˇzné vytvoˇrit teoreticky libovoln´ y signál. Pozdˇeji bylo nutné rozˇs´ıˇrit signály o náhodné sloˇzky, které jsou taktéˇz zadávány v konfiguraˇcn´ım souboru. Poˇcet promˇenn´ ych mus´ı b´ yt voliteln´ y, signál mus´ı m´ıt moˇznost b´ yt v ˇcase promˇenn´ y, mus´ı b´ yt moˇzné nastavit mnoˇzstv´ı generovan´ ych dat po cel´ ych intervalech, mus´ı b´ yt moˇzné nastavit vzorkovac´ı frekvenci, mus´ı b´ yt moˇzné nastavit datov´ y typ generovan´ ych vzork˚ u, mus´ı b´ yt moˇzné prohlédnout si ˇcasov´ y pr˚ ubˇeh signálu — to vˇse bylo tˇreba splnit v zájmu zachován´ı univerzality. 3.2.1 Funkce Program se spouˇst´ı s jedn´ım parametrem, kter´ ym je cesta ke konfiguraˇcn´ımu souboru. Funkce main() obsahuje pouze volán´ı nˇekolika funkc´ı: y konfiguraˇcn´ı soubor a nastav´ı promˇenné max in nejdˇr´ıve test conf() projde cel´ tervalu, max prom, max harm, datatype, delka inter, opakovani, fv, blok, verbose a octave, jejichˇz název je vˇetˇsinou samovysvˇetluj´ıc´ı. fv obsahuje naˇctenou vzorkovac´ı frekvenci, blok je poˇcet period v jednom bloku dat (jednom souboru), verbose nastavuje mnoˇzstv´ı v´ ypis˚ u a informac´ı a octave je pˇrep´ınaˇc pro vypsán´ı prvn´ıch nˇekolika vzork˚ u do souboru vhodného ke zpracová-

20

n´ı pomoc´ı Octave15 . Pˇri parsován´ı souboru jsou detekovány základn´ı chyby v syntaxi. Pˇri jejich objeven´ı program skonˇc´ı, vyp´ıˇse neoˇcekávan´ y znak a jeho pozici. Pokud verbose > 0, vypis info() vyp´ıˇse do termin´ alu promˇenné naˇctené pˇred-

choz´ı funkc´ı. Nyn´ı se pomoc´ı knihovn´ı funkce malloc() alokuje pamˇet’ pro pole seznam

a parametry. seznam je pole struktur INTERVAL a parametry je pole struktur HARMONICKA. Detailn´ı popis pozdˇeji. y konfiguraˇcn´ı soubor. load param() projde podobnˇe jako test conf() znovu cel´ Tentokrát ale mnohem podrobnˇeji, protoˇze postupnˇe naˇc´ıtá nastavené parametry a pln´ı jimi pole seznam a parametry. Pokud verbose > 0, vypis param() vyp´ıˇse do terminálu vˇsechny naˇctené parame-

try. To má smysl pouze pˇri ladˇen´ı, protoˇze reáln´ y konfiguraˇcn´ı soubor obsahuje stovky aˇz tis´ıce harmonick´ ych. generuj() je nejsloˇzitˇejˇs´ı ze vˇsech funkc´ı v gener´ atoru. Podrobnˇejˇs´ı popis dále. Nakonec se pouze korektnˇe uvoln´ı alokované m´ısto a pokud nedoˇslo k ˇza´dné

chybˇe, program skonˇc´ı s klasickou návratovou hodnotou 0. Struktury INTERVAL a HARMONICKA jsou pouˇzity pro naˇcten´ı vˇsech parametr˚ u sloˇzek signál˚ u z konfiguraˇcn´ıho souboru. Jejich definice je uvedena ve v´ ypisu (4). INTERVAL obsahuje informaci o poˇctu opakován´ı signálu popsaného v konfiguraˇcn´ım souboru jedn´ım blokem parametr˚ u, pointer na prvn´ı odpov´ıdaj´ıc´ı strukturu HARMONICKA v poli parametry, poˇcet promˇenn´ ych neboli signál˚ u a nejvˇetˇs´ı poˇcet sloˇzek jednoho signálu. Struktura HARMONICKA potom obsahuje amplitudu, frekvenci, fázi a maximáln´ı odchylku od zadané amplitudy pro kaˇzdou sloˇzku kaˇzdého signálu v kaˇzdém intervalu. Posledn´ı poloˇzka platnost obsahuje informaci o tom, zda je konkrétn´ı sloˇzka v konfiguraˇcn´ım souboru definována. Pokud ne, pˇri v´ ypoˇctu vzorku se sloˇzka nebere v u ´vahu. Funkce generuj() kromˇe pol´ı seznam a parametry, vˇsech promˇenn´ ych doposud naˇcten´ ych z konfiguraˇcn´ıho souboru a nˇekolika iteraˇcn´ıch lokáln´ıch promˇenn´ ych, obsahuje i dvourozmˇerné pole typu double, které je pouˇz´ıváno pro ukládán´ı odchylkov´ ych koeficient˚ u, které se musej´ı v zájmu podobnosti s realitou mˇenit po náhodném poˇctu vzork˚ u na náhodnou velikost. Kaˇzdá sloˇzka signálu je tedy pˇrenásobena sv´ ym odchylkov´ ym koeficientem a aˇz potom je sloˇzena spolu s dalˇs´ımi sloˇzkami ve v´ ysledn´ y vzorek odpov´ıdaj´ıc´ıho signálu. V tomto m´ıstˇe docház´ı k drobnému 15

http://www.gnu.org/software/octave/

21

V´ ypis 4 Struktury uchovávaj´ıc´ı naˇctené parametry signál˚ u typedef struct { double amp; double frekv; double faze; double odch; int platnost; } HARMONICKA; typedef struct { int opak; HARMONICKA *p_harm; int poc_prom; int poc_harm; } INTERVAL;

V´ ypis 5 Naznaˇcen´ı funkce generován´ı vzork˚ u smyˇ cka dle poˇ ctu opakování smyˇ cka dle poˇ ctu interval˚ u smyˇ cka s inkrementací ˇ casu když vzorek % (10 * fv) == 10 aktualizace odchylkových koeficient˚ u smyˇ cka podle poˇ ctu promˇ enných smyˇ cka podle poˇ ctu složek vzorek += odchylka * amplituda * sin(2 * pi * f * t + fi) konec smyˇ cky zápis vzorku do souboru konec smyˇ cky konec smyˇ cky konec smyˇ cky konec smyˇ cky

omezen´ı univerzality generátoru, protoˇze je pevnˇe dané r˚ uzné chován´ı pˇri vytváˇren´ı odchylkov´ ych koeficient˚ u signál˚ u napˇet´ı a proud˚ u (liché respektive sudé signály v konfiguraˇcn´ım souboru). D˚ uvodem je fakt, ˇze u ´pravy v souvislosti s vytváˇren´ım odchylek byly provádˇeny aˇz po kompletn´ı realizaci generátoru a s aktuáln´ım principem nebylo zpoˇca´tku poˇc´ıtáno. Druh´ ym d˚ uvodem, proˇc nedoˇslo k celkové zmˇenˇe je fakt, ˇze konfiguraˇcn´ı soubor by musel obsahovat dalˇs´ı mnoˇzstv´ı parametr˚ u a pˇriˇsel by o posledn´ı ˇspetku pˇrehlednosti. Ve v´ ypisu (5) je zhruba popsána ˇcinnost funkce generuj(). Posledn´ı nezm´ınˇenou funkc´ı je zapis(). Má na starost zapsat vygenerovan´ y vzorek signálu do souboru ve správném datovém typu a pˇr´ıpadnˇe upozornit na pˇrekroˇcen´ı jeho rozsahu. D˚ uleˇzitou ˇcinnost´ı funkce je také kontrola velikosti velkého“ v´ ystup” n´ıho souboru — pˇri pˇribl´ıˇzen´ı k limitu 2 GB obdrˇz´ıme vysvˇetlen´ı problému a generátor se ukonˇc´ı. Pˇri nastaveném parametru octave dojde k zápisu nejen do binárn´ıho souboru, ale i do textového souboru, kter´ y je pak moˇzné zpracovat v OO Calc16 , Octave nebo si ho prohlédnout bˇeˇzn´ ym textov´ ym editorem.

16

Skvˇel´ a n´ ahrada MS Excel, samozˇrejmˇe zdarma http://www.openoffice.cz/

22

V´ ypis 6 Popis definice jednoho intervalu signál˚ u # Zpusob zapisu: # @ pocet_opakovani { # [(amplituda,frekvence,faze,odchylka)(amplituda,frekvence,faze,odchylka)...] # [(amplituda,frekvence,faze,odchylka)(amplituda,frekvence,faze,odchylka)...] # [(amplituda,frekvence,faze,odchylka)(amplituda,frekvence,faze,odchylka)...] # }

3.2.2 Konfiguraˇ cní a výstupní soubory Jak jiˇz bylo zm´ınˇeno, konfiguraˇcn´ı soubor, obvykle gen.conf, obsahuje parametry sloˇzek signál˚ u, kter´ ymi se následnˇe ˇr´ıd´ı samotn´ y generátor. Mezi spoleˇcné parametry patˇr´ı: verbose, kter´ y nastavuje mnoˇzstv´ı vypisovan´ ych informac´ı. Nastaven´ı na 0 zna-

mená tich´ y“ reˇzim, kdy nen´ı vypisováno témˇeˇr nic. Naopak 2 znamená maxi” máln´ı mnoˇzstv´ı informac´ı z pr˚ ubˇehu vˇsech funkc´ı programu. interval m´ a parametr float hodnotu, která se pouˇz´ıvá jako násobitel opakován´ı

interval˚ u. fv urˇcuje vzorkovac´ı frekvenci. Zadává se v poˇctu sampl˚ u na periodu 0,02 s

(50 Hz). Parametr blok je moˇzné pouˇz´ıt pro urˇcen´ı poˇctu sad vzork˚ u ukládan´ ych do

ˇc´ıslovan´ ych soubor˚ u. datatype urˇcuje datov´ y typ generovan´ ych vzork˚ u. M˚ uˇze b´ yt jedn´ım z int16,

int32, float a double. Pokud je uvedeno octave (bez parametru), prvn´ıch nˇekolik period vˇsech signál˚ u

se zároveˇ n uloˇz´ı v textovém formátu do souboru, kter´ y skript graf.m m˚ uˇze pouˇz´ıt jako vstupn´ı data pro zobrazen´ı pr˚ ubˇeh˚ u. opakovani s celoˇc´ıseln´ ym parametrem nastavuje poˇcet opakován´ı vˇsech dále

definovan´ ych interval˚ u. Pˇri nastaven´ı na nulu se generátor zacykl´ı dokud ho zvenˇc´ı“ nezastav´ıme. ” Následuj´ı definice tzv. interval˚ u. Kaˇzd´ y interval zaˇc´ıná zavináˇcem následovan´ ym lokáln´ım poˇctem opakován´ı. Sloˇzená závorka otev´ırá a uzav´ırá definice signál˚ u v daném intervalu. Hranatá závorka ohraniˇcuje jeden signál. Kulatá závorka obsahuje jiˇz parametry jednotliv´ ych (ne)harmonick´ ych sloˇzek. Parametry jsou amplituda, frekvence, fáze v radiánech a odchylka. Pro pˇrehlednost je moˇzné doplnit libovolné mnoˇzstv´ı b´ıl´ ych znak˚ u. Je moˇzné pouˇz´ıvat i komentáˇre, které musej´ı b´ yt na kaˇzdém ˇrádku uvozeny kˇr´ıˇzkem. Ve v´ ypisu (6) je popsána struktura definice intervalu.

