книги из ГПНТБ / Дроздов Е.А. Основы построения и функционирования вычислительных систем

основные функции ПУ: ввод или вывод информации с использованием различных носителей информации, пре­ образование физических сигналов в цифровой код и об­ ратно (для этого используются лентопротяжные меха­ низмы, печатающие устройства, клавиатура пишущих машин, аналого-цифровые преобразователи и т. д.). Под устройством управления ПУ понимается электронное ло­ гическое устройство., выполняющее специфические для данного типа периферийных аппаратов функции управ­ ления путем выработки управляющих и синхронизирую­ щих сигналов. В конструктивном отношении устройство

а точнее по инициативе абонента, т. е. пользователя, ра­ ботающего за пультом управления периферийного устройства. В первом случае от аппаратуры канала вво­ да-вывода по соответствующим шинам сопряжения пере­ дается код вызываемого ПУ. Все ПУ, подключенные к каналу, сравнивают этот код с присвоенными им но­ мерами, и то устройство, в котором обнаружено совпа­ дение номеров, логически подсоединяется к каналу, го­ товится к восприятию информации.

В случае, когда связь с каналом осуществляется по инициативе абонента, последний на своем пульте наби­ рает код, представляющий собой сигнал запроса на об­ служивание, который посылается в канал. После получе­ ния от канала подтверждения о приеме запроса (о го­ товности системы к обслуживанию) абонент на пульте набирает свой пароль (номер ПУ), обеспечивающий до­ ступ к личному архиву, хранящемуся в ЗУ системы. В личном архиве хранятся составленные абонентом про­ граммы, данные по частично решенным задачам и т. д. Каждый абонент имеет свой архив, защищенный от вме­ шательства со стороны других абонентов. Для органи­ зации совместной работы нескольких абонентов преду-

120

сматривается возможность обмена информацией между

Управляющая информация от абонента содержит ука­ зание о начале действия и требуемой форме обслужива­ ния. Программная информация состоит из строк про­ грамм, исходных данных и результатов. Вводимые в ЦВМ программы записываются на языках программи­ рования, принятых в данной СРВ. Повышение эффектив­ ности использования системы достигается реализацией мер, направленных на упрощение процесса отладки про­ грамм. Для СРВ создаются специальные трансляторы, допускающие построчную трансляцию программы и ее отладку по частям (в отличие от трансляторов, приме­ няемых для обычного режима использования ЦВМ, ког­ да перевод программы с алгоритмического языка на ма­ шинный язык производится за несколько просмотров полностью введенной программы, что создает известные неудобства при непосредственном контакте между або­ нентом и машиной). При построчной трансляции обеспе­ чивается возможность оперативного обнаружения и ис­ правления ошибок в программе. Отлаженная программа посылается в архив абонента.

По каждому требованию на обслуживание абонент получает от системы сообщение о выполнении требова­ ния или указание о представлении системе необходимой информации.

При обслуживании абонента системой могут выпол­ няться следующие операции: прием информации от або­ нента, трансляция программы, реализация программы (собственно решение задачи, счет), передача информа­ ции абоненту. Прием информации обеспечивается сред­ ствами мультиплексного (селекторного) канала, при этом информация записывается в заранее определенную область ЗУ. Планирующая программа супервизора включает абонент в список обслуживания и передает управление программе операционной системы, обеспе­ чивающей расшифровку принятой информации и опре­ деление требуемого вида обслуживания. Тем самым

121

устанавливается последующее действие, которое будет выполняться в подканале, связанном с абонентом.

Для одновременной работы нескольких ПУ и процес­ сора необходимо, чтобы команда управления периферий­ ным устройством только запускала его в работу, после чего процессор должен освобождаться для продолжения реализуемой программы. Процессор посылает новые команды пуска ПУ, не дожидаясь окончания работы ра­ нее запущенных устройств. После пуска ПУ функциони­

В заключение отметим особенности и преимущества систем с разделением времени по сравнению с вычисли­ тельными системами с пакетной обработкой.

1. Возможность коллективного использования ЦВМ (процессоров). Многие абоненты имеют возможность не­ зависимо друг от друга непорредственно и оперативно контактировать с ЦВМ. Наличие достаточно простой и стандартной периферийной аппаратуры, применение в СРВ довольно простых алгоритмических языков суще­ ственно облегчают общение с машиной и способствуют расширению круга абонентов. Вопрос обеспечения або­

программистами), в результате чего усложняется про­ цесс обмена информацией между ними и ЦВМ и, как следствие этого, уменьшается эффективность использо­ вания ЦВМ.

2.Большая универсальность, гибкость и надежность. Вообще в сложных вычислительных системах, какими являются СРВ, универсальность и гибкость достигнуть довольно трудно. Эти качества, кроме того, нелегко под­ держивать на определенном уровне при непрерывно из­ меняющихся требованиях большого числа абонентов.

