Методические указания к выполнению. Заданий по курсу «Архитектура вычислительных систем»

Министерство образования РФ

Ижевский Государственный Технический Университет

Кафедра ПО

Методические указания к выполнению

Заданий по курсу «Архитектура вычислительных систем»

Для студентов 2- го курса спец. 22.04

Задание 2

«Оценка производительности вычислительной системы»

Ижевск 2001

Цель работы: научиться оценивать производительность ВС

1. Краткие теоретические сведения.

1.1. Объект работы по оценке.

Каждая создаваемая система должна удовлетворять заранее заданным спецификациям производительности.

Спецификации производительности характеризуют насколько хорошо система выполняет свои функции. Производительность можно интерпретировать как технический эквивалент экономического понятия ценности ( потребительской стоимости).

Иначе говоря, производительность есть то, что делает систему ценной для пользователя.

Система с конфигурацией, изображенной на Рис.1 называется проп-системой.

 

Основные типы организации систем приведены в таблице 1.

Таблица 1

Режимы обработки: пакетный диалоговый Совмещение: однопрограммные мультипрограммные Управление памятью: ручное автоматическое

Типовыми устройствами ввода – вывода системы пакетной обработки являются устройства чтения перфокарт, карточные перфораторы и устройства печати. Программы и данные наносятся на ПК. Карты читаются и после преобразования кодов и содержимое переносится в буферную область в основной памяти М и через Р4 (Рис. 1.). когда буфер наполняется его содержимое переносится на диск через Р3.

На диске задания ждут своей очереди на загрузку в память. Как только задание загружено через Р3, оно может обрабатываться центральным процессором Р1. Во время выполнения задание будет требовать информацию, расположенную на барабане или диске. Операционная система расположенная в памяти М будет заботиться об обменах. Задание также будет генерировать выходное сообщение для пользователя, которое накапливается на диске, а в конце выполнения задание печатается, проходя через Р3, М и Р4.

Пользователи системы сообщают ОС свои запросы ресурсов на языке управления заданиями посредством колоды карт задания. В одном задании может быть затребовано последовательное выполнение нескольких шагов задания. Шаг задания есть этап выполнения задания логически отмеченный от остальных и явно специфицированный предложением языка управления.

Задание.

Типичные шаги задания: компиляция, выполнение компилированной программы, копирование файла, распечатка содержимого файла. Когда шаг задания оканчивается, отведенная ему область памяти освобождается, а следующий шаг того же задания добавляется к списку шагов, ожидающих загрузки в М. В этом случае задания выполняются строго последовательно. Такую организацию следовало бы назвать однопрограммной.

Пусть теперь процессоры на Рис.1. представлены четырьмя независимыми процессорами. Процессоры Р2, Р3, Р4 называются каналами ввода - вывода и могут представлять собой либо контроллеры, либо обычные процессоры с запоминаемыми программами. Деятельность этих четырех процессоров может перекрываться во времени. Этот тип системы СПУ (совмещение работы периферийных устройств во взаимодействии с центральным процессором). Однако в памяти все время находится только одно выполняемое задание пользователя. Т. о. центральный процессор не может переключаться на другие задачи во время пересылок ввода - вывода, заказанных текущей задачей и должен ждать их завершения.

Если в память может быть загружено несколько заданий пользователя, центральный процессор может переключаться с одного задания на другое. Будем называть задание активным, если оно находится в данный момент в памяти. Переключение центрального процессора возможно только если хотя бы одно из других активных заданий готово к работе. Активное задание не готово, если ого ожидает завершения заказанного им ввода - вывода. Такой тип систем будем называть мультипрограммными системами. В такой системе число активных заданий обычно называется степенью мультипрограммирования.

Как в однопрограммных, так и в мультипрограммных системах программа должна быть полностью загружена в память, чтобы началось ее выполнение. На каждое задание отводится определенный объем памяти. Если размер задания превосходит этот объем, программист должен разделить задание на сегменты, которые должны быть последовательно загружены ОС в соответствии с детальным указанием пользователя. Эта организация называется ручным управлением памятью.

Однако возможно построить программы, которые позволяют программам выполняться даже будучи загруженными лишь частично и без вмешательства программиста. Это может быть достигнуто применением схем автоматического управления памятью. Имея дело с такими системами, программисты пишут свои программы в пространстве адресов, не совпадающих с физическими адресами. Это пространство называется пространством виртуальных адресов или множеством адресов виртуальной памяти.