23

V´ ystupn´ım souborem je obvykle soubor gen.bin. Jeho název se vˇsak zmˇen´ı, pokud generátoru pˇredáme parametrem jin´ y neˇz v´ ychoz´ı název konfiguraˇcn´ıho souboru. Kromˇe velkého“ binárn´ıho souboru jsou zároveˇ n data dˇelena do soubor˚ u se stejn´ ym ” názvem, avˇsak s pˇridan´ ym poˇradov´ ym ˇc´ıslem pˇred pˇr´ıponou .bin. Mnoˇzstv´ı vzork˚ u na jeden ˇc´ıslovan´ y soubor ovlivˇ nuje parametr blok v konfiguraˇcn´ım souboru. Posledn´ım v´ ystupn´ım souborem je gen.m (ve v´ ychoz´ım pˇr´ıpadˇe), kter´ y v pˇr´ıpadˇe uveden´ı parametru octave obsahuje nˇekolik period generovan´ ych signál˚ u pro snadnou kontrolu a vytvoˇren´ı graf˚ u pr˚ ubˇeh˚ u.

3.3 Výpoˇ cetní blok V´ ypoˇcetn´ı blok vycház´ı z firmware reálného PMD. 3.3.1 Funkce Velice ve zkratce, protoˇze jeho návrh nebyl pˇredmˇetem této práce, v´ ypoˇcetn´ı blok má na starosti z namˇeˇren´ ych vzork˚ u fázov´ ych napˇet´ı a proud˚ u vypoˇc´ıtat vˇsechny ˇzádané PQ17 veliˇciny, uloˇzit je do struktur a generovat archivn´ı data. 3.3.2 Soubory nastavení Zm´ın´ım se pouze o konfiguraˇcn´ım souboru SmpArcConfig.xml, kter´ ym nastavujeme chován´ı generován´ı a ukládán´ı archiv˚ u (protoˇze s archivy se dále pracuje). Zde je moˇzné nastavit které promˇenné a s jakou frekvenc´ı budou ukládány. To je zásadnˇe d˚ uleˇzité pˇri porovnáván´ı u ´ˇcinnost´ı komprese r˚ uzn´ ych sad dat. 3.3.3 Modifikace portu pro Linux Na ˇcem naopak vˇetˇsina práce spoˇc´ıvala, byla modifikace firmwaru tak, aby byl pouˇziteln´ y v bˇeˇzném operaˇcn´ım systému GNU/Linux. Ve vˇsech zdrojov´ ych souborech, kde se vyskytovaly hardwarovˇe specifické funkce, byly pˇridány pˇrep´ınaˇce preprocesoru, které pˇri kompilaci s pˇrep´ınaˇcem -D Linux zmˇenily chován´ı programu tak, aby na hardware nebyl závisl´ y. Nˇekteré kl´ıˇcové funkce byly vytvoˇreny speciálnˇe znovu v souboru Linux.c. Jedná se napˇr´ıklad o funkce zápisu archiv˚ u do soubor˚ u, práce s ˇcasem apod. D˚ uleˇzitá je linuxová verze DFT s vyuˇzit´ım knihovny fftw3.

3.4 Modul komprese Kompresn´ı blok umoˇznil realizaci experiment˚ u zab´ yvaj´ıc´ıch se vlivem typu a kódován´ı archivn´ıch dat na u ´ˇcinnost komprese. Program je vˇsak pouˇziteln´ y pro benchmark implementovan´ ych kompresn´ıch algoritm˚ u na jakémkoli vstupn´ım souboru. Je 17

Power Quality

24

tedy moˇzné jeho pomoc´ı odhadnout ideáln´ı typ komprese pro libovoln´ y datov´ y soubor. V souˇcasné podobˇe jsou vstupn´ı data komprimována integrovan´ ymi algoritmy RLE, Huffman, LZ, SH a MiniLZO, které doplˇ nuj´ı extern´ı programy s metodami AC, Gzip a Bzip2. 3.4.1 Funkce Funkce programu je velice prostá. Soubor vstupuj´ıc´ı do komprese, pˇredan´ y jako prvn´ı parametr pˇri spuˇstˇen´ı, je otevˇren a je zjiˇstˇena jeho velikost. Po alokaci potˇrebného mnoˇzstv´ı pamˇeti je soubor naˇcten do bufferu data a je alokován dalˇs´ı buffer compressed, kter´ y dále slouˇz´ı pro ukládán´ı v´ ystup˚ u jednotliv´ ych kompresn´ıch algoritm˚ u. Jeho velikost je vypoˇctena z velikosti vstupn´ıho souboru tak, aby v ˇzádném pˇr´ıpadˇe nemohlo doj´ıt k jeho pˇreplnˇen´ı v extrémn´ıch pˇr´ıpadech, kdy komprese zvˇetˇs´ı velikost souboru. Kaˇzd´ y algoritmus má jiné poˇzadavky, proto je pouˇzit v´ ypoˇcet, kter´ y spln´ı vˇsechny. in len + 384 (4) in len + 16 Podle posledn´ı verze dokumentace BCL by dokonce mˇelo staˇcit menˇs´ı mnoˇzstv´ı pamˇeti. (in size · 104 + 50) + 384 (5) 100 Vzhledem k okolnostem a minimáln´ımu rozd´ılu by vˇsak byla u ´prava nepodstatná. Kromˇe zjiˇstˇen´ı velikosti souboru a alokace pamˇeti jsou otevˇreny i soubory log˚ u, do nichˇz jsou pozdˇeji ukládány namˇeˇrené informace. Jedn´ım z nich je soubor log.txt, kter´ y se otev´ırá v reˇzimu pˇridáván´ı na konec (a), druh´ ym je soubor v reˇzimu os” trého“ zápisu (w ) s názvem pˇredan´ ym jako druh´ y parametr pˇri spouˇstˇen´ı. V´ yznam je zˇrejm´ y. Soubor log.txt slouˇz´ı pro ukládán´ı v´ ysledk˚ u velkého mnoˇzstv´ı mˇeˇren´ı, zat´ımco druh´ y soubor obsahuje vˇzdy jen data o jednom pr˚ ubˇehu komprese, ˇc´ımˇz se zjednoduˇs´ı a zpˇrehledn´ı dohledáván´ı jednoho konkrétn´ıho v´ ysledku. O zápis namˇeˇren´ ych hodnot a informac´ı o pr˚ ubˇehu komprese se stará funkce vypis(). Jako parametry pˇreb´ırá dvˇe struktury, které se v Linuxu pouˇz´ıvaj´ı pro uloˇzen´ı pˇresné ˇcasové informace (podrobnˇeji dále), velikost vstupu a v´ ystupu komprese, název kompresn´ıho algoritmu, soubor pro zápis a pˇrep´ınaˇc v´ ypisu do terminálu. Z parametr˚ u je vypoˇctena doba v´ ypoˇctu, kompresn´ı pomˇer a rychlost v´ ypoˇctu. Vˇse je zapsáno do souboru, pˇriˇcemˇz je pomoc´ı define moˇzné nastavit, zda se maj´ı ukládat i velikosti vstupn´ıho a v´ ystupn´ıho souboru. Dle parametru tisk mohou b´ yt vˇsechny informace taktéˇz vypsány do terminálu. Po spuˇstˇen´ı jsou do logovac´ıch soubor˚ u vypsány záhlav´ı sloupc˚ u zaznamenávan´ ych veliˇcin. Data ze vstupn´ıho souboru jsou naˇctena do pamˇeti a pˇricház´ı na ˇradu samotná komprese. Pˇred a po zavolán´ı funkce kompresn´ıho algoritmu nebo spuˇstˇen´ı

25

pˇr´ıkazu je zmˇeˇren ˇcas. Následuj´ı funkce vypis(). V´ ysledná data jsou uloˇzena do soubor˚ u pojmenovan´ ych compressed***.dat, kde hvˇezdiˇcky nahrazuje zkratka názvu metody. ˇ asu 3.4.2 Mˇ eˇrení c Urˇcen´ı velikosti souboru je hraˇckou, ale nalezen´ı vhodného zp˚ usobu mˇeˇren´ı ˇcasu tak, aby v´ ysledky byly stabiln´ı, tˇeˇzko ovlivnitelné bˇehem jin´ ych program˚ u a nav´ıc s dostateˇcn´ ym rozliˇsen´ım, si vyˇzádalo detailnˇejˇs´ı zorientován´ı se v knihovn´ıch funkc´ıch libc18 , konkrétnˇe v time.h 19 . Popsan´ y pˇr´ıstup se dobˇre osvˇedˇcil. Pro ukládán´ı ˇcasov´ ych u ´daj˚ u jsou vyuˇzity struktury timespec, které obsahuj´ı dvˇe celoˇc´ıselné hodnoty tv sec pro uloˇzen´ı sekund a tv nsec pro uloˇzen´ı nanosekund. Pokud potˇrebujeme zjistit rozd´ıl dvou ˇcasov´ ych u ´daj˚ u ve strukturách timespec jako ˇc´ıslo s plovouc´ı ˇrádovou ˇcárkou, provedeme v´ ypoˇcet rozdil = ts2.tv sec − ts1.tv sec +

(ts2.tv nsec − ts1.tv nsec) [s] . 109

(6)

Otázkou z˚ ustává, jak struktury naplnit. K tomu slouˇz´ı funkce clock gettime(). Má pouze dva parametry. Prvn´ım je makro urˇcuj´ıc´ı typ pouˇzitého ˇcasovaˇce a druh´ ym je adresa popisované struktury. Existuj´ı 4 druhy hodin. V naˇsem pˇr´ıpadˇe má v´ yzym rozlinam CLOCK PROCESS CPUTIME ID, coˇz je ˇcasovaˇc procesoru s vysok´ ˇsen´ım, speciáln´ı pro kaˇzd´ y proces a CLOCK REALTIME, j´ımˇz jsou hodiny reálného ˇcasu spoleˇcné pro cel´ y systém (avˇsak opˇet s vysok´ ym rozliˇsen´ım). Prvn´ı zmiˇ novan´ y pouˇz´ıváme pro mˇeˇren´ı ˇcasu v´ ypoˇctu integrovan´ ych kompresn´ıch algoritm˚ u, protoˇze bˇeˇz´ı ve stejném vláknˇe. Druh´ y pouˇz´ıváme u externˇe volan´ ych program˚ u (AC, bzip2, gzip), protoˇze jsou spouˇstˇeny pomoc´ı funkce system(), jej´ıˇz pˇr´ıkaz pˇredan´ y jako parametr probˇehne ve zvláˇstn´ım vláknˇe a v pˇr´ıpadˇe pouˇzit´ı CLOCK PROCESSCPUTIME ID tedy logicky dostáváme nesmyslné ˇcasy.