3.Наличие большой централизованной памяти про­ грамм и данных. Необходимость в такой памяти объяс­ няется тем, что непосредственно на периферийном устройстве запомнить весь требуемый абоненту массив информации не представляется возможным. В централи­ зованной памяти хранятся личные архивы многих або-

122

центов. Предусматривается возможность обмена инфор­ мацией между архивами, что создает дополнительные преимущества абонентам. •

4. Вычислительные мощности обходятся дешевле и используются более эффективно по мере роста скорости обработки информации, емкости централизованной па­ мяти и расширения набора периферийных устройств.

3-2. ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СРВ

Качество функционирования системы с разделением времени может оцениваться с помощью тех же показа­ телей, которые в § 1-2 были указаны применительно к вычислительным системам вообще. Однако целесооб­ разно использовать и другие показатели, которые в боль­ шей мере отражают специфику СРВ, степень удовлетво­ рения поставленных требований по обслуживанию або­ нентов.

В ВС с пакетной обработкой улучшение качества об­ служивания абонентов непосредственно не предусматри­ вается. Главное для режима пакетной обработки — обес­ печение максимальной производительности ВС или мини­ мального времени на решение заданного пакета задач. Это достигается путем рационального распределения программ или их частей (квантов) между машинами си­ стемы путем установления таких правил перехода от одной программы к другой в данной машине, при кото­ рых обеспечивается наиболее широкое использование совмещений в работе отдельных устройств ЦВМ, а зна­ чит, и повышение коэффициента загрузки этих устройств. Следовательно, решение главной задачи в системах с па­ кетной обработкой производится путем оптимизации ис­ пользования оборудования. Естественным показателем качества функционирования таких систем является время на реализацию заданного набора задач.

В СРВ на первый план выдвигаются вопросы, свя­ занные с обеспечением удобств абонентов в процессе их взаимодействия с системой. Эти удобства определяются наличием общедоступных и простых в использовании языков программирования, качеством операционной си­ стемы, наличием достаточно простого командного языка для связи абонентов с СРВ посредством операционной системы, организацией длительного хранения информа­ ционных массивов (в частности, программ) абонентов,

123

возможностью совместного использования одновременно работающими абонентами библиотеки стандартных про­ грамм, хранящихся в ЗУ.системы, возможностью полу­ чения результатов решения задачи в приемлемые сроки.

Количественно оценить показатели, определяющие степень удобства тех или иных систем программирова­ ния, операционных систем, систем хранения информа­ ционных массивов, либо довольно трудно, либо вообще невозможно. Поэтому качество функционирования СРВ чаще всего оценивается с помощью времени реакции си­ стемы.

Время реакции системы (тр ) —это интервал времени, измеряемый от момента поступления запроса на обслу­ живание абонента до начала работы соответствующей

чения результатов решения задачи абонента или ответа на запрос.

Величины Тр и То являются случайными, зависящими, с одной стороны, от параметров системы и ее элементов (производительности процессоров, емкости запоминаю­ щих устройств, скорости передачи информации между ООП и вторичной памятью на магнитных барабанах, ди­ сках, лентах, картах и т. п.) и, с другой стороны, от числа активных абонентов, трудоемкости их реализуемых программ и выбранного алгоритма определения порядка обслуживания абонентов.

Укажем [Л. 15] еще несколько показателей, характе­ ризующих технические возможности и работу мульти­ плексного канала СРВ.

Нагрузочная способность мультиплексного канала ("м.к)—это максимальное количество периферийных устройств, которые могут функционировать одновремен­ но без снижения номинальной скорости их работы.

Нагрузочная способность канала должна удовлетво­ рять условию

Л1 . к

(3-1)

124

в передаче очередного сообщения от і-го ПУ (для упро­ щения расчетов это время принимается постоянным л равным времени выполнения самой длинной команды процессора в каналах с косвенным доступом или време­ ни обращения к ООП системы в каналах с прямым до­ ступом).

интервал времени без учета совпадения требований от нескольких ПУ внутри этого интервала.

Коэффициент работоспособности программ Ка пока­ зывает, какая доля машинного времени может быть ис­ пользована процессором СРВ для выполнения программ абонентов при одновременной работе определенного ко­ личества периферийных устройств. Если, например, Ка — = 0,7, то это означает, что при одновременном обслужи­ вании данного числа ПУ без потери информации 70% машинного времени используется для полезной работы

125

Кп остается неизменной и равной /Сп.миш поскольку цен­

изведение нагрузочной способности канала на коэффи­

Приравнивая нулю второй сомножитель уравнения (3-9) (первый сомножитель не равен нулю, так как для Тз учитываются только конечные и положительные зна­ чения), получаем условия оптимальности канала:

порядка обслуживания абонентов в СРВ.