Типичными устройствами ввода - вывода диалоговой проп-системы являются телетайпы или дисплеи. Пользователи вводят команды и данные для системных программ или программ пользователя. Эти программы должны существовать в системе до того, как они будут названы командами пользователя. Каждое сообщение, введенное пользователем, состоящее из команды или данных, собирается процессором Р4 в буфере внутри М.

Когда поступает символ «конец сообщения» ОС интерпретирует сообщение и «активирует» процесс. Обычно этот процесс содержит большую часть своей информации на диске на МД и МБ. Активация процесса означает постановку его в очередь процессов, ждущих загрузки в память. В некоторый момент информация для процесса загружается полностью или частично в М, и как только процессор подключится к нему, начинается его выполнение.

Максимальное время центрального процессора, которое может быть дано некоторому процессу каждый раз при его включении, называется квантом процессорного времени. Если выполнение процесса не завершилось, когда истек квант, процесс прерывается и становится в очередь готовых. Когда подходит его очередь процесс получает следующий квант и т. д. до его завершения. Диалоговая система может быть однопрограммной и мультипрограммной.

1.2. Этапы работы по оценке производительности.

Виды деятельности, составляющие вместе работу по оценке, могут быть сгруппированы в 5 этапов (Рис.2.)

 

На Рис.2. показаны также некоторые из возможных путей, которые могут быть пройдены в ходе работы по оценке. Этапы II и III должны включать в себя тщательную оценку всех входящих затрат и возможных выгод. Практическая работа по оценке должна быть по возможности целенаправленной. Во время этапа II предстоит также выбрать подходящий набор индексов производительности. Этапы III, IV, V могут рассматриваться как компоненты оперативной процедуры, лежащей в основе научного метода. Формируется некоторая гипотеза, затем она проверяется и если результат отрицательный, то модифицируется.

Следует иметь в виду, что каждый из перечисленных этапов включает в себя деятельность, направленную на накапливание информации о системе : чтение руководств по системе, изучение логических диаграмм, блок- схем, листингов, программ, расспросы операторов и другого обслуживающего персонала, беседы с пользователями, измерение параметров рабочей нагрузки, сбор данных об использовании системы, интерпретация учетных данных и т. д.

1.3. Индекс производительности.

Индекс производительности есть описатель, который используется для представления всей производительности системы или какого - то из его аспектов.

Наиболее широко распространенные классы количественных индексов производительности для ВС перечислены в Таблице 2.

Таблица 2.

Основные классы количественных индексов производительности ВС.

Класс индекса	Примеры индексов	Общее определение
Продуктивность	Пропускная способность	Объем информации, обрабатываемой системой в единицу времени
Скорость выработки
Максимальная выработка
Скорость выполнения команд
Скорость обработки данных
Реактивность	Время ответа	Время между предъявлением системе входных данных и появлением соответствующей выходной информации
Время прохождения
Время реакции

Продолжение таблица 2

Класс индекса	Примеры индексов	Общее определение
Использование	Коэффициенты использования оборудования (центральный процессор, каналы ввода - вывода, устройство ввода - вывода)	Отношение времени использования указанной части системы в течении заданного интервала времени к длительности этого интервала
Коэффициенты использования операционной системы
Коэффициенты использования общего модуля программного обеспечения
Коэффициенты использования базы данных

Пример 1. Диаграмма на Рис.3. характеризует диалоговую установку с точки зрения отдельного пользователя, взаимодействующего с системой через терминал. Заметим, что часть цикла взаимодействия, в течение которого машина ожидает сообщение от терминала, часто называется временем обдумывания, даже если оно включает время ввода и часть времени вывода.

 

Для пользователя наиболее важным аспектом производительности будет реактивность системы. Диаграмма на Рис.3. позволяет определить индекс реактивности, называемый временем ответа. Время ответа будет определено как интервал между моментом, когда пользователь набирает последний символ входного сообщения, и моментом появления первого символа выходного сообщения на терминале.

Зависимость ценности ответа от времени ответа представлена на Рис.4.

Ниже определенного порога пользователи

не в состоянии даже ощутить разницу во временах

ответа. Выше другого порога уровень удовлетворения

резко падает

Время ответа зависит от данного сообщения, от системы и остальной части рабочей нагрузки, которую обрабатывает система во время приема сообщения.

