Практичне заняття №2 Розробка моделі системи оперативної обробки

Мета роботи: вивчення основних етапів побудови мережевої моделі системи оперативної обробки інформації, оволодіння практичними навичками розрахунку мінімальної конфігурації системи.

Короткі теоретичні зведення.

При оперативній обробці інформації ставиться мета зменшити середній час рішення задачі. Якщо заявка що надійшла, негайно приймається до виконання, то обчислювальна система функціонує в режимі оперативної обробки. Такі обчислювальні системи отримали спеціальну назву - системи оперативної обробки (СОО). Процес рішення задачі Z_i представляється довільною послідовністю етапів рахунку (обробки в процесорі) і звертання до файлів F₁,...,F_N (обміну інформацією між зовнішньою і оперативною пам'яттю системи).

Передбачається, що досліджувана СОО призначена для вирішення заданого набору завдань {Z_i} (i=1,2,..,M). Де М - число завдань, покладених на систему з метою реалізації певних функцій. Кожне завдання Z_i характеризується інтенсивністю потоку запитів на її i процесорних операцій, трудомісткістю  рішення, трудомісткістю операцій обміну з зовнішньою пам'яттю, яка задається середнім числом звернень N_ij до файлу F_j в процесі виконання завдання Z_i. Множина файлів {F_j} (j=1,2, .., N), де N - кількість файлів, що використовуються в процесі вирішення безлічі завдань {Z_i} розміщується у зовнішній пам'яті системи, що складається з накопичувачів двох типів НЖМД і НМОД. Обмін інформацією між оперативною і зовнішньою пам'яттю системи проводиться на рівні записів, що представляють структурно неподільну одиницю інформації при обміні. Файл F_j (j=1,2,..,N) характеризується довжиною файлу G_j, середньою довжиною запису g_j.

Накопичувачі, використовувані в складі зовнішньої пам'яті СОО, характеризуються такими технічними параметрами як середній час доступу до даних, розміщених в НЖМД - U_мд і в НМОД - U_мод, швидкість передачі даних при обміні через канал передачі даних - V_мд і V_мод для НЖМД і НМОД відповідно, ємність накопичувача - G_мд і G_мод.

Приклад виконання роботи.

Визначити параметри мінімальної конфігурації системи. Дослідження проводяться на мережевих моделях СОО з однорідним потоком заявок. Етап звернення до файлів розглядається як послідовність двох фаз: підготовчої та передачі інформації.

Розглянемо наступні умови:

Завдання, які вирішуються системою й інтенсивності їх надходження:
1		2		3		4		5
Z1	1	Z2	2	Z3	3	Z4	4	Z5	5
7	2,0	14	1,8	10	0,5	19	0,5	1	2,0

Параметри завдань:

№ задачі	Трудомісткість процесорних операцій i	Середня кількість звернень до файлів Nij
		F1	F2	F3	F4	F5	F6	F7	F8	F9	F10
1	100	10	5	-	-	-	-	2	1	-	-
7	700	10	-	-	5	-	-	1	-	2	-
10	1000	-	15	-	-	22	10	3	-	4	-
14	400	5	-	15	7	-	-	2	-	3	-
19	900	-	40	-	15	-	-	4	-	-	2

Параметри файлів:

Файли	DF1	DF2	DF3	DF4	DF5	DF6	DF7	DF8	DF9	DF10
Довжина файлу, Мбайт (Gi)	1	2	2	3	3	4	5	6	8	9
Середня довжина запису, Кбайт (gi)	5	8	15	6	14	18	10	15	20	25

Параметри накопичувачів:

Тип	Найменування накопичувача	Ємність, Мбайт	Швидкість передачі даних (VН), Кбайт/сек	Середній час доступу (UН), сек
НЖМД	IBM UltraStar XP Wide/Fast SCSI-2	4200	6900	0,0136
НМОД	Fujitsu MEOD 130-MMac/PC	128	1100	0,0383

У моделі відображаються тільки ті пристрої СОО, які мають найбільш істотний вплив на процес розв'язання задач користувачів в сенсі затримки отримання відповіді в часі. Кожен з пристроїв бере участь у реалізації певного етапу в процесі виконання завдання.

Будь-який пристрій СОО представляється в моделі одноканальною СМО. Дисципліна обслуговування заявок у будь-який СМО передбачається найпростішою безпріорітетною чергою FIFO (обслуговування в порядку надходження). Одноканальна СМО характеризується інтенсивністю вхідного потоку _i і середнім часом U-обслуговування заявок.

Першим етапом побудови мережевої моделі системи оперативної обробки є усереднення параметрів завдань з множини завдань {Z_i}, покладених на систему, з метою приведення неоднорідного потоку заявок до однорідного. Параметри, одержувані в результаті усереднення, описують, так звані, середні завдання. Приведення неоднорідного потоку заявок до однорідного має проводитися таким чином, щоб однорідний потік запитів на рішення середньої завдання створював в середньому таке ж навантаження на систему, як неоднорідний потік запитів на вирішення множини завдань {Z_i}. Внаслідок цього параметри середньої задачі визначаються за допомогою усереднення параметрів множини завдань {Z_i}, розв'язуваних системою, по інтенсивностям їх надходження _i (i=1,2,..,M), де М – кількість вхідних потоків заявок.