3.5 Virtuální mˇ eˇrící pˇrístroj VMP je spojen´ım vytvoˇren´ ych modul˚ u a snaˇz´ı se svou funkc´ı pˇribl´ıˇzit reálnému PMD. V souˇcasné podobˇe neobsahuje ˇza´dné grafické rozhran´ı, takˇze je uˇzivatelsky nezaj´ımav´ y. Budouc´ı rozˇs´ıˇren´ı o jakékoli dalˇs´ı moduly, napˇr´ıklad vizualizaˇcn´ı, by ale nemˇelo ˇcinit pot´ıˇze. Funkˇcn´ım c´ılem souˇcasného stavu bylo dosaˇzen´ı spolupráce vˇsech modul˚ u s moˇznost´ı nastavovat generované signály pomoc´ı konfiguraˇcn´ıho souboru generátoru, ovlivˇ novat ˇcinnost v´ ypoˇcetn´ıho bloku, respektive ukládán´ı archiv˚ u pomoc´ı konfiguraˇcn´ıch XML soubor˚ u a umoˇznit spouˇstˇen´ı kom18 19

GNU C Library http://www.gnu.org/software/libc/ Hlaviˇckov´ y soubor funkc´ı t´ ykaj´ıc´ıch se práce s ˇcasem

26

presn´ıch test˚ u na soubory vznikaj´ıc´ıch archiv˚ u. Nepˇr´ıliˇs dokonale implementovaná (rozumˇejte neuniverzálnˇe, bez moˇznosti nastaven´ı), nicménˇe funkˇcn´ı, je schopnost vrácen´ı aktuáln´ıch dat v souboru XML pˇres TCP/IP na poˇzadavek vzdáleného — nyn´ı jedno´ uˇcelového — klienta. Tato vlastnost byla doplnˇena pouze pro jednorázovou potˇrebu ovˇeˇren´ı funkˇcnosti práce s XML soubory. Doplnˇen´ım jednoduchého pˇrep´ınaˇce sleduj´ıc´ıho parametr pˇr´ıchoz´ıho spojen´ı by bylo moˇzné snadno funkˇcnost rozˇs´ıˇrit a vracet v podstatˇe libovolná data. 3.5.1 Souˇ cinnost všech modulu˚ Funkce main(), volaj´ıc´ı vˇsechny dalˇs´ı funkce a spouˇstˇej´ıc´ı generátor, je um´ıstˇena v souboru main.c, patˇr´ıc´ıho mezi soubory, které byly vytvoˇreny od nuly“. Nejedná se ” o modifikovanou funkci main() z origináln´ıho firmware. Hned po definici vkládan´ ych hlaviˇckov´ ych soubor˚ u je nˇekolik pˇrep´ınaˇc˚ u preprocesoru, které ovlivˇ nuj´ı zp˚ usob bˇehu programu. #define VYPISOVAT VSE asi nen´ı nutné dlouze vysvˇetlovat. Pouˇzit´ı obvykle

pˇri ladˇen´ı, kdy m˚ uˇze b´ yt uˇziteˇcné vypsán´ı hodnot prvn´ıho sta vzork˚ u signálu, vˇsech vypoˇcten´ ych aktuáln´ıch hodnot, doby v´ ypoˇctu, data a ˇcasu pouˇz´ıvaného v´ ypoˇcetn´ım blokem. #define GENEROVAT spust´ı pˇred spuˇstˇen´ım v´ ypoˇct˚ u generátor, kter´ y vytvoˇr´ı

(nebo pˇrep´ıˇse) binárn´ı soubory virtuáln´ıch vzork˚ u signál˚ u. #define ZACYKLIT zajist´ı spuˇstˇen´ı dalˇs´ıho bˇehu smyˇcky programu po zpra-

cován´ı vˇsech vstupn´ıch dat. Pokud je zároveˇ n povoleno generován´ı, pˇred dalˇs´ımi v´ ypoˇcty dojde opˇet ke spuˇstˇen´ı generátoru tak, aby se poˇc´ıtalo z nov´ ych dat“. ” Volba #define REALNA SIMULACE m´ a velice prostou funkci — pozdrˇz´ı bˇeh

programu o necel´ ych 200 ms mezi bˇehy v´ ypoˇct˚ u tak, aby program bˇeˇzel pˇribliˇznˇe v reálném ˇcase. Bez této volby náˇs VMP bˇeˇz´ıc´ı na rychlém PC zanalyzuje aˇz nˇekolik minut vzork˚ u signálu za sekundu, coˇz je skvˇelé, pokud generujeme data pro testován´ı kompresn´ıch algoritm˚ u, ale má hodnˇe daleko k práci reálného PMD co se ˇcasové reality t´ yká. Nepˇr´ıjemné je i zatuhnut´ı poˇc´ıtaˇce pˇri bˇehu plnou rychlost´ı, pokud má pouze jedno jádro (100 % vyuˇzit´ı CPU). Volba reálné simulace je jednou z vˇec´ı, které by bylo moˇzné a vhodné v budoucnu vylepˇsit. M´ısto jednoduchého ˇcekán´ı pomoc´ı usleep() by bylo vhodné pouˇz´ıt smyˇcku, která by kontrolovala ˇcas a dalˇs´ı v´ ypoˇcet by spustila aˇz pˇri dosaˇzen´ı dalˇs´ıho násobku 200 ms reálného ˇcasu. T´ım by se zároveˇ n odstranily moˇzné rozd´ıly v rychlosti bˇehu na r˚ uznˇe v´ ykonném hardware. Druh´ ym vylepˇsen´ım by mohlo b´ yt spuˇstˇen´ı generátoru

27

bud’ v ˇcasech ˇcekán´ı, nebo v jiném vláknˇe. V souˇcasné podobˇe totiˇz mˇeˇren´ı zastav´ı aˇz do chv´ıle, kdy jsou vygenerována vˇsechna data (je-li povoleno). Funkce termination handler() slouˇz´ı ke korektn´ımu dokonˇcen´ı právˇe prob´ıhaj´ıc´ıch v´ ypoˇct˚ u v pˇr´ıpadˇe, ˇze bˇeh VMP násilnˇe“ zastav´ıme (napˇr´ıklad pˇr´ıkazem Ctrl+C). ” Pˇri prvn´ım pokusu o ukonˇcen´ı je vypsána hláˇska o akceptován´ı poˇzadavku ukonˇcen´ı. Pˇri opakován´ı poˇzadavku je program ukonˇcen okamˇzitˇe. Následuje funkce sig io(). Jej´ı asynchronn´ı spuˇstˇen´ı zapˇr´ıˇcin´ı pˇr´ıchoz´ı poˇzadavek vzdáleného klienta o soubor s aktuáln´ımi daty. Soubor je tedy vytvoˇren a jako odpovˇed’ odeslán zpˇet klientovi. Pouˇz´ıvá se server s neblokuj´ıc´ım TCP socketem, kter´ y je otevˇren a nastaven hned po spuˇstˇen´ı VMP. Byl zvolen port 4343, protoˇze je pro autora snadno zapamatovateln´ y. . . Hlavn´ı smyˇcka celého systému bˇeˇz´ı ve funkci main(). Po spuˇstˇen´ı jsou deklarovány potˇrebné promˇenné, nastaveny reakce na signály (pˇreruˇsen´ı programu a pˇr´ıchod komunikace po socketu), inicializovány struktury RTC TIME a RTC DATE dle reálného ˇcasu, ze souboru SmpArcConfig.xml je naˇctena konfigurace archivu do odpov´ıdaj´ıc´ı struktury, jsou spuˇstˇeny funkce inicializace v´ ypoˇcetn´ıho bloku, je nastavena struktura SmpPQSettings urˇcuj´ıc´ı sledované limity PQ, je spuˇstˇen generátor dat a vlastn´ı v´ ypoˇcetn´ı smyˇcka. Zde jsou ˇcteny bloky dat z binárn´ıho souboru vzork˚ u signál˚ u a zpracovávaj´ı se v´ ypoˇcetn´ım blokem tak dlouho, dokud je s ˇc´ım poˇc´ıtat. Dalˇs´ı ˇcinnost závis´ı na dˇr´ıve zm´ınˇeném nastaven´ı pomoc´ı definic preprocesoru. V pˇr´ıpadˇe volby ZACYKLIT nedojde k ukonˇcen´ı programu, ale ke skoku na m´ısto spouˇstˇen´ı generátoru, kter´ y se bud’ spust´ı, nebo pˇreskoˇc´ı podle GENEROVAT. yt neustále vypisovány informace V závislosti na definici VYPISOVAT VSE mohou b´ o pr˚ ubˇehu programu, hodnotách veliˇcin, délce trván´ı v´ ypoˇct˚ u atd. Doba v´ ypoˇctu na poli záznam˚ u odpov´ıdaj´ıc´ıch intervalu 200 ms je mˇeˇrena zp˚ usobem pracuj´ıc´ım na stejném principu, jako mˇeˇren´ı rychlosti komprese v kompresn´ım bloku. Pokud je definována REALNA SIMULACE, je po kaˇzdém vypoˇcteném intervalu vloˇzeno ˇcekán´ı usleep(t) s parametrem vypoˇcten´ ym dle t [µs] = 2 · 105 − (t2.tv sec − t1.tv sec) · 106 −

t2.tv nsec − t1.tv nsec 103

,

(7)

kde t1 je struktura typu timespec naplnˇená pˇred spuˇstˇen´ım v´ ypoˇct˚ u a t2 je stejná struktura naplnˇená tˇesnˇe po ukonˇcen´ı v´ ypoˇct˚ u. T´ımto zp˚ usobem je alespoˇ n ˇca´steˇcnˇe eliminována r˚ uzná odchylka od doby bˇehu intervalu na r˚ uzn´ ych PC ˇci pˇri r˚ uzném zat´ıˇzen´ı. Z˚ ustává zde vliv instrukc´ı mimo v´ ypoˇcty, ty jsou vˇsak provedeny alespoˇ n ˇra´dovˇe rychleji, neˇz je doba v´ ypoˇctu na intervalu vzork˚ u signálu.