126

3-3. ПОРЯДОК ОБСЛУЖИВАНИЯ АБОНЕНТОВ В СРВ

Вычислительные системы вообще и системы с разде­ лением времени, в частности, обычно используются для обслуживания различных групп абонентов, причем неко­ торым из них может предоставляться определенное пре­ имущество при установлении очередности обслуживания одновременно поступающих требований. Это достигается введением системы приоритетов. Наивысший приоритет присваивается тем задачам (и соответствующим абонен­ там), которые должны решаться в первую очередь.

При установлении дисциплины (очередности, распи­ сания, порядка) обслуживания запросов абонентов необ­ ходимо удовлетворить ряд требований, некоторые из ко­ торых являются противоречивыми: 1) способность об­ служивать срочные запросы (требования) и выполнять соответствующие программы абонентов в кратчайшее время, однако на основе заранее установленной приори­ тетности; 2) способность обслуживать требования низ­ шего приоритета в приемлемые для абонентов сроки (во всяком случае в такие сроки, которые бы не дали по­ вода абонентам отказаться от услуг системы); 3) стрем­ ление наиболее полно загрузить центральные вычисли­ тельные средства полезной работой, т. е. выполнением программ абонентов. От того, какая принята дисциплина обслуживания требований абонентов, зависит частота пе­ реключения центрального процессора от выполнения одной программы к другой, а значит и суммарная поте­ ря времени на эти переключения; 4) стремление умень­ шить среднее время реакции системы и среднее число требований, ожидающих обслуживания; 5) обеспечение относительной простоты реализации выбранного алгорит­ ма определения очередности обслуживания абонентов.

Первые два требования являются взаимно противоре­ чивыми, так как предоставление льготных условий сроч­ ным запросам осуществляется за счет запросов с более низким приоритетом. И, наоборот, стремление уменьшить среднее время обслуживания запросов с низким приори­ тетом неизбежно связано (при прочих равных условиях) с необходимостью сокращения перечня запросов, отно­ сящихся к категории срочных, имеющих высшие при­ оритеты. Противоречивыми являются также требования минимизации среднего времени реакции системы и сред­ него числа абонентов, ожидающих в очереди, с одной

127

стороны, и требование учета степени важности и сроч­ ности исполнения отдельных программ, с другой.

В связи с этим при разработке алгоритма определе­ ния порядка обслуживания абонентов (иначе называе­

Разработка оптимального алгоритма диспетчеризации является сложной задачей исследования операций, тре­ бующей для своего решения привлечения методов мате­ матической статистики, теории очередей, а также учета ряда соображений инженерного характера. Оценка ка­

за ожидание результатов вычислений.

временем обслуживания Т0І- Задача определения опти­ мального алгоритма диспетчеризации при обслуживании ЦІ требований заключается в установлении такого распи­ сания G обслуживания, при котором достигается экстре­ мальное значение некоторой функции штрафа F, ставя­ щей в соответствие каждому расписанию G определен­ ное число F ( G ) . Иначе говоря, задача состоит в опре­ делении такого расписания G, реализация которого при­ водит к минимизации F ( G ) , причем [Л. 26]

гз

(3-12)

где ti3— момент завершения обслуживания г-го требо­ вания; Si — функция штрафа за ожидание результатов выполнения программы по і-у требованию.

Если ограничиться случаем, когда функции s* линей­ ны, т. е. Si = Ci(tia—Un), где с\ — некоторая константа, то

чала составления расписания G и моментом завершения обслуживания і-го требования,

128

В этом случае с целью минимизации функции штра­ фа обслуживание поступивших требований должно осу­ ществляться в очередности, определяемой порядком воз­

сти ожидания обслуживания равны, очередность обслу­ живания устанавливается в порядке возрастания т0 ;. При этом обеспечивается максимум интенсивности по­ тока обслуженных требований.

Разумеется, при определении стратегии обслужива­ ния правило т/с может быть использовано, если известны величины Тог- Однако в практике эксплуатации СРВ точ­ ные данные о времени обслуживания запросов абонен­ тов зачастую отсутствуют, поэтому применяются и дру­ гие стратегии обслуживания, отличающиеся от той, ко­ торая обусловлена правилом т/с.

В используемых в настоящее время СРВ нашли при­ менение круговое (циклическое) и приоритетное виды обслуживания.

Круговое обслуживание представляет собой простей­ шую стратегию обслуживания поступивших требований. При круговом обслуживании предполагается, что для всех абонентов стоимость ожидания результатов выпол­ нения их программ одинакова. Каждый абонент по оче­ реди получает одинаковый квант времени. Если за время одного кванта программа і-го абонента не выполняется, производится ее прерывание и переход к выполнению программы очередного абонента. При этом программа £-го абонента устанавливается в конец очереди. Форми­ рование очереди обычно осуществляется в порядке по­

лее высокую организацию обслуживания абонентов, учи­ тывающую в большей степени их потребности.

Можно выделить следующие разновидности приори­ тетного обслуживания:

1. Приоритетное обслуживание по принципу «чем ко­ роче программа, тем выше ее приоритет». Очередность обслуживания устанавливается в порядке возрастания