Параметри середньої задачі визначаються наступним чином:

1. Інтенсивність потоку запитів на рішення середньої завдання:

=₁+₂+ ₃ +₄+ ₅ = 2+1,8+0,5+0,5+2 = 6,8

2. С ередня трудомісткість процесорних операцій при вирішенні середньої задачі:

3. С ереднє число звернень до файлу F_j:

D1	D2	D3	D4	D5	D6	D7	D8	D9	D10
	5,51	3,97	4,43	1,62	0,74	1,93	0,29	1,68	0,15

4. С умарне число звернень до файлів в процесі вирішення середньої задачі:

D = 7,2 + 5,51 + 3,97 + 4,43 + 1,62 + 0,74 + 1,93 + 0,29 + 1,68 + 0,15 = 27,52

5. І мовірність використання файлу Fj:

P1	Р2	Р3	Р4	Р5	Р6	Р7	Р8	Р9	Р10
7,2 / 27,52 = 0,261	0,2	0,144	0,16	0,06	0,03	0,07	0,01	0,06	0,005

6. Середня трудомісткість етапу розрахунку:

де (D+1) – середня кількість етапів розрахунку, що приходяться на одну задачу.

₀=480,9/28,52=16,86

Другим етапом побудови є етап, на якому визначається можливість розміщення файлів у накопичувачі зовнішньої пам'яті. Цей етап побудови моделі СОО складається в кількісної оцінки можливості розміщення кожного файлу з множини {F_j} в накопичувачах різного типу, що входять до складу зовнішньої пам'яті досліджуваної системи.

Внаслідок того, що до різних файлів виробляється різне число звернень при вирішенні завдань, природно припустити, що файли, порівняно рідко використовуються в процесі вирішення завдань, можуть розташовуватися як в НМОД, так і в НЖМД, в той час як файли, частота звернень до яких велика, повинні розташовуватися в НЖМД як пристроях зовнішньої пам'яті з мінімальним часом доступу.

Умова існування стаціонарного режиму в накопичувачі за умови розміщення в ньому файлу F_j має вигляд:

де _j – інтенсивність потоку запитів до файлу,

    _j – середній час доступу до файлу.

Інтенсивність _j потоку запитів до файлу F_j можна представити у вигляді:

_j=D_j

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
6,8×7,2 = 48,96	37,47	27	30,1	11,02	5,03	13,1	1,98	11,42	1,02

З урахуванням цього можна отримати обмеження на середній час доступу до файлів:

Величина _j являє собою максимально допустимий час доступу до файлу F_j. У зв'язку з цим файл F_j може розміщуватися в накопичувачі, що забезпечує час доступу до інформації менше _j. Таким чином, порівнюючи значення _j (j=1,2,...,N) зі значеннями U_мд і U_мод, можна оцінити можливість розміщення файлу F_j або тільки в НЖМД, або НМОД чи НЖМД. При U_мд_j файл може бути повністю розміщений в НЖМД.

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
0,0204	0,0267	0,370	0,033	0,089	0,199	0,763	0,505	0,876	0,98

Таким чином, тільки в НЖМД можуть розміщуватися файли F₁, F₂, F₃, F₄ і F₆, інші можуть розміщуватися як в НМОД, так і в НЖМД.

Третім етапом побудови мережевої моделі СОО є етап визначення параметрів мінімальної конфігурації СОО. Визначення проводиться з урахуванням існування стаціонарного режиму в кожній СМО мережі. Остання умова визначає існування стаціонарного режиму у всій мережі в цілому. Для одноканальної СМО S_i умова існування стаціонарного режиму має вигляд:

де _i - інтенсивність потоку заявок в СМО S_i;  

_i - середній час обслуговування заявок у СМО S_i.

Інтенсивність _i потоку заявок до будь-якої СМО S_i, лінійної стохастичної мережі пов'язана з інтенсивністю джерела заявок  співвідношенням:

_i = _i ,

де _i - коефіцієнт передачі СМО S_i.

Використання фізичного сенсу коефіцієнта передачі, як середнього числа проходжень заявки з джерела через СМО S_i від моменту її надходження в мережу до моменту виходу з мережі, дозволяє істотно спростити процедуру визначення величин _i.

Визначення мінімальної швидкодії процесора зводиться до наступного. Число запитів на етап рахунку в процесі розв'язання однієї задачі дорівнює (D +1). Внаслідок цього значення (D +1) можна розглядати як коефіцієнт передачі СМО, що відображає процесор.

Таким чином, інтенсивність потоку заявок до процесора:

_пр =  (D+1)

_пр = 6,8 х 28,52 = 193,94

Середній час обслуговування заявки в процесорі (середня тривалість етапу розрахунку):

де V_пр - швидкодія процесора.