28

V´ ypis 7 Základn´ı pouˇzit´ı one-dimensional DFT of size N“ dle dokumentace libfftw3 ” #include ... { fftw_complex *in, *out; fftw_plan p; ... in = (fftw_complex*) fftw_malloc(sizeof(fftw_complex) * N); out = (fftw_complex*) fftw_malloc(sizeof(fftw_complex) * N); p = fftw_plan_dft_1d(N, in, out, FFTW_FORWARD, FFTW_ESTIMATE); ... fftw_execute(p); /* repeat as needed */ ... fftw_destroy_plan(p); fftw_free(in); fftw_free(out); }

3.5.2 Archivy V´ ystupem v´ ypoˇcetn´ıho bloku je mnoˇzstv´ı archivn´ıch dat, která jsou ukládána do nˇekolika soubor˚ u. Jsou jimi hlavn´ı archiv PQ dat, archiv PQ událost´ı, elektromˇer, profil, log a pro naˇse dosavadn´ı experimenty nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ı — hlavn´ı archiv. V souboru Linux.c jsou um´ıstˇeny funkce, které se staraj´ı o zápis dat do odpov´ıdaj´ıc´ıch soubor˚ u ve chv´ıli, kdy o to v´ ypoˇcetn´ı blok poˇza´dá (ovlivnˇeno nastaven´ım, generovan´ ymi signály a konfiguraˇcn´ımi soubory). Zaj´ımavou funkc´ı je Write Record(), která zapisuje hlavn´ı archiv VMP do souboru archiv.bin. Obsahuje totiˇz pˇrep´ınaˇc, umoˇzn ˇuj´ıc´ı ukládán´ı dat s delta kódován´ım. Pˇri definován´ı makra DELTA KODOVANI je vytvoˇrena globáln´ı promˇenná typu ArchivniData s názvem MinuleHodnoty, kam se pˇri kaˇzdém zápisu uloˇz´ı aktuáln´ı hodnoty vˇsech archivovan´ ych veliˇcin, aby se s jejich pomoc´ı mohl v dalˇs´ım bˇehu vypoˇc´ıtat rozd´ıl od aktuáln´ıch hodnot, kter´ y je teprve ukládán. Pˇri prvn´ım bˇehu je uloˇzen cel´ y záznam v nativn´ım kódován´ı. Funkce obsahuje i moˇznost povolit v´ ypis vybran´ ych hodnot pro u ´ˇcel kontroly správné funkce v´ ypoˇct˚ u. 3.5.3 Linuxové varianty funkcí Krom zápisov´ ych funkc´ı Linux.c obsahuje i specificky ˇreˇsené funkce vyuˇz´ıvaj´ıc´ı standardn´ıch knihoven OS Linux. Patˇr´ı mezi nˇe RTC GetTime() a RTC GetDate(), které pomoc´ı funkce clock gettime() a struktur typu time t, tm a timespec z knihovny time.h napln´ı globáln´ı instance struktur typu Time a Date, které jsou jiˇz definovány ´ ve zdrojov´ ych souborech v´ ypoˇcetn´ıho bloku. Uspornˇ e, s vyuˇzit´ım krátk´ ych celoˇc´ıseln´ ych typ˚ u, udrˇzuj´ı aktuáln´ı reáln´ y ˇcas potˇrebn´ y pˇri práci s archivy, elektromˇerem atp. Dalˇs´ı naprosto zásadn´ı funkc´ı je DFT, ˇreˇsená pomoc´ı knihovny libfftw3 . Vycház´ı z pˇr´ıkladu, kter´ y je uveden v dokumentaci [6] pˇriloˇzené k bal´ıku zdrojov´ ych soubor˚ u knihovny. Jedná se o pouˇzit´ı jednorozmˇerné DFT. Ve v´ ypisu (7) je pˇr´ıklad citován.

29

Struktury fftw complex slouˇz´ı v naˇsem pˇr´ıpadˇe pro uloˇzen´ı vstupn´ıch dat, kter´ ymi jsou pole N vzork˚ u jednotliv´ ych signál˚ u, a v´ ystupn´ıch dat, coˇz jsou komplexn´ı v´ ystupy z DFT. Z nich jsou dále vypoˇcteny amplitudy a fáze jednotliv´ ych sloˇzek, jsou vynásobeny r˚ uzn´ ymi koeficienty podle toho, zda se jedná o signál proudu ˇci napˇet´ı a jsou také vypoˇcteny harmonické a meziharmonické sloˇzky. V´ ysledky jsou ukládány do struktury AktualniHodnoty typu CSMPData. y obsahuje vˇsechna Funkce fftw plan dft 1d() vytvoˇr´ı tzv. plán, coˇz je objekt, kter´ data potˇrebná pro v´ ypoˇcet DFT. Knihovna um´ı poˇc´ıtat i dvou, tˇr´ı a v´ıcerozmˇerné transformace, jejichˇz plán pˇripravuj´ı funkce fftw plan dft 2d, fftw plan dft 3d a fftwplan dft. Posledn´ı zm´ınˇená pˇreb´ırá nav´ıc jeden parametr urˇcuj´ıc´ı dimenzi. Spoleˇcn´ ymi parametry jsou poˇcet vzork˚ u, vstupn´ı a v´ ystupn´ı pole komplexn´ıch ˇc´ısel in a out, parametr FFTW FORWARD urˇcuj´ıc´ı smˇer transformace (pˇri inverzn´ı FFTW BACKWARD) a posledn´ı flag parametr, kter´ y rozhoduje o zp˚ usobu vytvoychkoli mˇeˇren´ı, ˇren´ı plánu. FFTW ESTIMATE vytvoˇr´ı suboptimáln´ı plán bez jak´ na rozd´ıl od FFTW MEASURE, jehoˇz volbou bychom povolili proveden´ı rychlostn´ıch test˚ u nˇekolika moˇznost´ı v´ ypoˇct˚ u, na jejichˇz základˇe by knihovna vytvoˇrila plán s nejrychlejˇs´ım z nich. Mˇeˇren´ı dle dokumentace m˚ uˇze trvat nˇekolik sekund a jeho pouˇzit´ı je vhodné v situac´ıch, kdy s jedn´ım plánem budeme provádˇet velké mnoˇzstv´ı nároˇcn´ ych transformac´ı. Zde by bylo pravdˇepodobnˇe nejlepˇs´ı zaˇc´ıt v pˇr´ıpadˇe rychlostn´ıch optimalizac´ı VMP, protoˇze v´ ypoˇcet DFT je jednou z ˇcasovˇe nejnároˇcnˇejˇs´ıch ˇcást´ı v´ ypoˇct˚ u. ypoˇcet. Jedin´ ym parametrem je Funkce fftw execute() uˇz pouze spust´ı vlastn´ı v´ pˇredem vytvoˇren´ y plán, na jehoˇz základˇe se vyb´ırá metoda v´ ypoˇctu a v nˇemˇz jsou obsaˇzena vˇsechna vstupn´ı data i pˇripraven´ y v´ ystupn´ı buffer. Po dokonˇcen´ı v´ ypoˇctu DFT a zpracován´ı v´ ystupn´ıho pole dat je moˇzné zniˇcit“ plán funkc´ı fftw destroy” plan() a pˇr´ıpadnˇe i uvolnit alokované buffery. V naˇsem pˇr´ıpadˇe jsme pouˇzili pole jako lokáln´ı promˇenné funkce, fftw free() jsme tedy nepouˇzili. 3.5.4 Makefile Program make je utilita urˇcená k automatizaci pˇrekladu zdrojov´ ych kód˚ u do binárn´ıch soubor˚ u. Na základˇe definic v souboru Makefile dokáˇze ˇreˇsit jejich závislosti, zpˇrehledˇ nuje pˇreklad a zejména ˇsetˇr´ı ˇcas. Povaˇzuji za vhodné uvést zde alespoˇ n v´ yznam spoleˇcn´ ych flag˚ u pouˇzit´ ych pˇri pˇrekladu. -lrt je pˇrep´ınaˇc, bez jehoˇz pouˇzit´ı bychom nemohli pˇresnˇe mˇeˇrit ˇcas -lfftw3 umoˇzn ˇuje pouˇzit´ı libfftw3 -lm pˇrilinkuje matematické knihovny -lxml2 je d˚ uleˇzité kv˚ uli práci s XML

30

-lz pˇrilinkuje knihovnu libz -g je pˇrep´ınaˇc ladˇen´ı -D Linux, -D SMPQ a -D TALEMA maj´ı stejnou funkci jako #define ve

zdrojovém kódu, ale zde je moˇzné je definovat hromadnˇe zb´ yvá nˇekolik parametr˚ u uveden´ ych za -I, urˇcuj´ıc´ıch adresáˇre, kde se maj´ı

vyhledávat hlaviˇckové soubory

3.6 Pomocné utility Zde jsou zaˇrazeny struˇcné komentáˇre nˇekter´ ych program˚ u, které vznikaly v souvislosti s testován´ım, pouˇz´ıván´ım nebo jako vedlejˇs´ı efekt nˇekter´ ych experiment˚ u. StahniActData Klientská aplikace, která z bˇeˇz´ıc´ıho VMP na zadané IP adrese a portu stáhne XML soubor obsahuj´ıc´ı aktuáln´ı hodnoty vˇsech veliˇcin. csv2conf Pom˚ ucka, která vznikla pˇri vytváˇren´ı konfiguraˇcn´ıch soubor˚ u generátoru dat. V tabulkovém editoru (OO Calc) byly zapsány hodnoty sloˇzek dle vypoˇcten´ ych reáln´ ych graf˚ u, exportovány v textovém formátu .csv a následnˇe pomoc´ı csv2conf pˇrevedeny do syntaxe konfiguraˇcn´ıho souboru. Parametrem byly pˇredávány spoleˇcné odchylky a fáze. graf.m Skript programu Octave, kter´ y naˇcte soubor gen.m vytvoˇren´ y pˇri generován´ı signál˚ u a zobraz´ı prvn´ıch nˇekolik period vˇsech proud˚ u a napˇet´ı v grafu závislosti hodnoty promˇenné na ˇcase. dekomprese Program pouˇz´ıvan´ y pro ovˇeˇren´ı korektn´ı funkce kompresn´ıch algoritm˚ u a bezztrátovosti. Postupnˇe dekomprimuje vˇsechny soubory Compressed***.dat v pracovn´ı sloˇzce do Decompressed***.dat, kde hvˇezdiˇcky opˇet nahrazuj´ı zkratky kompresn´ıch algoritm˚ u.

