Расчет характеристик вычислительной системы
Введение
Комплекс технических средств обработки информации – это совокупность автономных устройств сбора, накопления, передачи, обработки и представления информации, а также средств оргтехники, управления и других.
К комплексу технических средств предъявляют ряд требований:
• Обеспечение решения задач с минимальными затратами, необходимой точности и достоверности.
• Возможность технической совместимости устройств, их агрегативность.
• Обеспечение высокой надежности.
• Минимальные затраты на приобретение.
Отечественной и зарубежной промышленностью выпускается широкая номенклатура технических средств обработки информации, различающихся элементной базой, конструктивным исполнением, использованием различных носителей информации, эксплуатационными характеристиками и др.
Проблема построения средств обработки информации, в первую очередь, состоит в повышении уровня производительности системы.
Информационная система — это взаимосвязанная совокупность средств и методов, используемых для хранения, обработки и выдачи информации, для достижения цели управления.
Наиболее распространенные разновидности информационно-вычислительных систем:
1. цифровые управляющие и контролирующие системы;
2. системы с оперативной обработкой;
3. мультипроцессорные вычислительные системы;
4. вычислительные кластеры.
В процессе проектирования будут рассмотрены средства построения Мультипроцессора (далее указывается как МПВК). А так же решена задача выбора оптимального вида условий эксплуатации системы для заданных характеристик решаемых задач.
|
|
|
Постановка задачи и анализ технического задания
Многопроцессорный вычислительный комплекс(МПВК) – это комплекс, включающий в себя два или более процессоров, имеющих общую оперативную память, общие периферийные устройства и работающих под управлением единой операционной системы (ОС), которая, в свою очередь, осуществляет общее управление техническими и программными средствами комплекса.
Следует оговорить, что каждый из процессоров может иметь индивидуальные, доступные только ему ОЗУ и периферийные устройства. Все перечисленное весьма существенно, так как делает возможной гибкую организацию параллельной обработки информации и позволяет наиболее эффективно использовать все ресурсы комплекса.
Согласно заданию проектирования КС, соответствующего 13 варианту, исходные данные имеют вид:
| № варианта | Ограничение на | Тип ВС | Базовая ЭВМ | Тип ВЗУ | Тип памяти | Исследуемое устройство |
| 13 | время, 28 с | МПВК | IBM PC | винчестер, zip | общая | процессор |
Таб. 1. Исходные данные
|
|
|
В основе самых простых мультипроцессоров лежит одна шина. Если процессору нужно считать информацию из памяти, он проверяет, свободна ли шина. Если шина занята, процессор ждет.
При наличии двух или трех процессоров доступ к шине вполне управляем. При наличии большего числа процессоров (32, 64 и т.д.) производительность системы полностью ограничивается пропускной способностью шины, а большинство процессоров будут простаивать.
Для разрешения этой проблемы необходимо добавить кэш-память к каждому процессору. Поскольку теперь слова можно получать из кэш-памяти, то и движения в шине будет меньше и система сможет поддержать большее число процессоров.
Каждый элемент кэш-памяти может находится в одном из четырех состояний(протокол MESI):
1. Invalid – элемент кэш-памяти содержит недействительные данные.
2. Shared – несколько кэшей могут содержать данную строку, основная память обновлена.
3. Exclusive – никакой другой кэш не содержит эту строку, основная память обновлена.
4. Modified – элемент действителен, основная память недействительна, копий элемента не существует.
Рассмотрим базовую архитектуру Мультипроцессора с общей шиной:
|
|
|
Рис. 1.1. Базовая архитектура Мультипроцессора с общей шиной
В комплексах с общей шиной проблема связей всех устройств между собой решается крайне просто: все они соединяются общей шиной, выполненной в виде совокупности проводов или кабелей, по которым передаётся информация, адреса и сигналы управления. Интерфейс является односвязным, т. е. обмен информацией в любой момент времени может происходить только между двумя устройствами. Если потребность в обмене существует более чем у двух устройств, то возникает конфликтная ситуация, которая разрешается с помощью системы приоритетов и организации очередей в соответствии с этим. Обычно функции арбитра выполняет либо процессор, либо специальное устройство, которое регистрирует все обращения к общей шине и распределяет шину во времени между всеми устройствами комплекса.
Память ОЗУ и ВЗУ в составе МПВК служат для размещения данных, программы и результатов обработки данных. УВВ (устройства ввода-вывода) служат для взаимодействия системы с оператором и управляемым объектом.
