Основы проектирования систем
 Скачать 1.88 Mb.
|
. Модели вычислительных систем 4.1. Принципы структурно-функциональной организации вычислительных систем В качестве объектов проектирования и исследования в теории вычислительных систем рассматриваются вычислительные системы разных классов. Ниже вводятся понятия, используемые для систематизации и выявления классов вычислительных систем, характеризующихся одинаковыми или близкими свойствами, позволяющими унифицировать процесс исследования и проектирования различных систем на системном уровне. 4.1.1. Основные понятия теории вычислительных систем Вычислительная система (ВС) – совокупность технических и программных средств, ориентированных на решение задач, связанных с обработкой данных и получением информации в виде результата решения задачи. К техническим средствам ВС относятся устройства ввода-вывода, хранения и обработки данных, образующие электронную вычислительную 77 машину (ЭВМ, компьютер). Другими словами, ЭВМ или просто вычислительная машина (ВМ) представляет собой совокупность взаимосвязанных устройств для организации ввода, хранения, автоматической обработки по заданной программе и вывода данных. Такими устройствами являются: центральный процессор (ЦП), оперативная (основная) память (ОП), внешние устройства (ВУ), включающие устройства ввода-вывода (УВВ) и внешние запоминающие устройства (ВЗУ), процессоры (каналы) ввода-вывода (ПВВ, КВВ). Вычислительные системы могут быть построены на основе однопроцессорных вычислительных машин или многомашинных и многопроцессорных вычислительных комплексов. Вычислительный комплекс (ВК) – совокупность технических средств, содержащая несколько центральных процессоров. ВК может быть реализован в виде одной вычислительной машины с несколькими ЦП (МПВК – многопроцессорный ВК) или путём объединения нескольких однопроцессорных вычислительных машин, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга (ММВК – многомашинный ВК). Основной целью построения ВК является обеспечение высокой надежности и/или производительности, не достижимой для однопроцессорных вычислительных машин. Программные средства ВС делятся на два класса: системное рограммное обес ечение, включающее операционную систему (ОС), основными составляющими которой, с точки зрения организации эффективного функционирования ВС, являются управляющие программы (УП); рикладное рограммное обес ечение в виде множества прикладных программ (ПП), обеспечивающих ориентацию ВС на решение задач конкретной области. На системном уровне в качестве основной единицы работы в ВС рассматривается задача, представляющая совокупность определенной прикладной программы с определенным набором данных. Причиной инициализации задачи может быть задание, команда, запрос или транзакция. Выполнение задач в ВС называется вычислительным процессом. Последовательность решения задач в ВС, т.е. управление вычислительным процессом, определяется управляющими программами операционной системы. К программным средствам ВС также относятся системы управления базами данных (СУБД), которые совместно с базами данных (БД) образуют информационное обеспечение. Вычислительная сеть или, точнее, компьютерная сеть (сеть ЭВМ) на системном уровне рассматривается как совокупность вычислительных систем разных классов, расположенных, в общем случае, на значительных расстояниях друг от друга и объединенных средой передачи данных, образующей телекоммуникационную сеть. Компьютерная сеть реализует две основные функции: обработку данных; 78 Центральный процессор (ЦП) Оперативная память (ОП) Процессоры (каналы) ввода-вывода (ПВВ) Внешние устройства (ВУ) УВВ ВЗУ Ядро ВС (подсистема ЦП-ОП) Подсистема ввода-вывода (ВВ) Рисунок 20. Каноническая структура ВС передачу данных. Понятие «вычислительная система» в широком смысле слова включает в себя и компьютерные сети, которые могут рассматриваться как системы более высокого уровня. В заключение ответим на вопрос: в чем различие между понятиями «данные» и «информация»? Данные – множество сведений, представленных в виде, пригодном для обработки с целью получения какого-нибудь вывода, решения. Количественной мерой данных является объём – количество единиц данных, измеренных в байтах, словах, страницах и т.