31

V´ ypis 8 Nápovˇeda vypsaná pˇri chybném spuˇstˇen´ı rozdelData v@r:~/src/komprese$ ./rozdelData Spusteni programu: ./rozdelData RADA KONSTANTA BLOK MAXIMUM SOUBOR KOMPRESE RADA ...1 = aritmeticka, 0 = geometricka KONSTANTA ...celociselna konstanta rady BLOK ...celociselna velikost bloku dat v bytech MAXIMUM ...velikost nejvetsiho generovaneho souboru KOMPRESE ...1 = komprimovat, 0 = nekomprimovat SOUBOR ...cesta k souboru dat v@r:~/src/komprese$

rozdelData Program pouˇz´ıvan´ y pˇri pˇr´ıpravˇe dat pro experimenty (4.1.1). Funkci nejlépe osvˇetl´ı v´ ypis (8). Ze vstupn´ıho binárn´ıho souboru jsou vytvoˇreny ˇcásti s velikost´ı zvyˇsuj´ıc´ı se podle aritmetické nebo geometrické ˇrady. dot2comma Jednoduch´ y prográmek, kter´ y z textového souboru zadaného jako prvn´ı parametr vytvoˇr´ı soubor se jménem dle druhého parametru tak, ˇze vˇsechny teˇcky nahrad´ı ˇcárkami. Tato zmˇena je zásadnˇe d˚ uleˇzitá pˇri importu dat do tabulkového editoru, kter´ y obvykle v ˇceském systému pouˇz´ıvá desetinné ˇcárky m´ısto teˇcek. Pokud provedeme nahrazen´ı teˇcek ˇcárkami aˇz v editoru, obvykle se mnoho hodnot nesmyslnˇe nahrad´ı kalendáˇrn´ımi daty a dohledán´ı d˚ uvodu proˇc ten graf vypadá tak straˇsnˇe“ ” neb´ yvá jednoduché. Nakonec poznámka pro kaˇzdého, kdo s Linuxem nˇekdy pracoval: Ano, stejnou práci vykoná i obyˇcejn´ y sed 20 . . .

20

Stream EDitor — sed http://www.gnu.org/software/sed/

32

4 Praktické výsledky 4.1 Optimální metody ukládání dat v PMD 4.1.1 Úˇ cinnost komprese Pˇri praktickém testován´ı byly nejdˇr´ıve zm´ınˇen´ ym generátorem (2.1.2) vytvoˇreny obrovské spousty archiv˚ u s r˚ uznˇe nastavovan´ ymi parametry. Ve vˇsech pˇr´ıpadech obsahuj´ı vygenerované soubory sdruˇzená a fázová napˇet´ı, proudy, 25 harmonick´ ych a zanedbatelné mnoˇzstv´ı dalˇs´ıch veliˇcin. Jeden blok vˇsech hodnot má velikost 256 B a ve vygenerovan´ ych souborech se opakuje N-krát. Vˇsechny binárn´ı datové soubory byly následnˇe komprimovány pomoc´ı dalˇs´ıho testovac´ıho programu, kter´ y kromˇe komprese pomoc´ı vˇsech pouˇzit´ ych algoritm˚ u zároveˇ n ukládá do logu rychlosti a u ´ˇcinnosti komprese na jednotliv´ ych souborech. V prvn´ı sérii experiment˚ u byly mˇeˇreny kompresn´ı pomˇery jednotliv´ ych algoritm˚ u u dat se surov´ ym binárn´ım a delta kódován´ım. Dalˇs´ım parametrem byla moˇznost ukládat data sériovˇe (serial) nebo prokládanˇe (shuffled). Chován´ı jednotliv´ ych algoritm˚ u je zachyceno na obr. (2), odkud m˚ uˇzeme jasnˇe vyˇc´ıst r˚ uzné chován´ı dvou rozd´ıln´ ych skupin. Algoritmy zaloˇzené na entropii (HUF, SF) plat´ı daˇ n za potˇrebu um´ıstˇen´ı svého binárn´ıho stromu do v´ ystupn´ıho souboru, coˇz pro malé vstupn´ı soubory znamená relativn´ı velikost daleko pˇres 100 %. Pˇri vˇetˇs´ım mnoˇzstv´ı dat se jiˇz tento efekt vytrác´ı a okolo záznamu 64 blok˚ u dosahuje svého optima, jenˇz je dále stabiln´ı pro jeˇstˇe vˇetˇs´ı soubory. Zat´ımco rozd´ıl mezi SF a HUF je minimáln´ı a dle oˇcekáván´ı, pomˇernˇe zásadnˇe u ´ˇcinnost komprese ovlivˇ nuje zp˚ usob kódován´ı dat. Delta kódován´ı evi-

´ cinnost komprese pro r˚ Obrázek 2: Uˇ uzné velikosti souboru dat

33

´ cinnost komprese pro r˚ Obrázek 3: Uˇ uzné hodnoty rozptylov´ ych limit˚ u dentnˇe a razantnˇe zvyˇsuje u ´ˇcinnost komprese. U entropick´ ych algoritm˚ u v grafu nenalezneme sériové ˇrazen´ı, coˇz vypl´ yvá z jejich funkce — nepoznali bychom rozd´ıl. . . Skupina slovn´ıkov´ ych algoritm˚ u netrp´ı neduhem nafouknut´ı“ mal´ ych soubor˚ u. ” Kompresn´ı u ´ˇcinnost se ustál´ı obdobnˇe jako u minulé skupiny, nedosahuje vˇsak tak dobr´ ych v´ ysledk˚ u. I zde je zˇrejmá v´ yhoda pouˇzit´ı delta kódován´ı veliˇcin. V dalˇs´ım kroku dokumentovaném na obr. (3) jsme testovali závislost zmˇeny u ´ˇcinnosti komprese na rozptylu veliˇcin v generovan´ ych datech, jenˇz byl nastavovan´ ym parametrem. Mˇeˇren´ı ukazuje jak se chovaj´ı kompresn´ı algoritmy pˇri n´ızké a vysoké entropii. V reálném svˇetˇe jsou si namˇeˇrené hodnoty vzhledem k intervalu záznamu v pomˇernˇe dlouhém ˇcasovém u ´seku velice bl´ızké a docház´ı pouze k mal´ ym odchylkám, ˇcehoˇz d˚ usledkem je u ´ˇcinnˇejˇs´ı komprese. Entropické algoritmy opˇet dosahuj´ı lepˇs´ıch v´ ysledk˚ u. Vodorovné ˇcáry, v legendˇe oznaˇcené jako PQ, zobrazuj´ı kompresn´ı pomˇer dosaˇzen´ y pˇri rozptylu odpov´ıdaj´ıc´ım limit˚ um EN 50160. Tento pˇr´ıpad popisuje situaci, kterou bychom mohli oˇcekávat v s´ıti n´ızkého napˇet´ı. Mˇeˇren´ı fázového napˇet´ı v intervalu jedné minuty bˇehem celého t´ ydne pomoc´ı reálného mˇeˇr´ıc´ıho pˇr´ıstroje vˇsak ukazuje maximáln´ı odchylku ménˇe neˇz 1,2 V. To znamená, ˇze pˇri nomináln´ım napˇet´ı s´ıtˇe 230 V docház´ı k nejvˇetˇs´ı odchylce 0,22 % okolo klouzaj´ıc´ı stˇredn´ı hodnoty po relativnˇe dlouhou dobu. 4.1.2 Rychlost komprese V dalˇs´ım experimentu jsme provedli opakovaná mˇeˇren´ı rychlosti jednotliv´ ych kompresn´ıch knihoven na stejném datovém souboru. Obr. (4) ukazuje, jak se rychlosti liˇs´ı. Pro minimalizaci chyb mˇeˇren´ı jsme kaˇzd´ y test spouˇstˇeli opakovanˇe a pouˇzili

34

Obrázek 4: Vliv mnoˇzstv´ı záznam˚ u v archivu na rychlost komprese pr˚ umˇerné hodnoty. V´ ysledky se vˇsak liˇsily minimálnˇe vzhledem k pouˇzit´ı ˇcasovaˇce mˇeˇr´ıc´ıho ˇcas bˇehu programu s rozliˇsen´ım 1 ns. Je potˇreba zm´ınit, ˇze jsme pro testy pouˇzili veˇrejnˇe dostupné knihovny s r˚ uznou u ´rovn´ı optimalizace, coˇz znamená, ˇze v´ ysledky je velice tˇeˇzké pˇresnˇe porovnávat. Pro hrub´ y odhad v´ ypoˇcetn´ı nároˇcnosti jednotliv´ ych algoritm˚ u vˇsak graf postaˇcuje. Je zˇrejmé, ˇze rychlost komprese se liˇs´ı velice zásadnˇe — i o nˇekolik ˇrád˚ u. Pouˇzitá implementace LZ77 byla extrémnˇe pomalá, protoˇze nevyuˇz´ıvala ˇza´dnou optimalizaci, zato vˇsak byla optimáln´ı ve své podstatˇe v˚ uˇci kompresn´ımu pomˇeru. HUF i LZ maj´ı opˇet dle oˇcekáván´ı velice podobnou, dostateˇcnou rychlost i pro pouˇzit´ı v embedded zaˇr´ızen´ı. Rychlostnˇe optimalizované MiniLZO je evidentnˇe a nepopiratelnˇe nejrychlejˇs´ı v celém testu. 4.1.3 Shrnutí Optimálních metod ukládání dat v PMD Vysvˇetlili a pˇredvedli jsme v´ yhody a nev´ yhody r˚ uzn´ ych kompresn´ıch algoritm˚ u pouˇzit´ ych na mˇeˇrená data virtuáln´ıho PMD. Pro smysluplné velikosti datov´ ych soubor˚ u s vhodnˇe zvolen´ ym zp˚ usobem ukládán´ı a kódován´ı jsme dosáhli znaˇcného sn´ıˇzen´ı velikost´ı v´ ystupu. Typicky bylo pomoc´ı nemodifikovan´ ych v´ıce´ uˇcelov´ ych kompresn´ıch algoritm˚ u dosaˇzeno 80-ti aˇz 50-ti procentn´ı relativn´ı velikosti v´ ystupn´ıho souboru. Nejlepˇs´ımi se jev´ı ve vybran´ ych oblastech delta kódovan´ y stream komprimovan´ y MiniLZO a Huffman. MiniLZO bylo jednoznaˇcnˇe nejrychlejˇs´ı kompresn´ı knihovnou, zat´ımco Huffman podával nejlepˇs´ı v´ ysledky v u ´ˇcinnosti komprese. Pouˇzili jsme BCL implementaci HUF kompresn´ıho algoritmu, kter´ y podle jeho autora nen´ı optimalizován na rychlost. Vˇeˇr´ım, ˇze dalˇs´ımi optimalizacemi by bylo moˇzné rychlost jeˇstˇe zv´ yˇsit.