Удобно работать с индексами производительности, значения которых могут быть представлены одним числом или несколькими числами. В качестве индекса производительности можно использовать среднее время ответа t или среднее t и стандартное отклонение st

Рассмотрим диалоговую проп-систему с шестью активными пользователями, которые приблизительно одновременно вводят шесть команд. Эта система мультипрограммная, но не без виртуальной памяти. Предположим, что программы, которые будут выполняться, полностью загружены в память к моменту поступления команд, и ни одна из команд не выдает запроса на диск или барабан. Из этих команд 4 принадлежат к типу редактирующих (каждая требует для своего выполнения одну единицу процессора). Порядок выполнения команд совпадает с порядком их поступления : сначала одна команда редактирования (С1), затем две команды компиляции (С2, С3), за которыми в свою очередь следуют остальные три команды редактирования (С4, С5, С6). Когда время использования центрального процессора некоторым процессом превосходит квант, равный 2 единицам времени процесс прерывается и становится в очередь готовых процессов. Для выполнения из очереди выбирается следующий процесс. Переключение центрального процессора с одного процесса на другой требует 0.2 единицы времени центрального процессора. Обработка этих шести команд графически представлена на временной диаграмме Рис.5. Моменты завершения процессов на оси времени обведены кружками. Среднее время ответа t равно 8.16 единиц времени при стандартном отклонении st равным 9.55 единицы. Среднее время ответа на команды редактирования составлены в 6.1 единицы времени, а на команды компиляции 12.3 единицы.

 

Средняя пропускная способность взаимодействия в единицу времени.

Различные индексы производительности описывают разные аспекты поведения системы в рамках одной установки. Улучшение одного индекса не всегда улучшает другие индексы.

1.4. Классификация работ по оценке производительности.

Работы по оценке производительности могут быть классифицированы по различным координатам в соответствии с из целями. Одной из наиболее распространенной классификацией является классификация, в соответствии с которой работы делятся на следующие 3 категории:

а) работы по выбору

б) работы по усовершенствованию

в) работы по проектированию

Работы по выбору - связаны с проблемами, встречающимися при проектировании установки и при покупке системы. Эти проблемы включают выбор способа обработки, выбор системы, которая будет установлена из вариантов предложенных различными поставщиками, выбор бюро вычислительного обслуживания, выбор языка для написания определенной программы и выбор пакета системных программ. Работа по выбору производится для достижения определенных целей посредством выбора существующей системы, которая наиболее соответствует некоторым точно определенным критериям выбора.

Работы по совершенствованию относятся к модификациям существующих систем для улучшения их производительности или снижения цены, или для того и другого. Настройка системы, т. е. подбор параметров с целью приспособить ее к рабочей нагрузке установки, попадает в эту категорию работ. Сюда входят также работы, приводящие к развитию системы, которое состоит в замене или добавлении одного или более аппаратных компонентов. К другим типам изменений относятся переупорядочение информации внутри одно из накопителей или среди нескольких накопителей и модификация связей между устройствами и процессорами ввода – вывода. Работы этого класса могут быть названы оптимизационными исследованиями, если не предавать термину оптимизация строго математического значения.

Цель работ по проектированию состоит в ответе на вопросы, возникающие при разработке вычислительных машин, их компонентов, операционных систем, программ и языков.

1.5. Обзор методов оценки производительности.

Работа по оценке производительности направлена на получение ответов на вопросы о производительности данной системы. Обычно эта информация состоит из значений индексов производительности системы при заданной рабочей нагрузке и при определенных значениях параметров системы. Методы, посредством которых может быть получена эта информация, будут называться методом оценки.

Информация о производительности может быть получена как от самой системы(метод измерения), так и от модели системы(метод моделирования).

Можно составить несколько моделей системы. Все эти модели представляют одну и ту же систему, но либо рассматривают ее с различных точек зрения и имеют различные цели, либо имеют различную степень детальности. Различные модели некоторой системы соответствуют различным способам деления ее на компоненты и описание взаимодействия между компонентами или со средой системы. Словесные модели реальных систем называются концептуальными. Концептуальные модели играют фундаментальную роль в оценке из производительности.

Очень распространенное и удобное описание поведения системы основывается на концепциях состояния и перехода между состояниями. Состояние системы в момент определяется как множество значений интересующих нас параметров системы в момент . Любое изменение этих значений может рассматриваться как переход к другому состоянию.

Если поведение модели во времени в основном воспроизводит поведение системы согласно некоторым условиям соответствия между различными аспектами модели и системы, мы имеем имитационную модель. Имитационная модель может рассматриваться как состоящая из уравнений, которые решаются путем прослеживания эволюции из решения на некотором отрезке времени. Вычислительные системы обычно рассматриваются как дискретные системы, которые имеют свои состояния посредством предписанных дискретных переходов, называемые событиями.

Когда решение уравнений, составляющих модель, получено математическими методами, мы говорим, что использован аналитический метод и сконструирована аналитическая модель.

