Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет Микроанализ производительности вычислительных машин

Методические указания

к выполнению учебно-исследовательской лабораторной работы

по дисциплине

Вычислительные машины, системы и сети

для студентов всех форм обучения

специальности 210100

Одобрено

редакционно-издательским советом

Саратовского государственного

технического университета

Саратов 2010

Цель работы:

1. изучить принципы анализа производительности вычислительных машин;

2. изучить методы и средства измерений и оценки функционирования;

3. произвести оценку производительности вычислительной машины на модельной задаче.

Определения

Система обработки данных (СОД) – совокупность технических средств и программного обеспечения, предназначенная для информационного обслуживания пользователей и технических объектов. В состав технических средств входит оборудование для ввода, хранения, преобразования и вывода данных, в том числе ЭВМ, устройства сопряжения ЭВМ с объектами, аппаратура передачи данных, и линии связь.

Программное обеспечение (ПО) – совокупность программ, реализующих возложенные на систему функции. Функции СОД состоят в выполнении требуемых актов обработки данных: ввода, хранения, преобразования и вывода. Примерами СОД являются вычислительные системы для решения научных, инженерно-технических, планово-экономических и учетно-статистических задач, автоматизированные системы управления предприятиями и отраслями народного хозяйства, системы автоматизированного и автоматического управления технологическим оборудованием и техническими объектами, информационно-измерительные системы и др.

Основа СОД – это технические средства, так как их производительностью и надежностью в наибольшей степени определяется эффективность СОД.

СОД, настроенная на решение задач, конкретной области применения, называется вычислительной системой (ВС). Вычислительная система включает в себя технические средства и программное обеспечение, ориентированные на решение определенной совокупности задач.

Вычислительная система может строиться на основе ЭВМ или вычислительного комплекса общего применения и ориентация системы обеспечивается за счет программных средств – прикладных программ и, возможно, операционной системы.

Ориентация на заданный класс задач достигается за счет использования специализированных ЭВМ и вычислительных комплексов. В этом случае удается при умеренных затратах оборудования добиться высокой эффективности применения ВС. Специализированные вычислительные системы (СВС) наиболее широко используются при решении задач векторной и матричной, алгебры, а также связанных с интегрированием дифференциальных уравнений, обработкой изображений, распознаванием образов, управлением в реальном масштабе времени и т. д.

Эффективность определяет степень соответствия ВС своему назначению. Она измеряется либо количеством затрат, необходимых для получения определенного результат, либо результатом, полученным при определенных затратах.

Критерий эффективности – это правило, служащее для сравнительной оценки качества вариантом ВС. Строятся критерии эффективности на основе частных показателей эффективности (показателей качества).

Пример критериев эффективности приведен в табл. 1.

Пример критериев эффективности ВС Таблица 1.

№ п.п	Критерий	Размерность	Область применения
1	Стоимость единицы производительности	Относительная стоимость / MIPS	ВС общего применения
2	Масса единицы производительности	г/MIPS	Бортовые ВС
3	Мощность и масса единицы производительности	Вт*г/MIPS	Переносные (мобильные) ВС

* MIPS – миллион инструкций в секунду.

Наиболее часто на начальном этапе сравнения ВС в качестве критерия эффективности выступает производительность, оценка которой может быть получена с использованием аналитических, имитационных или экспериментальных методов.

Аналитические методы. Аналитические методы исследования вычислительных систем сводятся к построению математических моделей, которые представляют физические свойства как математические объекты и отношения между ними, выражаемые посредством математических операций.

Аналитические методы и модели раскрывают фундаментальные свойства вычислительных систем и составляют ядро теории вычислительных систем.

Аналитические модели, базируясь на допущениях о свойствах объектов, применимы для исследования только тех систем, в отношении которых справедливы принятые допущения. Многие системы из-за специфики своей организации недоступны для исследования аналитическими методами.

Имитационные методы. Имитационные методы основаны на представлении порядка функционирования системы в виде алгоритма, который называется имитационной (алгоритмической) моделью. Программа содержит процедуры, регистрирующие состояния имитационной модели и обрабатывающие зарегистрированные данные для оценки требуемых характеристик процессов и моделируемой системы.

Экспериментальные методы. Экспериментальные методы основываются на получении данных о функционировании вычислительных систем в реальных или специально созданных условиях с целью оценки качества функционирования и выявления зависимостей, характеризующих свойства систем и их составляющих. Типичные задачи, решаемые экспериментальными методами,– оценка производительности и надежности системы, определение состава и количественных показателей системной нагрузки в зависимости от прикладной нагрузки и т. д.

Экспериментальные исследования выполняются в следующем порядке:

1. Формулируется цель исследования.

2. Выбирается или разрабатывается методика исследования, которая устанавливает модель исследуемого объекта; способ и средства измерения; способ и средства обработки измерительных данных, а также интерпретации результатов измерений и обработок.

3. Проводятся измерения процесса функционирования объекта в реальных или специально создаваемых условиях.

4. Измерительные данные обрабатываются и соответствующим образом интерпретируются.

Во многих случаях экспериментальные методы являются единственным источником информации о функционировании и свойствах вычислительных систем.

Например, количественная оценка параметров рабочей нагрузки систем общего назначения производятся в основном экспериментальными методами.

Особенно велико значение экспериментального метода при решении задач эксплуатации, так как совершенствование конфигурации и режима функционирования систем немыслимо без использования измерительных данных, представляющих конкретные условия работы системы.

Недостатки экспериментальных методов – большие затраты труда и времени на проведение экспериментальных исследований, а также частный характер получаемых результатов, распространение которых на системы с другой конфигурацией и режимом функционирования требует достаточно сложной работы.