35

Obrázek 5: Reálné a generované vzorky napˇet´ı a proudu Dále jsme ukázali, ˇze v´ ybˇerem správného pˇredzpracován´ı vstupn´ıch dat m˚ uˇzeme dosáhnout zaj´ımavé redukce velikosti v´ ystupu. Sériové ˇrazen´ı a delta kódovan´ı u nejrychlejˇs´ıho MiniLZO a delta kódován´ı u HUF zv´ yˇsilo u ´ˇcinnost komprese o dalˇs´ıch 20 % oproti surov´ ym dat˚ um. V budoucnu plánujeme implementaci vybran´ ych kompresn´ıch technik do vyv´ıjeného reálného mˇeˇr´ıc´ıho zaˇr´ızen´ı na platformˇe ARM.

4.2 Bezztrátová kódování a kompresní algoritmy aplikované na data kvality elektrické energie 4.2.1 Srovnání generovaných a reálných dat V prvn´ım experimentu jsme testovali parametry generovan´ ych dat ve srovnán´ı s hodnotami reálnˇe namˇeˇren´ ymi. Na obr. (5) je pˇr´ıklad, kter´ y ukazuje nˇekolik vygeneroˇ van´ ych pr˚ ubˇeh˚ u (slabˇe) a jeden pr˚ ubˇeh namˇeˇren´ y reáln´ ym PMD (silnˇe). Cerven´ a silná ˇca´ra je v praxi namˇeˇrené napˇet´ı, modrá proud. Na základˇe tˇechto experiment˚ u jsme vylepˇsili moˇznosti nastaven´ı a vyladili generátor tak, aby virtuálnˇe generované pr˚ ubˇehy napˇet´ı a proud˚ u mˇely stejné statistické parametry, jako reálná data. Toto je zásadn´ı vylepˇsen´ı oproti sekci (2.1) v naˇs´ı minulé práci, kde pouze náhodnˇe generované archivy zapˇriˇcinily zásadnˇe horˇs´ı v´ ykonnost komprese ve srovnán´ı s reáln´ ymi mˇeˇren´ımi. 4.2.2 Stabilita komprese S v´ıce náhodnˇe generovan´ ymi virtuálnˇe namˇeˇren´ ymi daty jsme pˇri stejném experimentu mohli testovat celkovou stabilitu u ´ˇcinnosti komprese. Pro rozumnˇe veliké

36

´ cinnost komprese pˇri normáln´ım a delta kódován´ı Obrázek 6: Uˇ bloky archivn´ıch dat algoritmy podávaly pˇrekvapivˇe stabiln´ı v´ ykon a rozptyl kompresn´ıch pomˇer˚ u byl obvykle pod 3 %. 4.2.3 Vliv kódování Dalˇs´ım v´ yznamn´ ym faktorem, ovlivˇ nuj´ıc´ım u ´ˇcinnost komprese, je zp˚ usob ukládán´ı veliˇcin pˇri tvorbˇe archivu. V následuj´ıc´ım experimentu jsme pouˇzili bˇeˇzné a delta kódován´ı pˇri tˇrech r˚ uzn´ ych velikostech archivn´ıho souboru. Jak je zˇrejmé z obr. (6), vˇetˇsinou delta kódován´ı zv´ yˇsilo u ´ˇcinnost komprese. V nˇekter´ ych pˇr´ıpadech pomˇernˇe zásadnˇe — o v´ıce neˇz 10 %. Z grafu m˚ uˇzeme také vyˇc´ıst, ˇze mnohem citlivˇejˇs´ı na zp˚ usob ukládán´ı jsou entropické metody. 4.2.4 Vliv velikosti souboru Na obr. (7) je prezentován vliv velikosti archivu na dosaˇzené kompresn´ı pomˇery testovan´ ych algoritm˚ u. Byly pouˇzity tˇri r˚ uzné varianty nastaven´ı obsahu archivn´ıch záznam˚ u — pouze napˇet´ı, napˇet´ı, proudy a harmonické a nakonec plné záznamy vˇsech veliˇcin, které PMD monitoruje vˇcetnˇe vˇsech typ˚ u v´ ykon˚ u apod. Jak je vidˇet, nejlepˇs´ıch v´ ysledk˚ u dosahuje blokov´ y algoritmus bzip2, u nˇehoˇz kompresn´ı pomˇer klesá aˇz na 20 % p˚ uvodn´ı velikosti. AC a HUF metody s pomˇery okolo 30ti % mohou b´ yt stále zaj´ımavé v situac´ıch, kde je potˇreba jednoduch´ y a pˇritom v´ ykonn´ y algoritmus. Nakonec varianty LZ kompresn´ıch algoritm˚ u reprezentované MiniLZO stále nab´ızej´ı smysluplné kompresn´ı pomˇery, ale zdá se, ˇze jsou nejménˇe vhodné v aplikac´ıch pro kompresi databáz´ı kvality elektrické energie. Dále m˚ uˇzeme vyˇc´ıst i závislost mezi efektivitou a velikost´ı archivu — v´ ykon vˇetˇsiny algoritm˚ u se v naˇsem pˇr´ıpadˇe ustál´ı okolo 500 záznam˚ u v archivu.

37

Obrázek 7: Ilustrace vlivu velikosti vstupn´ıho souboru na u ´ˇcinnost komprese

Obrázek 8: Srovnán´ı rychlosti komprese vˇcetnˇe Gzip a Bzip2 4.2.5 Rychlost komprese Posledn´ım experimentem bylo mˇeˇren´ı pr˚ umˇerné rychlosti komprese. Je tˇreba zm´ınit, ˇze mˇeˇren´ı prob´ıhalo na bˇeˇzném desktopu, avˇsak z v´ ysledk˚ u m˚ uˇzeme usuzovat na relativn´ı rychlosti v embedded zaˇr´ızen´ıch. V´ ysledek je na obr. (8). V reálném zaˇr´ızen´ı se m˚ uˇze v´ ysledek liˇsit na základˇe pouˇzité architektury (ARM, Intel Atom, x86 apod.) a mnoˇzstv´ı operaˇcn´ı pamˇeti. Dalˇs´ım pro srovnán´ı nepˇr´ızniv´ ym faktem je r˚ uzná u ´roveˇ n optimalizace jednotliv´ ych kompresn´ıch knihoven a program˚ u, takˇze je velmi obt´ıˇzné srovnávat jednotlivé v´ ykony. Co je vˇsak zˇrejmé, i nejpomalejˇs´ı algoritmus bzip2, pouˇzit´ y v naˇsem testu, je stále dostateˇcnˇe rychl´ y v porovnán´ı s mnoˇzstv´ım dat typicky generovan´ ych PMD za cel´ y den.

38

4.2.6 Shrnutí bezztrátového kódování a kompresních algoritmu˚ aplikovaných na data kvality elektrické energie S ohledem na naˇse pˇredchoz´ı experimenty s daty kvality elektrické energie m˚ uˇzeme ˇr´ıci, ˇze pouˇzit´ım bˇeˇzn´ ych kompresn´ıch algoritm˚ u dosáhneme zásadn´ıho zlepˇsen´ı vyuˇzit´ı u ´loˇziˇstˇe dat v modern´ım PMD. Vytvoˇrili jsme modulárn´ı systém schopn´ y generovat pseudonáhodná data pro automatizované a detailnˇejˇs´ı zkoumán´ı chován´ı tˇechto algoritm˚ u. Pro ovˇeˇren´ı správnosti jsme provedli nˇekolik simulac´ı s pouˇzit´ım generátoru a porovnali v´ ysledky s reáln´ ymi daty z´ıskan´ ymi pˇr´ımo z mˇeˇr´ıc´ıho pˇr´ıstroje. Jak pro PMD, tak pro v´ ypoˇcetn´ı modul generátoru jsme pouˇzili stejn´ y ANSI C zdrojov´ y kód, takˇze jsme schopni generovat binárn´ı pole naprosto stejné struktury. Nav´ıc byl blok generátoru doplnˇen o zvláˇstn´ı blok umoˇzn ˇuj´ıc´ı zmˇenu kódován´ı a vytváˇren´ı r˚ uzn´ ych podmnoˇzin v´ ystupn´ıch dat. S pomoc´ı generátoru jsme experimentálnˇe ovˇeˇrili, ˇze pouˇzit´ı univerzáln´ıch kompresn´ıch algoritm˚ u m˚ uˇze v´ yznamnˇe zlepˇsit vyuˇzit´ı pamˇeti v embedded PMD. Vliv vstupn´ıho kódován´ı a stabilita dosaˇzen´ ych v´ ysledk˚ u byly ilustrovány na r˚ uzn´ ych typech dat. Nejv´ ykonnˇejˇs´ım algoritmem v naˇsich testech je bzip2 ze skupiny blokov´ ych kompresn´ıch metod. S delta kódován´ım byl algoritmus schopen sn´ıˇzit velikost souboru na pouh´ ych 20 % jeho p˚ uvodn´ı velikosti. Naˇse budouc´ı práce by se mohla zamˇeˇrit na dalˇs´ı vylepˇsován´ı implementovaného generátoru, pˇr´ıpadnˇe doplnˇen´ı dalˇs´ıch parametr˚ u tak, aby se signály generovan´ ych napˇet´ı a proud˚ u jeˇstˇe tˇesnˇeji pˇribl´ıˇzily modelované realitˇe. Kromˇe toho chceme pouˇz´ıt existuj´ıc´ı jádro VMP pro vytvoˇren´ı skuteˇcného mˇeˇr´ıc´ıho pˇr´ıstroje, kter´ y by nativnˇe podporoval kompresi a mˇel by doplnˇeny komunikaˇcn´ı a vizualizaˇcn´ı moduly. S takov´ ym zaˇr´ızen´ım by bylo moˇzné jeˇstˇe preciznˇeji analyzovat poˇzadavky reálného systému.

