Пензенская государственная технологическая академия
Исследование характеристик функционирования многопроцессорных систем с общей шиной
Методические указания к лабораторным работам по дисциплине
«Высокопроизводительные вычислительные системы»
г. Пенза, 2008г.
Введение
Целью лабораторных работ является определение состава многопроцессорной системы (МПВС), функционирующей в режиме оперативной обработки и исследования ее характеристик на математических моделях с использованием аппарата теории разомкнутых стохастических сетей массового обслуживания. Исследования проводятся на сетевых моделях с однородным потоком заявок, что требует определения параметров «средней» задачи. Затем исходя из условий существования стационарного режима в системе, определяется возможность размещения файлов в накопителях внешней памяти и рассчитываются параметры минимальной конфигурации системы. Последующие исследования связаны с анализом зависимостей характеристик функционирования МПВС от структурных параметров многопроцессорной системы, параметров решаемых задач и способов размещения файлов по накопителям во внешней памяти системы.
В лабораторной работе по заданной архитектуре МПВС разрабатывается ее аналитическая модель, граф вычислительного процесса, исследуются характеристики функционирования, по результатам которых строятся графики зависимостей этих характеристик от параметров системы.
Исходными данными являются параметры задач, параметры файлов и параметры архитектуры МПВС. Предполагается, что исследуемая многопользовательская МПВС функционирует в режиме запрос-ответ, и предназначена для решения заданного набора задач Zi = (i=1, M, где М - число задач, решаемых системой).
Каждая задача Zi характеризуется интенсивностью потока запросов на ее решениеi, трудоемкостью θi процессорных операций, а также трудоёмкостью операций обмена с внешней памятью, которая задается средним числом обращений Nij к файлу Fj в процессе решения задачи Zi. Обобщенная модель такой системы представлена на рис. 1, где T1….Tp - терминалы пользователей; Fj (j=1,N) - файлы, размещенные в ВЗУ , N - число файлов, используемых в процессе решения множества задач.
Рис.1
Обмен информацией между оперативной памятью системы и внешней памятью производится на уровне сегментов, представляющих собой структурно неделимую единицу информации при обмене. Файл Fj характеризуется длиной файла Gj и средней длиной записи gi.
В качестве структурных параметров выступают способ организации оперативной памяти, внешних запоминающих устройств, топологии коммутационной сети, а также тип используемой операционной системы. Структурные параметры представляются через технические параметры устройств, входящих в состав МПВС:
внешних запоминающих устройств, характеризующихся средним временем доступа к данным τВЗУ, скоростью передачи данных VВЗУ и емкостью GВЗУ;
процессоров, характеризующихся средним быстродействием Vцп;
контроллеров ввода - вывода, характеризующихся скоростью передачи данных Vквв.
Обобщенная структурная схема МПВС представлена на рис.2, где ЦП -процессоры; ЛП - локальная память; ОП - общая память; КВВ – контроллеры ввода- вывода; НМД – накопители на магнитных дисках.
Рис.2
Предполагается, что программы и данные решаемых задач хранятся во внешней памяти системы и вызываются на решение пользователями с помощью терминалов T1….Tp, которые взаимодействуют с вычислительной системой через адаптер ввода – вывода. В качестве адаптера может выступать либо многопортовый контроллер, если доступ к МПВС производится по месту её установки, либо адаптер локальной сети или модем при удаленном доступе. При построении стохастических моделей МПВС (см. раздел 2.2) терминалы с адаптером В/В представляются источником и поглотителем заявок.
Считается, что система функционирует в режиме оперативной обработки (диалоговом режиме), причем в каждом вычислительном узле действует мультипрограммный режим. Режим квантования не используется. Текущая задача (процесс), выполняется процессорным узлом до тех пор, пока не поступит прерывание от ВЗУ (сегментное прерывание).
Решаемые задачи поступают на обслуживание в процессорный блок циклически и назначаются либо динамически (ДН), либо статически (СН). При динамическом назначении поступившая на обработку задача помещается в любой свободный вычислительный узел (процессор), а при статическом - в закрепленный за задачей вычислительный узел (ВУ). Моделью процессорного блока с динамическим назначением задач является многоканальная система массового обслуживания (СМО) с числом каналов равным числу процессоров n. Модель процессорного блока со статическим назначением задач представляется совокупностью n одноканальных СМО.
Дисковый массив (RAID) уровня 0 предназначен для повышения производительности дисковой подсистемы компьютера. В основе RAID 0 лежит расслоение данных. Записи распределены по всем дискам массива по циклической схеме. Преимущество такого распределения в том, что если требуется записать или прочитать логически последовательные записи, то несколько таких записей могут обрабатываться параллельно, за счет чего существенно снижается общее время ввода/вывода. В RAID 4 возможно использование техники независимого доступа, когда каждый диск массива в состоянии функционировать независимо, так, что отдельные запросы на ввод/вывод от процессорных узлов- могут удовлетворяться параллельно. Моделью RAID 0 является многоканальная система массового обслуживания (СМО) с числом каналов равным числу дисков m. Модель RAID 4 представляется совокупностью m одноканальных СМО.
Контроллеры ввода – вывода являются либо разделяемыми для всех дисковых накопителей, либо закрепленными за отдельными дисками. В первом случае моделирование канала В/В производится многоканальной СМО с числом каналов k, во втором случае – совокупностью из k одноканальных СМО.