Так для расчета средней пропускаемой способности может использоваться выражение:

где - число команд, подлежащих обработке, - время центрального процессора, необходимое на обработку -ой команды, - время переключения центрального процессора с одного процесса на другой, а -число переключений центрального процессора во время обработки рассматриваемых команд. Таким образом:

где - квант времени, а - означает наименьшее целое, больше или равно .

Общей проблемой всех методов моделирования является проблема точности, т. е. соответствие моделируемой системе любая аналитическая или имитационная модель должна быть проверена, прежде чем ее можно будет использовать для получения информации, нужной для оценки.

Часто в работе по оценке используется несколько методов оценки. Различие характеристик разных методов приводит к тому, что каждый из них может оказаться удобнее, чем другие методы, в зависимости от различных типов проблем, часто встречающихся в одном и том же исследовании.

Общей проблемой для всех методов оценки вычислительных систем является описание рабочей нагрузки.

2. Контрольные задания для выполнения работы.

2.1. В диалоговой проп - системе уменьшить квант времени с 2 единиц времени до 1 единицы времени. Найти среднее время ответа, среднюю пропускную способность, стандартное отклонение времени ответа, среднее время ответа для команд редактирования с среднее время ответа для команд компиляции. Сравнить полученные результаты с результатами при кванте времени – 2 единицы.

2.2. Определить и вычислить и при помощи:

а) построения временной диаграммы

б) выписывания аналитических формул и использование их.

предположив, что у проп - системы имеется только один пользователь, который последовательно вводит команд, длительность которых , квант времени и время переключения .

№Вар.
1	8	1	2	3	3	3	2	1	4	2	0.1
2	7	2	1	3	4	4	2	1	-	2	0.2
3	6	1	1	3	4	4	3	-	-	1	0.2
4	8	1	1	1	1	3	4	4	4	1	0.2
5	7	2	2	2	3	4	4	3	-	1	0.1
6	6	2	2	2	4	4	3	-	-	2	0.25
7	8	1	1	2	2	3	3	4	4	2	0.3
8	7	1	1	1	3	3	1	1	-	3	0.2
9	6	1	1	1	4	4	1	-	-	1	0.15
10	8	1	1	1	3	3	1	1	1	3	0.2
11	7	1	2	1	2	4	1	2	-	2	0.25
12	6	2	1	1	2	3	1	-	-	1	0.25

2.3. Определите по крайней мере 2 индекса, которые вы выбрали для оценки производительности программы, которую вы недавно написали. Предполагая, что вам придется делать эту программу заново, напишите ее спецификации производительности в терминах выбранных индексов. Припишите индексам относительные веса и обоснуйте выбор этих весов.

2.4. Определите коэффициент использования центрального процессора r для диалоговой системы, описанной в работе, как отношение суммарного времени обработки команд пользователя к общему времени, требуемого для завершения обработки всей рабочей нагрузки. Выведите соотношение между r и и постройте график r от .

3. Вопросы для самоконтроля.

3.1  Что такое спецификация производительности?

3.2  Что такое производительность системы?

3.3  Какие типы организации системы существуют?

3.4  Какие устройства ввода- вывода характерны для пакетной обработки?

3.5  Что представляет собой проп- система?

3.6  Что представляет собой тип системы «СПУ»?

3.7  Какое задание называется активным?

3.8  Какие системы называются однопрограммными?

3.9  Какие системы называются мультипрограммными?

3.10  Какие системы ввода - вывода характерны для диалоговой системы?

3.11  Что называется квантом процессорного времени?

3.12  Какие этапы работ по оценке производительности существуют?

3.13  Что такое индекс производительности?

3.14  Какие классы количественных индексов производительности существуют?

3.15  Что называется временем обдумывания?

3.16  Что называется временем ответ?

3.17  Какова зависимость ценности ответа от времени?

3.18  Что представляет собой среднее время ответа?

3.19  Что называется временем переключения?

3.20  Что представляет собой временная диаграмма обработки команд?

3.21  Какие категории работ по оценке производительности существуют?

3.22  Что включают в себя работы по выбору?

3.23  Что включают в себя работы по усовершенствованию?

3.24  Что является целью работ по проектированию?

3.25  Какие методы оценки производительности существуют?

3.26  Что такое рабочая нагрузка системы?

3.27  Какие типы моделей ВС существуют?

3.28  Как рассчитать среднюю пропускную способность?

3.29  Как рассчитать оптимальный квант времени?

3.30  Что является общей проблемой всех методов моделирования и всех методов оценки?

4. Рекомендуемая литература.

4.1. Д. Феррари «Оценка производительности вычислительных систем» М. Мир 1981

4.2. «Микропроцессоры. Архитектура и ее оценка» / под редакцией М. ВШ. 1984