4.3 Dílˇ cí poznatky ˇ asu Mˇ eˇrení c Ze zkuˇsenost´ı s mˇeˇren´ım ˇcasu pomoc´ı funkc´ı z time.h vypl´ yvá, ˇze funkce mohou m´ıt r˚ uzné nejmenˇs´ı rozliˇsen´ı v r˚ uzn´ ych operaˇcn´ıch systémech v rámci jednoho hardwaru. Jedná se tedy o rozd´ıl v implementaci. Je vˇsak tˇreba ˇr´ıci, ˇze nejniˇzˇs´ı ˇrády prvku u d˚ uleˇzité, protoˇze i reálné roztv nsec ve struktuˇre timespec nejsou ve vˇetˇsinˇe pˇr´ıpad˚ liˇsen´ı ve stovkách ˇci tis´ıc´ıch nanosekund pˇresahuje potˇreby pˇresnosti mˇeˇren´ı (pokud mˇeˇr´ıme ˇcasy v ˇrádu milisekund aˇz jednotek sekund). Nab´ız´ı se také otázka, zda nejsou diskriminovány“ algoritmy, jejichˇz ˇcas v´ ypoˇctu ” je mˇeˇren pomoc´ı reálného ˇcasu a ne ˇcasu vlákna procesu — d˚ uvod viz (3.4.2). Ano,

39

jsou znev´ yhodnˇeny, protoˇze spouˇstˇen´ı pˇr´ıkazu v shellu a start dalˇs´ıho programu má jistˇe nezanedbatelnou reˇzii. Záleˇz´ı vˇsak na okolnostech. Je jasné, ˇze pˇri testech rychlosti komprese jsme nemˇeˇrili s mal´ ym mnoˇzstv´ım dat tak, aby se tento handicap mohl uplatnit. V pˇr´ıpadˇe velmi mal´ ych komprimovan´ ych soubor˚ u je vˇsak zanáˇsena znaˇcná chyba. K jej´ımu pˇresnému urˇcen´ı bychom museli porovnat ˇcasy v´ ypoˇctu pˇri volán´ı jako extern´ı program s integrovan´ ym ˇreˇsen´ım. Využití GOTO Tento odstavec m˚ uˇze docela jistˇe na mnoho programátor˚ u vyˇsˇs´ıch jazyk˚ u p˚ usobit jako provokace, ale poprvé v ˇzivotˇe (respektive ve svoj´ı krátké praxi s jazykem C) jsem narazil na situaci, kdy je pouˇzit´ı goto ideáln´ım ˇreˇsen´ım problému. Do funguj´ıc´ıho main.c VMP jsem se rozhodl doplnit pˇrep´ınaˇc ZACYKLIT viz (3.5.1). Pouˇzit´ım standardn´ıch postup˚ u, tedy nˇejakého flagu a funkce while, for nebo do– while, by se kód nejen znepˇrehlednil, ale i dosti zkomplikoval. Pomoc´ı #ifdef ZACYKLIT jsem jednoduˇse vloˇzil znaˇcku ZNOVU: na m´ısto ˇzádaného skoku a goto ZNOVU; spolu s podm´ınkou ukonˇcen´ı programu na m´ısto, odkud se má skákat. ˇ sen´ı funguje a zásah do kódu je minimáln´ı. Reˇ

40

Závˇ ery a doporuˇ cení S vyuˇzit´ım zdrojov´ ych kód˚ u skuteˇcného pˇr´ıstroje jsme implementovali modulárn´ı VMP. K jeho vzniku vedla pomˇernˇe spletitá cesta, vedouc´ı pˇres experimenty s kompres´ı, zp˚ usoby generován´ı archiv˚ u a vzork˚ u signál˚ u. Na pˇr´ıstroji jsme provedli ˇradu experiment˚ u, jejichˇz v´ ysledk˚ u v budoucnu vyuˇzijeme pˇri volbˇe algoritmu optimalizuj´ıc´ıho vyuˇzit´ı pamˇeti v PMD. D´ılˇc´ı v´ ysledky jsme u ´spˇeˇsnˇe prezentovali na dvou mezinárodn´ıch konferenc´ıch EPE [8] a CIRED [9]. Ze studia reáln´ ych dat jsme zjistili, ˇze kol´ısán´ı napˇet´ı v s´ıti je obvykle daleko pod limitem dan´ ym normou a naˇse mˇeˇren´ı v souvislosti s ˇcást´ı (2.1) byla tedy pro hodnocen´ı u ´ˇcinnosti komprese zbyteˇcnˇe nároˇcná. Mnohem pokroˇcilejˇs´ı pˇr´ıprava“ dat ” pro komprimaci pomoc´ı speciáln´ıho generátoru vzork˚ u signálu v souˇcinnosti s jádrem reálného PMD (2.2) pˇrinesla svoje ovoce a po peˇclivém nastaven´ı algoritmu generován´ı a vyladˇen´ı konfiguraˇcn´ıho souboru jsme z´ıskali data, jejichˇz velikost dokázaly kompresn´ı algoritmy aˇz pˇetinásobnˇe zmenˇsit. Co je vˇsak d˚ uleˇzitˇejˇs´ı, takto z´ıskané archivy mnohem v´ıce koresponduj´ı s tˇemi z reálného svˇeta a budouc´ı vyuˇzit´ı komprese ve skuteˇcném embedded zaˇr´ızen´ı je naˇs´ım c´ılem. Ze vˇsech proveden´ ych test˚ u vystupuj´ı jako v´ıtˇezové blokové kompresn´ı algoritmy bzip2 a gzip, pˇriˇcemˇz v tˇesném závˇesu sekunduj´ı entropické algoritmy SF a Huffman, ale zaj´ımavé v´ ysledky podávaly pˇri vhodném kódován´ı i slovn´ıkové algoritmy LZ77 a rychlostnˇe optimalizované MiniLZO. V u ´ˇcinnosti komprese dle oˇcekáván´ı naprosto nedostateˇcn´ y algoritmus RLE d´ıky své extrémn´ı jednoduchosti naopak vˇsechny poráˇz´ı svou rychlost´ı. Jeho u ´ˇcinnost je vˇsak natolik zanedbatelná, ˇze by se jeho implementace v ˇzádném pˇr´ıpadˇe nevyplatila. Zaj´ımavˇejˇs´ı situace je v pˇr´ıpadˇe MiniLZO, kter´ y je druh´ ym nejrychlejˇs´ım algoritmem v testech a pˇritom podává smysluplné v´ ysledky. Pokud by nebyly zásadn´ı poˇzadavky na rychlost komprese, mohli bychom uvaˇzovat o pouˇzit´ı LZ77, Huffman, SF nebo AC, které podávaly velice dobré v´ ysledky kompresn´ı u ´ˇcinnosti. V ideáln´ım pˇr´ıpadˇe, pˇri pˇrebytku v´ ykonu i pamˇeti, bychom jistˇe vyb´ırali mezi komplexn´ımi algoritmy bzip2 a gzip. Nezaj´ımali jsme se pouze o r˚ uzné kompresn´ı algoritmy, ale sledovali jsme i vliv r˚ uzn´ ych kódován´ı a ˇrazen´ı dat v archivech. Pouˇzit´ı sériového ˇrazen´ı nebo delta kódován´ı bylo na základˇe jejich funkce u jednotliv´ ych algoritm˚ u a v korespondenci s pˇredpoklady v´ıce ˇci ménˇe vhodné. Je logické, ˇze sériové ˇrazen´ı entropick´ y algoritmus vlastnˇe ani nepozná, zat´ımco slovn´ıkov´ y algoritmus nebo dokonce RLE bude vykazovat zásadn´ı zlepˇsen´ı kompresn´ı u ´ˇcinnosti. Témˇeˇr univerzáln´ıho zlepˇsen´ı dosahujeme pouˇzit´ım delta kódován´ı, které zásadnˇe sn´ıˇz´ı mnoˇzstv´ı r˚ uzn´ ych znak˚ u ve vˇsech záznamech v archivu (kromˇe prvn´ıho). Ukázalo se také, ˇze blokovˇe tˇr´ıd´ıc´ı kombinované algoritmy zastoupené bzip2 a gzip jsou na zmˇenu kódován´ı nejménˇe citlivé, protoˇze podobné transformace s daty samy internˇe provádˇej´ı. Pokud vˇsak dopˇredu

41

pˇresnˇe známe strukturu dat a jiˇz pˇri ukládán´ı pouˇzijeme delta kódován´ı, následná komprese jednoduˇsˇs´ım algoritmem bude vykazovat srovnatelné v´ ysledky a dokonce bude cel´ y proces rychlejˇs´ı, neˇz pˇri pouˇzit´ı sloˇzitého (= pomalého) algoritmu. Jednotlivé bˇehy generátor˚ u dávaly po kompresi velice bl´ızké v´ ysledky jak v kompresn´ım pomˇeru, tak v rychlosti. Dle tohoto zjiˇstˇen´ı jsme opˇet pozdˇeji usoudili, ˇze postupy mˇeˇren´ı pouˇz´ıvané pˇri prvn´ıch experimentech s generátorem archiv˚ u byly zbyteˇcnˇe precizn´ı a pro pouhé srovnán´ı algoritm˚ u pˇr´ımo megalomanské. Kaˇzdé mˇeˇren´ı jsme opakovali se stejn´ ym nastaven´ım desetkrát a prezentovali pr˚ umˇerné hodnoty. Pokud nˇekdy docházelo ke zˇretelnˇejˇs´ım odchylkám, bylo to v pˇr´ıpadˇe velice mal´ ych archiv˚ u, které se vˇsak v praxi vyskytuj´ı minimálnˇe a pokud ano, u tak malého archivu komprese stejnˇe nemá rozumn´ y smysl. Poznatky jsme se ˇr´ıdili pˇri experimentech s generátorem vzork˚ u signálu. Zde jsme jiˇz mˇeˇren´ı neopakovali vˇzdy, pouze jsme ovˇeˇrovali namátkou, zda nedocház´ı k popsané nestabilitˇe. V budoucnu je moˇzné vydat se mnoha smˇery. Jedn´ım z nich je dalˇs´ı vylepˇsován´ı generátoru vzork˚ u signál˚ u (generátor archiv˚ u je dnes uzavˇrenou záleˇzitost´ı). Na generátoru je bez nadsázky moˇzné pracovat donekoneˇcna, protoˇze je neustále moˇzné pˇridávat nové funkce, upravovat algoritmus nebo moˇznosti konfiguraˇcn´ıho souboru. Dalˇs´ım smˇerem je dotaˇzen´ı“ VMP do stavu, kdy by dokázal nejen provádˇet uˇzi” vateli skryté v´ ypoˇcty, ale i vizualizovat mˇeˇrená data a veliˇciny, zdokonalit a rozˇs´ıˇrit s´ıt’ovou komunikaci, doplnit moˇznost ovládat bˇeh nebo vytvoˇrit GUI atd. Posledn´ım moˇzn´ ym smˇerem je pˇr´ıprava a praktická implementace na skuteˇcn´ y hardware, respektive fyzické PMD s implementovanou schopnost´ı komprese dat. Jak bylo zm´ınˇeno v u ´vodu, celá práce skuteˇcnˇe vznikla s vyuˇzit´ım pouze volného software, knihoven a zdrojov´ ych kód˚ u. I kdyˇz bylo tˇreba pˇrekonat mnoho pˇrekáˇzek, nyn´ı mohu s klidn´ ym srdcem ˇr´ıci, ˇze vytvoˇren´ı jakékoli technické zprávy, v´ yvoj software i obecné pouˇz´ıván´ı linuxového operaˇcn´ıho systému je pruˇznˇejˇs´ı, pohodlnˇejˇs´ı, pˇr´ıjemnˇejˇs´ı, rychlejˇs´ı a pˇritom zdarma. Je ˇskoda, ˇze stále jeˇstˇe ˇzijeme uprostˇred spoleˇcnosti zarytˇe brán´ıc´ı monopoly21 a odm´ıtaj´ıc´ı zmˇenu. . .