З урахуванням цих співвідношень умова існування стаціонарного режиму в СМО, що відображає в мережевій моделі СОО процесор, приймає вигляд:

Таким чином, мінімальна швидкодія процесора, що забезпечує існування стаціонарного режиму:

V_прмін=

V_прмін= 6,8 х 480,9 = 3271.

При визначенні кількості накопичувачів зовнішньої пам'яті (НМОД та жорстких дисків) слід виходити з умови існування стаціонарного режиму, так і з умови можливості розміщення файлів по накопичувачів за обсягом.

Умова існування стаціонарного режиму в багатоканальної СМО або в сукупності одноканальних СМО, що відображають в моделі НЖМД системи, має вигляд:

Вхідна в цей вираз інтенсивність потоку заявок до системи НЖМД дорівнює:

_МД=DP_МД,

д е P_МД - ймовірність звернення до файлів при операції обміну з файлами. Значення P_МД визначається шляхом підсумовування ймовірностей P_j звернення до файлів, розміщених в НЖМД:

Р_МД = 0,261 + 0,2 +0,144 + 0, 16 + 0,03 = 0,795

З використанням співвідношення для _МД, умова існування стаціонарного режиму для НЖМД приводиться до вигляду:

звідки можна знайти обмеження знизу на кількість НЖМД системи:

m_МД > DP_МДU_МД

Для нашого випадку m_МД > 27,52 х 0,795 х 6,8 х 0,0136,

m_МД > 2.

Крім того, необхідність розміщення в НЖМД всіх файлів вимагає виконання умови, при якому ємність НЖМД, що використовуються в системі, не менше сумарної довжини файлів, тобто

де G_i - довжина стрічкового файлу, Gмд - ємність одного НЖМД, в даних умовах m_мд  (1 + 2 + 2 + 3 + 4)/4200,

m_мд  0,003.

Т аким чином, виходячи з обох обмежень, мінімальна кількість НЖМД системи визначається виразом:

К ількість НМОД мінімальної конфігурації визначається аналогічно:

Інтенсивність _кпд дорівнює сумі інтенсивностей потоків заявок до НМОД і НЖМД: _кпд = _{мод +} _мд = D = 6,8×27,52 = 187,148.

П ри визначенні середнього часу передачі через КПД враховується різна швидкість передачі даних для НМОД та жорсткі диски. Для цього визначається середня довжина запису для магнітооптичних і дискових файлів відповідно. Величини g_мод і g_мд визначаються усередненням довжин записів по магнитооптичним і дисковим файлам з урахуванням ймовірностей P_j їх використання при вирішенні середньої завдання,тобто:

gмод = (0,06х14 + 0,07х10 + 0,01х15 + 0,06х20 + 0,005х25)/0,205 = 14,7;

gмд = (0,261х5 + 0,2х8 + 0,144х15 +0,16х6 + 0,03х18)/0,795 = 8,26.

Т оді з урахуванням ймовірностей звертання до файлів у процесі обміну інформацією між зовнішньою і оперативною пам'яттю СОО середній час передачі даних через КПД:

Цей вираз може бути приведений до вигляду:

Uкпд = (0,06 х14 + 0,07 х10 + 0,01 х15 + 0,06 х20 + 0,005 х25) / 1100 + + (0,261 х5 + 0,2 х8 + 0,144 х15 + 0,16 х6 + 0,03 х18) / 6900 = 0,00369.

Кількість КПД в СОО повинно задовольняти умові:

m_кпд>DU_кпд

тобто для мінімальної конфігурації:

m_кпдмин = [DU_кпд]

m_кпдмин = [6,8 x 27,52 x 0,00369] = [0,69] = 1.

Таким чином, при мінімальній конфігурації повинно бути 3 накопичувача на жорстких магнітних дисках, 2 накопичувача на магнітооптичних дисках і один канал передачі даних.

Практична частина

5. Вивчити методичні вказівки й одержати завдання.

6. У відповідність з варіантом визначити параметри середньої задачі, визначити можливість розміщення файлів на ЗЗП (external storage).

7. Визначити параметри мінімальної конфігурації системи.

8. Оформити і захистити звіт про практичну роботу.

Контрольні питання

1. Назвіть основні етапи побудови мережевої моделі системи оперативної обробки інформації.

2. Чим характеризується одноканальна СМО?

3. Що таке СОО? Яким чином в моделі представляється пристрій СОО?

4. Якими технічними параметрами характеризуються накопичувачі, використовувані в складі зовнішньої пам'яті СОО?

Варіанти індивідуальних завдань.

Завдання, які вирішуються системою й інтенсивності їх надходження:

Варіант	1		2		3		4		5
	Z1	1	Z2	2	Z3	3	Z4	4	Z5	5
1	5	1,0	17	2,8	6	0,5	19	0,8	1	2,0
2
3
4
5
6
7
8
9
10