Чтобы переслать информацию от процессора к процессору, необходим механизм передачи сообщений по сети, связывающей вычислительные узлы. Для абстрагирования от подробностей функционирования коммуникационной аппаратуры и программирования на высоком уровне, используются библиотеки передачи сообщений. Несмотря на существенные различия средств межпроцессорного взаимодействия в разных системах по скоростным параметрам и по способу аппаратной реализации, библиотеки обмена сообщениями выполняют приблизительно одни и те же функции.
|
|
|
Выбор топологии машины часто определяет способ решения прикладной задачи. Надо заметить, что оптимизация алгоритмов для параллельных архитектур существенно отличается от той же работы для последовательных систем. Если переход с одного скалярного процессора на другой практически никогда не требует пересмотра алгоритма, то алгоритм, идеально приспособленный для одной параллельной архитектуры, на другой машине (с тем же числом процессоров того же типа) может работать неприемлемо медленно. Для оценки производительности распределенной системы, кроме топологии связей, необходимо знать скорость выполнения арифметических операций, время инициализации канала связи и время передачи единицы объема информации. Если топология системы не тривиальна, то в состав операционной системы или пакета передачи сообщений приходится включать процедуры маршрутизации сообщений, работающие на каждом узле и обеспечивающие пересылку транзитных сообщений. Они также вызывают задержку при передаче информации между узлами, не имеющими прямого канала связи.
Эксплуатация вычислительной системы состоит из
технического и системотехнического обслуживания системы и использования ее по прямому назначению – для обработки данных. Техническое обслуживание это обеспечение работоспособности системы путем создания требуемых условий эксплуатации (режим электропитания, температурный режим и др.) и проведения профилактических и ремонтно-восстановительных работ. Основной показатель качества технического обслуживания – коэффициент готовности системы (компонентов), характеризующий долю времени в течение которого система (компоненты) работоспособна.
Задачей данной курсовой работы является глубокое изучение методов проектирования вычислительной системы типа МПВК, а так же приобретение практических навыков в проектировании системы данного типа. В процессе проектирования необходимо ознакомиться со средствами построения современных ЭВМ, микропроцессорных систем, вычислительных кластеров, решить задачу выбора оптимального по критерию производительности комплекса устройств, для заданных характеристик решаемых задач и условий эксплуатации системы.
Расчет характеристик вычислительной системы
В данном разделе показан расчет характеристик алгоритмов, реализуемых системой. А именно: необходимое быстродействие процессора системы, дисциплина обслуживания заявок, время ожидания и пребывания задач в системе.
Ввиду значительной трудоемкости расчетных работ при отдельных этапах проектирования ВС, в работе была использована программа для математических расчетов Mathcad и программа для анализа вычислительных систем Difur.
Расчет характеристик начинается с определения трудоемкости задач, для которых проектируется компьютерная система. Оценка трудоемкости алгоритмов проводится на основе теории Марковских цепей и сетевого подхода, а также определение максимального и минимального времени выполнения алгоритма.
Совокупность операторов и связей между ними наиболее наглядно представляется графом алгоритма, где вершины соответствуют основным операторам алгоритма, а дуги отображают связи между операторами.
Рис.2.1. Граф алгоритма
Универсальный метод
Данный метод основан на демонстрации системы уравнений с помощью граф. Данный метод иллюстрирует условия входа и выхода сигнала. Граф выявляет структуру алгоритма, определяя множество операторов 
и дуг 
, 
и 
, связывающих операторы.
Решение задачи определения трудоемкости алгоритма сводится к вычислению среднего числа 
пребываний марковского процесса в невозвратных состояниях 
. Одним из способов расчета указанных величин является нахождение корней системы линейных алгебраических уравнений. Каноническая запись системы уравнений имеет вид:
. (2.1.1)
Решение данной системы уравнений в моём случае, выглядит следующим образом:
(2.1.2)
Получаем матрицу:
Решив данную систему уравнений методом Гауса получаем ответ:
что соответствует: 
Трудоёмкость вычисляется по формуле:
Q = 
(2.1.3)
| i | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| ki | 100 | 250 | 360 | 580 | 610 | 770 | 320 | 900 | 560 | 320 |
Таб.2.1.1 Исходные данные для i соответствующие графу алгоритма
Сможем вычислить трудоёмкость, подставив известные данные:
Рассмотренный способ определения трудоемкости алгоритмов является универсальным, позволяя получать оценки для алгоритмов с любой структурой.
Сетевой метод
Вторым подходом к решению задачи расчета трудоемкости алгоритмов является сетевой метод, который позволяет найти среднюю, минимальную и максимальную величину трудоемкости. Суть метода состоит в выделении путей на графе алгоритма, соответствующих минимальной, максимальной и средней трудоемкости последовательности операторов. Эти пути могут быть выделены только на графах, не содержащих циклов. Поэтому сначала из графа алгоритма исключаются циклы путем их замены операторами с эквивалентной трудоемкостью.
Для расчета алгоритма, не содержащего циклы, необходимо пронумеровать вершины графа в порядке их следования следующим образом: начальной вершине присваивается номер 0; очередной номер 
присваивается вершине, в которую входят дуги от уже пронумерованных вершин с номерами, меньшими 
. Конечная вершина графа будет иметь максимальный номер 
.
Определим среднее число повторений цикла 
, равное числу выполнений тела цикла при одном прогоне алгоритма. Если вероятность перехода по дуге, замыкающей цикл, равна 
, то 
, откуда
. (2.2.1)
Тогда средняя трудоемкость цикла:
(2.2.2)
В моём случае вычисления выглядят следующим образом:
Дата добавления: 2019-09-08; просмотров: 354; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!