Исходные данные
Исходные данные к проекту даны в таблицах 1 … 5.
Интенсивности поступления задач
Таблица 1
-
№ варианта
Задачи, решаемые системой, и интенсивности их поступления
1
2
3
4
5
№ задачи
Интенсивность
№ задачи
Интенсивность
№ задачи
Интенсивность
№ задачи
Интенсивность
№ задачи
Интенсивность
1
1
10
20
2
4
1
16
1
10
1
2
2
9
19
3
5
2
15
1
12
1
3
3
8
18
4
6
1
14
2
11
1
4
4
7
17
5
7
1
13
1
9
2
5
5
6
16
6
8
2
12
2
19
1
6
6
5
15
7
9
2
20
2
2
2
7
7
4
14
8
10
1
19
1
1
4
8
8
3
13
9
1
3
18
1
10
2
9
9
2
12
10
2
5
17
1
6
1
10
10
1
11
11
3
4
16
2
9
1
11
11
10
10
2
14
2
15
2
8
3
12
12
9
9
3
15
6
13
1
4
1
13
13
8
8
4
16
3
12
3
3
2
14
14
7
7
5
17
2
11
4
2
2
15
15
6
6
6
18
3
10
1
1
4
16
16
5
5
7
19
2
9
1
12
5
17
17
4
4
8
20
1
8
3
11
5
18
18
3
3
9
11
3
7
3
13
3
19
19
2
2
10
12
5
6
2
15
3
20
20
1
1
11
13
5
5
3
9
2
21
1
10
20
2
14
6
10
1
8
3
22
2
9
19
3
15
5
9
2
7
4
23
3
8
18
4
16
3
8
1
11
7
24
4
7
17
5
10
2
7
3
13
6
25
5
6
16
6
11
4
6
4
3
4
26
6
5
15
7
12
8
5
2
2
2
27
7
4
14
8
13
4
4
5
18
3
28
8
3
13
9
14
6
3
6
19
1
29
9
2
12
10
15
5
2
6
20
2
30
10
1
11
11
16
7
1
3
5
3
Параметры задач
Таблица 2
-
Номер задачи
Трудоемкость процессорных операций, млн. операций
Среднее число обращений к файлам Nij
F1
F2
F3
F4
F5
F6
F7
F8
F9
F10
1
100
10
5
-
-
-
-
2
1
-
-
2
200
-
8
5
3
-
-
-
-
3
-
3
300
-
-
10
-
5
-
-
-
-
2
4
400
12
4
-
-
-
3
-
2
-
-
5
500
-
15
8
-
6
-
4
-
-
-
6
600
8
-
8
-
-
7
-
-
3
1
7
700
10
-
-
5
-
-
1
-
2
-
8
800
-
12
6
-
8
-
-
2
-
2
9
900
10
5
-
9
-
-
-
-
-
3
10
1000
-
15
-
-
-
10
3
-
4
-
11
100
12
-
8
10
-
-
-
2
2
1
12
200
15
10
-
-
8
-
1
-
1
-
13
300
-
20
5
-
-
8
-
4
-
-
14
400
5
-
15
7
-
-
2
-
3
-
15
500
-
10
20
-
-
10
-
4
-
3
16
600
-
15
25
6
4
-
3
-
2
-
17
700
30
10
-
8
-
10
-
-
-
5
18
800
20
-
25
-
12
-
-
-
4
1
19
900
-
40
-
15
-
-
4
-
-
2
20
1000
50
-
20
-
10
5
-
8
-
-
Структурные параметры
№ вари-анта |
Организация ВЗУ(RAID-массива)
|
Организация каналов В/В
|
Способ назначения задач
|
Время выполнения операции в процессоре (нс) |
1 |
RAID 0 |
РК |
ДН |
0,60 |
2 |
RAID 4 |
ОК |
ДН |
0,45 |
3 |
RAID 4 |
РК |
ДН |
0,50 |
4 |
RAID 0 |
ОК |
ДН |
0,70 |
5 |
RAID 0 |
РК |
ДН |
0,55 |
6 |
RAID 4 |
ОК |
ДН |
0,80 |
7 |
RAID 0 |
РК |
ДН |
0,75 |
8 |
RAID 4 |
ОК |
ДН |
0,65 |
9 |
RAID 4 |
РК |
ДН |
0,4 |
10 |
RAID 0 |
ОК |
ДН |
0,35 |
Параметры накопителей внешней памяти
Таблица 4
-
Номер варианта
Среднее время доступа к данным
мс
Скорость передачи данных
Мб/с
Объем выделенной внешней памяти Гб
НМДI
НМДII
НМДI
НМДII
НМДI
НМДII
1
5
20
100
28
4,0
10
2
6
22
95
26
5,0
12
3
7
24
90
24
5,5
15
4
8
26
85
22
6,0
20
5
9
28
80
20
6,5
22
6
10
28
75
18
7,0
25
7
11
26
70
16
7,5
30
8
12
24
65
14
8,0
25
9
13
22
60
12
8,5
22
10
14
20
55
10
9,0
20
Параметры файлов
Таблица 5
-
Файлы
Длина файлаGi, Гб
Средняя длина
сегмента gi, Мб
F1
0,5
0,1
F2
1,0
0,16
F3
1,0
0,3
F4
1,5
0,12
F5
1,5
0,28
F6
2,0
0,36
F7
2,5
0,2
F8
3,0
0,3
F9
4,0
0,4
F10
5,0
0,5