п. Информация – сведения, полученные с определенной целью путем обработки данных. Количественной мерой информации является энтропия – мера неопределенности информации. Из этих определений следует, что данные – это любое множество сведений, а информация – это сведения, полученные с определенной целью и несущие в себе новые знания для того, кто эту информацию получает. 4.1.2. Структурная организация вычислительных систем Структурная организация ВС определяется: составом (номенклатурой и количеством) устройств, входящих в состав системы; способом связи устройств между собой; параметрами устройств. На системном уровне ВС обычно рассматривают как совокупность подсистемы ЦП-ОП, являющейся центральной в составе ВС, и подсистемы ввода-вывода. Каноническая структура однопроцессорной ВС представлена на рисунке 20. Центральный процессор (ЦП) реализует обработку данных и управление вычислительным процессом. Оперативная память (ОП) используется для хранения программ и данных, участвующих в вычислительном процессе и в любой момент времени доступных центральному процессору. ЦП и ОП образуют подсистему ЦП-ОП (ядро ВС). Процессоры (каналы) ввода- вывода (ПВВ, КВВ) представляют собой специализированные процессоры с ограниченными функциональными возможностями, необходимыми для организации обмена данными между ОП и ВУ без участия ЦП, что позволяет 79 существенно повысить эффективность функционирования ВС. В персональных компьютерах функции обмена с ВУ реализуются контроллерами внешних устройств. Внешние устройства (ВУ) представляют собой периферийное оборудование ВМ и включают в себя: быстрые устройства – ВЗУ: накопители на магнитных и оптических дисках и магнитных лентах, предназначенные для долговременного хранения программ и данных; медленные устройства – УВВ: различного рода терминалы, дисплеи, устройства печати и т.п., предназначенные для организации обмена данными с внешней средой (пользователями). ПВВ и ВУ образуют подсистему ввода-вывода. Комплексирование двух и более ВМ, входящих в состав вычислительного комплекса, может выполняться на разных уровнях. Наиболее существенен в структурной организации ВК способ связи между ЦП и оперативной памятью комплекса, в зависимости от которого ВК разделяются на комплексы: с индивидуальной (раздельной) памятью – многомашинные вычислительные комплексы (ММВК); с общей (полнодоступной) памятью – многопроцессорные вычислительные комплексы (МПВК). ММВК представляют собой совокупность взаимосвязанных ВМ, а МПВК – одну ВМ с несколькими процессорами. На рисунке 21 представлены канонические структуры ММВК и МПВК. а) б) Рисунок 21. Многомашинный (а) и многопроцессорный (б) ВК ММВК ЦП ЦП ОП ОП ВУ ВУ ВУ ВМ1 ВМ2 МПВК ЦП ЦП ОП ОП ВУ ВУ 80 МПВК характеризуются тем, что любой процессор ВК имеет непосредственный доступ к любому модулю ОП. Более того, в МПВК обычно существует связь между любой парой устройств (рисунок 21,б). Структурная организациякомпьютерных сетей определяется: составом узлов (номенклатура и количество сетевых устройств, ВМ, ВС и терминалов) и топологиейсети передачи данных (СПД); производительностью узлов связи и пропускной способностью каналов связи. 4.1.3. Функциональная организация вычислительных систем Функциональная организация ВС– способ реализации возложенных на систему функций по организации процессов обработки и передачи данных, реализуемых в виде определенных режимов функционирования ВС. Вычислительный процесс на системном уровне можно представить как последовательное чередование двух этапов (рисунок 22): 1) процессорная обработка (выполнение команд в ЦП); 2) ввод-вывод данных (обмен с внешними устройствами). Процессорная обработка на системном уровне рассматривается как последовательность непрерывных интервалов (этапов счета Э1, Э2, …) выполнения команд в ЦП в процессе решения задачи. Завершение этапа счета связано с обращением к ВУ или с завершением задачи. Количество этапов счета на единицу больше, чем число обращений к ВУ, поскольку выполнение задачи начинается и завершается всегда в ЦП. Средняя