21

I am the Linux/UNIX user only!!! It is because of Linux/UNIX is like teepee. No Windows, no ” Gates, Apache inside!!!“ [podpis nadˇseného uˇzivatele CIJOML na serveru www.abclinuxu.cz]

42

Použitá literatura a prameny ˇ [1] CSN EN 50160 Charakteristiky napˇet´ı elektrické energie dodávané z veˇrejné distribuˇcn´ı s´ıtˇe. [2] Voltage Characteristics in Public Distribution Systems. 2000. [3] Testing and measurement techniques - General guide on harmonics and interharmonics measurements and instrumentation for power supply systems and equipment connected thereto. 2002. [4] Testing and measurement techniques – Power quality measurement methods. 2003. [5] Pravidla provozován´ı distribuˇcn´ıch soustav, Pˇr´ıloha 3: Kvalita elektˇriny v distribuˇcn´ı soustavˇe a zp˚ usoby jej´ıho zjiˇst’ován´ı. 2006. [6] FRIGO, M.; JOHNSON, S. G.: Fastest Fourier Transform in the West. 2009. URL http://www.fftw.org/ [7] GEELNARD, B.: Basic Compression Library Manual API version 1.2. 2006. URL http://bcl.comli.eu/ [8] KRAUS, J.; BUBLA, V.: Optimal Methods for Data Storage in Performance Measuring and Monitoring Devices. 2008. ˇ [9] KRAUS, J.; TOBISKA, T.; BUBLA, V.: Looseless Encodings and Compression Algorithms Applied on Power Quality Datasets. 2009. [10] OBERHUMER, M.: LZO Real-time data compression library, Version 2.02. 2005. URL http://www.oberhumer.com/

43

Nomenklatura ANSI C Verze jazyka C standardizovaná v roce 1990. ´ ´ KOMPRESE Zmenˇsen´ı velikosti souboru bez ztráty informace. BEZZTRATOV A ´ Í STROM Tabulka symbol˚ BINARN u uspoˇra´dan´ ych dle pravdˇepodobnosti v´ yskytu v datovém souboru. ´ ´ Í Ukládá se pouze rozd´ıl aktuáln´ı a minulé hodnoty veliˇciny. DELTA KODOV AN ˇ ÍZENÍ Zabudovan´ EMBEDDED ZAR y, jedno´ uˇcelov´ y, specializovan´ y pˇr´ıstroj. ENTROPIE M´ıra neuspoˇra´danosti symbol˚ u v souboru. FLUKTUACE Náhodné kol´ısán´ı veliˇciny kolem stˇredn´ı hodnoty. GNU/LINUX Jádro operaˇcn´ıho systému, knihovny a nástroje z projektu GNU. ´ ´ Í Transformace informace z jednoho systému znak˚ KODOV AN u do jiného. MONITORING Sledován´ı, ovládán´ı a z´ıskáván´ı dat ze vzdáleného pˇr´ıstroje. PMD Performance Measuring and Monitoring Device. ´ ´ UKLAD ´ AN ´ Í Zapisuj´ı se celé bloky vˇsech veliˇcin — obvyklé pˇri PROKLADAN E práci v reálném ˇcase. ´ ´ C ˇ ÍSLA Vytváˇrej´ı posloupnost, která se zdá b´ PSEUDONAHODN A yt náhodná. Jsou vˇsak vytváˇrena deterministick´ ym algoritmem. REDUNDANCE DAT Nadbyteˇcnost. V´ıce dat, neˇz je nutné. SHELL Interpret pro vytvoˇren´ı pˇr´ıkazového ˇra´dku. SLOVNÍK V naˇsem pˇr´ıpadˇe tabulka opakuj´ıc´ıch se sekvenc´ı znak˚ u. ´ ´ UKLAD ´ AN ´ Í Hodnoty kaˇzdé veliˇciny jsou v archivu v souvislém bloku. SERIOV E VMP Autonomn´ı Virtuáln´ı Mˇeˇr´ıc´ı Pˇr´ıstroj urˇcen´ y k simulac´ım.

44

Rejstˇrík embedded, 13, 38 embedded zaˇr´ızen´ı, 10, 41 entropie, 13, 34, 37 EPE, 11, 12, 41

AC, 16, 25, 37, 41 AktualniHodnoty, 30 ANSI C, 13, 39 archiv, 12 archiv.bin, 29 ArchivniData, 29 archivy, 29 ARM, 13, 36, 38

fftw3, 24 fftw complex, 30 fftw destroy plan(), 30 FFTW ESTIMATE, 30 fftw execute(), 30 FFTW FORWARD, 30 fftw plan dft 1d(), 30 firmware, 24 float, 23

BASH, 17 BCL, 25 benchmark, 24 binárn´ı strom, 33 Burrows-Wheeler, 16 bzip2, 13, 16, 25, 39, 41

GCC, 17 gen.bin, 24 gen.conf, 15, 23 gen.m, 24, 31 generátor dat, 28, 42 generátor vzork˚ u signál˚ u, 20, 42 GENEROVAT, 27, 28 generuj(), 21 globáln´ı pravdˇepodobnosti, 17 globáln´ı rozptyly, 17 GNU, 16 GNU/Linux, 4, 5, 15, 17, 24, 42 goto, 40 graf.m, 23, 31 GUI, 42 gzip, 13, 16, 25, 41

C/C++, 17 CIRED, 11, 14, 41 clock gettime(), 26, 29 CLOCK PROCESS CPUTIME ID, 26 CLOCK REALTIME, 26 Compressed***.dat, 26, 31 CSMPData, 30 csv2conf, 31 Ctrl+C, 28 DataProKompresi, 17 Date, 29 Debian, 17 Decompressed***.dat, 31 DEFLATE, 16 dekomprese, 31 delta kódován´ı, 19, 29, 33, 36, 39, 41 DELTA KODOVANI, 29 DFT, 17, 24, 29 dot2comma, 32 double, 23

hardware, 10, 24, 27, 42 HARMONICKA, 21 HUF, 13, 33, 35, 37 Huffman, 25, 41 int16, 23

45

int32, 23 Intel Atom, 38 INTERVAL, 21

PMD, 10, 12, 15, 35, 37, 39, 41 port, 28 PQ, 28 PQZIP, 16 preprocesor, 28 pseudonáhodná ˇc´ısla, 17

jazyk C, 4, 11, 17, 40 jazyk Pascal, 4 kódován´ı, 12, 41 knihovny, 10, 17, 24, 29, 30, 35, 42 kompatibilita, 12 kompresn´ı blok, 10 konektivita, 12 Koprnick´ y, Jan, 4 Kraus, Jan, 4

reáln´ y a procesorov´ y ˇcas, 26 REALNA SIMULACE, 27, 28 RLE, 13, 16, 25, 41 rozdelData, 32 rozptyl, 12, 34, 37 RTC DATE, 28 RTC GetDate(), 29 RTC GetTime(), 29 RTC TIME, 28

libc, 26 libfftw3, 17, 29 libxml2, 17 limit, 22, 28, 34, 41 Linux.c, 24, 29 log.txt, 25 LZ, 13, 16, 25, 37 LZ77, 14, 35, 41 LZO, 14

s´ıt’ová komunikace, 10, 42 sériové ˇrazen´ı, 33, 41 sed, 32 serial, 33, 34 SF, 13, 33, 41 SH, 25 shuffled, 33 sig io(), 28 SmpArcConfig.xml, 24, 28 SmpPQSettings, 28 socket, 28 StahniActData, 31 standardy, 12 svobodn´ y software, 4, 10, 42 syntéza, 15

main(), 27 main.c, 27, 40 make, 17 Makefile, 17, 30 MiniLZO, 14, 25, 35, 37, 41 MinuleHodnoty, 29 modul komprese, 24 modulárn´ı systém, 15, 41 monitoring, 12

TCP, 28 TCP/IP, 27 termination handler(), 28 Time, 29 time.h, 26, 29, 39 time t, 29 timespec, 26, 28, 29, 39

NetBeans, 17 Octave, 31 octave, 22, 24 odchylka, 34, 42 odchylka, 19 odchylkové koeficienty, 21

46

tm, 29 Tobiˇska, Tomáˇs, 4 transformace, 16, 30, 41 Ubuntu, 17 usleep(), 28 v´ ypoˇcetn´ı blok, 10, 15, 24, 28, 39 v´ ypoˇcty, 10, 18, 21, 27, 28, 42 vizualizace, 39, 42 VMP, 5, 20, 26, 27, 29, 30, 39, 41, 42 vypis(), 25 VYPISOVAT VSE, 27, 28 vzorkovac´ı frekvence, 23 x86, 38 XML, 17, 26, 31 ZACYKLIT, 27, 28, 40 zdrojové kódy, 4, 10, 17, 42 znaky, 13, 14, 21, 23, 41

47

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI. Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií

Recommend Documents