длительность этапа счета определяется ресурсоемкостью 0 , измеряемой количеством команд (инструкций), выполняемых в процессе этапа счета, и производительностью (быстродействием) ЦП ЦП V : ЦП V t / 0 0 . (25) ВУ ЦП-ОП Э 1 Э 2 Э 3 Э 4 Начало задачи Завершение задачи t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7 t 8 t t t 1 – момент начала выполнения задачи (поступления запроса) в ВС; t 2 , t 4 , t 6 – моменты прерывания счета в ЦП из-за обращений к ВУ; t 3 , t 5 , t 7 – моменты завершения обмена данными с ВУ; t 8 – момент завершения выполнения задачи в ВС; Э1, Э2, Э3, Э4 – этапы счета в ЦП. Рисунок 22. Диаграмма вычислительного процесса 81 При рассмотрении процессорной обработки следует различать ресурсоемкость задачи и ресурсоемкость этапа счета 0 : ) 1 /( ВУ 0 D , (26) где D ВУ – число обращений к ВУ в процессе выполнения задачи. Если в процессе выполнения задачи нет обращений к внешним устройствам ( 0 ВУ D ), например в системах реального времени, то ресурсоемкость задачи и ресурсоемкость этапа счета совпадают: 0 Состав параметров, описывающих процесс ввода-вывода данных, зависит от типа внешнего устройства и режима его функционирования. Например, при обмене с накопителями на магнитных дисках могут использоваться различные механизмы (дисциплины) доступа к данным, уменьшающие время доступа. Кроме того, эффективность процесса ввода-вывода может быть увеличена за счет механизма кэширования. Существенное влияние на характеристики функционирования ВС, такие как время ответа и производительность, оказывает режим функционирования системы. В зависимости от количества задач, одновременно выполняемых в системе, различают: однопрограммный (однозадачный)режим функционирования ВС, при котором в системе выполняется только одна программа (задача); мультипрограммный (многозадачный)режим функционирования ВС, при котором в системе одновременно выполняется несколько задач, причем соответствующие им программы загружены в ОП полностью или частично. Количество задач, одновременно находящихся в системе, называется уровнем мультипрограммирования. Основная цель мультипрограммирования – увеличение системной производительности ВС за счет увеличения загрузки устройств системы, достигаемой в результате распараллеливания работы устройств. Эффект применения мультипрограммного режима иллюстрируется на рисунке 23. В ВС с двумя устройствами У1 и У2 выполняются две задачи А и В в однопрограммном (рисунок 23,а) и мультипрограммном (рисунок 23,б) режимах. Из представленных диаграмм видно, что: 1) системная производительность ВС, измеряемая количеством задач выполненных за единицу времени, при мультипрограммном режиме ) ( ) ( 0 / 2 М M T выше, чем при однопрограммном ) 1 ( ) 1 ( 0 / 2 T : ) 1 ( 0 ) ( 0 M , так как ) 1 ( ) ( T T М ; 2) среднее время ответа (время пребывания задачи в ВС) при однопрограммном режиме 2 / ) ( ) 1 ( ) 1 ( ) 1 ( В А t t u меньше, чем при мультипрограммном режиме 2 / ) ( ) ( ) ( ) ( М В М А M t t u : ) ( ) 1 ( M u u , что при мультипрограммном режиме обусловлено задержками, связанными с ожиданием перед занятыми устройствами. 82 Таким образом, мультипрограммирование позволяет увеличить производительность ВС за счет более полного и эффективного использования устройств системы, однако оперативность при этом уменьшается. Отметим, что наибольшая оперативность ВС достигается при однопрограммном режиме. В зависимости от назначения ВС, формулируемого в виде требований к качеству функционирования системы, вычислительный процесс может быть реализован тремя способами: 1) пакетная обработка; 2) оперативная обработка; 3) реальный масштаб времени. Пакетная обработка направлена на повышение системной производительности ВС, измеряемой числом задач, решаемых системой за единицу времени, и, как следствие этого, на снижение стоимости обработки данных за счет эффективного использования ресурсов системы. Пакетная обработка характеризуется: большим объемом вводимых-выводимых данных и вычислений, приходящихся на одну задачу; низкой интенсивностью взаимодействия пользователей с ВС (10 -1 – 10 0 взаимодействий в час). ) (M T ) (M A t ) (M B t ) 1 ( T 0 t ) 1 ( B t ) 1 ( A t A У1 У2 A A A A В В В У1 У2 а) однопрограммный режим б) мультипрограммный режим Рисунок 23. Режимы функционирования ВС t t A A A A A В В В t t 83 Основной принцип планирования пакетной обработки – максимальная загрузка всех устройств ВС или, что то же самое, обеспечение минимального времени решения всех задач пакета. Пакетная обработка характерна для больших ЭВМ (мэйнфреймов) и суперЭВМ, которые решают задачи, характеризующиеся большой ресурсоемкостью. Оперативная обработканаправлена на уменьшение времени ответа и характеризуется: малым объемом вводимых-выводимых данных и вычислений, приходящихся на одну задачу; высокой интенсивностью взаимодействия пользователей с системой (10 1 – 10 2 взаимодействий в час). Основной принцип планирования оперативной обработки – короткая задача вперед, т.е. задача, имеющая меньшую ресурсоемкость, должна обрабатываться в первую очередь. Оперативная обработка характерна для информационно-справочных систем, систем резервирования билетов и т.п. В ВС общего назначения, когда ресурсоемкость задач заранее неизвестна, этот принцип реализуется путем разделения между выполняемыми задачами общего для всех задач ресурса – процессора. При этом каждой задаче выделяется квант времени длительностью порядка (0,1 – 1) секунд, в течение которого задача выполняется в процессоре. По истечении этого кванта, если задача не завершилась, она прерывается и переходит в состояние ожидания, а процессор начинает выполнять следующую задачу (рисунок 24). Такой режим обработки задач называется режимом разделения времени или режимом квантования. В ВС, предназначенных для управления реальными объектами и процессами, выдача управляющих воздействий осуществляется в темпе, диктуемом внешним (управляемым) объектом. Такой режим функционирования системы называется реальным масштабом времени (РМВ) или просто режимом реального времени, а системы, работающие в РМВ, - системами реального времени (СРВ) или информационно-управляющими системами (ИУС). РМВ характеризуется: ЦП Очередь задач Рисунок 24. Режим разделения времени Поступление задач Прерывание по кванту Завершение задач 84 малым объемом вводимых-выводимых данных, представляемых в виде запросов на обработку; высокой интенсивностью взаимодействия внешнего объекта с системой (более 10 3 взаимодействий в час); наличием жестких ограничений на время пребывания запросов в системе, называемое временем реакции. Понятие "жесткое ограничение" подразумевает два обстоятельства: 1) малые значения времени реакции, измеряемые долями секунд; 2) жесткие требования по выполнению заданных ограничений, превышение которых может привести к резкому ухудшению функционирования системы или выходу системы из строя. РМВ обеспечивается за счет рационального распределения приоритетов между задачами, определяющих последовательность их выполнения, или за счет формирования эффективного расписания выполнения задач. Функциональная организация компьютерной сети определяется: 1) способом организации каналов связи между взаимодействующими абонентами и способом передачи данных по каналам (коммутация каналов, коммутация сообщений, коммутация пакетов); 2) алгоритмом выбора маршрутов передачи данных (статические или фиксированные; динамические или адаптивные); 3) способом управления потоками данных в сети (механизмы тайм-аута и скользящего окна, распределение приоритетов, ограничение доступа в сеть). 4.2. Параметры вычислительных систем Параметры вычислительных систем можно разбить на две группы: структурно-функциональные параметры, описывающие: состав и структуру ВС (структурные параметры): типы и взаимосвязь устройств и их технические данные (быстродействие ЦП, емкости ОП и ВЗУ, пропускные способности каналов связи и т.п.), количество узлов, входящих в состав сети, и их взаимосвязь (топология сети) и т.д.; режим функционирования ВС (функциональные параметры): стратегии управления обработкой данных (последовательность выполнения прикладных задач, приоритеты задач и т.п.) и передачей данных в компьютерной сети (способ коммутации, метод доступа к каналу связи, алгоритм выбора маршрута передачи данных в сети); |