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

ной памяти, быстродействия, состава команд й т. д.), а также от структуры самой системы. Обычно кванто­ ванию подвергаются либо очень громоздкие алгоритмы (с точки зрения времени, затрачиваемого на их реализа­ цию на одной, пусть даже самой производительной, ма­ шине системы), либо алгоритмы, хотя и не очень гро­ моздкие, но по своему характеру, по своей приоритет­ ности требующие ограниченного времени на реализацию.

4. Оптимальное с точки зрения производительности системы распределение алгоритмов (программ) или их квантов между машинами ВС. В зависимости от степени территориальной разобщенности основных элементов си­ стемы, главным образом машин, эта проблема будет ре­ шаться так или иначе. В системах совмещенного типа она решается без учета потерь времени на обмен инфор­ мацией между машинами, поскольку эти потери прене­ брежимо малы по сравнению с временем реализации программ на машинах. В системах разобщенного типа время на передачу информации от одной машины к дру­ гой соизмеримо со временем решения задачи на маши­ не, поэтому потери времени на обмен информацией меж­ ду машинами должны учитываться при решении пробле­ мы оптимального распределения алгоритмов.

Можно выделить два аспекта в постановке и реше­ нии задачи оптимального распределения алгоритмов между машинами системы:

1)постановка и решение задачи распределения для статического случая. Постановка задачи: известны структура системы и все характеризующие ее парамет­ ры, задан набор решаемых задач, осуществлено кванто­ вание алгоритмов по каждой из этих задач; необходимо так распределить программы (кванты) задач между ма­ шинами, чтобы общее время на реализацию всего набо­ ра задач было минимальным. В такой постановке зада­ ча распределения алгоритмов, называемая также зада­ чей статического распределения алгоритмов, решается заранее, до того как возникнет необходимость в реали­ зации заданного набора алгоритмов;

2)постановка и решение задачи распределения для динамического случая, или динамическое распределение алгоритмов (программ). Постановка задачи: известны структура системы и все характеризующие ее парамет­ ры, известны условия эксплуатации ВС, заданы парамет­ ры потоков требований (в частности, интенсивность по-

10

токов и законы распределения времени поступления требований), составлены алгоритмы и программы ре­ шаемых задач и осуществлено их квантование; необхо­ димо в ходе решения задач, л о мере поступления требо­ ваний или запросов на реализацию алгоритмов так распределять программы (кванты программ) между ма­ шинами, чтобы время на их реализацию было минималь­ ным. В такой постановке задача распределения алго­ ритмов решается не заранее, а в динамике, в ходе реа­ лизации программ, соответствующих уже поступившим требованиям.

5.Разработка входных алгоритмических языков, удобных для абонентов, пользователей машинного вре­ мени и допускающих достаточно простое решение задач квантования алгоритмов и перекодирования их на ма­ шинные языки системы.-

6.Определение и оценка влияния параметров реа­ лизуемых алгоритмов на производительность и эффек­ тивность ВС. Преобразование этих алгоритмов к виду, при котором обеспечивается максимальная производи­ тельность ВС.

7.Определение оптимального уровня централизации управления ВС. По организации управления ВС возмож­

ны два крайних случая: полная централизация и пол­ ная децентрализация. В первом случае можно добиться высокого качества управления за счет возможности ре­ шения задачи управления с учетом информации, харак­ теризующей состояние всех элементов ВС в каждый данный момент. Однако высокая степень централизации влечет за собой необходимость в передаче значительных массивов информации от элементов системы к машинедиректору. Это неудобство особенно ощутимо проявляет­ ся в системах разобщенного типа. Во втором случае качество управления может снижаться за счет отсутст­ вия сведений о состоянии элементов системы. Поэтому более приемлемым может оказаться смешанный вариант, когда, наряду с центральным органом управления, вво­

При организации динамического распределения памяти вычислительной системы важным является вопрос об оптимальном соотношении аппаратурных и программных средств, реализующих те или иные способы распределе­ ния и защиты памяти.

11

9. Обеспечение требований надежности работы ВС, точности и достоверности результатов решения задач.

10. Построение системы функционального контроля

ВС.

11.Выбор оптимального режима профилактического обслуживания ВС.

12.Построение самоорганизующихся вычислительных систем, т. е. систем, способных на основании оценки воз­ действия возмущающих факторов внешней среды путем последовательного изменения своих свойств прийти к не­ которому устойчивому состоянию, когда результаты воз­ действия внешней среды окажутся в допустимых пре­ делах.

Развитию средств вычислительной техники в нашей стране придается серьезное значение. Из года в год рас­ ширяется парк электронных вычислительных машин, со­ вершенствуется техническая база ЦВМ — микроэлектро­ ника, создаются все новые и новые вычислительные цен­ тры и автоматизированные системы управления на основе ЦВМ и ВС. Широким фронтом ведутся работы по дальнейшему совершенствованию математического обес­ печения ЦВМ и ВС.

В директивах XXIV съезда КПСС по пятилетнему плану развития народного хозяйства СССР на 1971 — 1975 гг. поставлена задача увеличить за пятилетие вы­ пуск ЦВМ в 2,6 раза, освоить серийное производство но­ вого комплекса ЦВМ на базе интегральных схем. Особо важная роль отводится средствам вычислительной тех­ ники в решении задач совершенствования планирования народного хозяйства и управления. Поставлена задача «обеспечить широкое применение экономико-математиче­ ских методов, использование электронно-вычислительной и организационной техники и средств связи. Развернуть работы по созданию и внедрению автоматизированных систем планирования и управления отраслями, террито­ риальными организациями, объединениями, предприя­ тиями, имея в виду создать общегосударственную авто­ матизированную систему сбора и обработки информации для учета, планирования и управления народным хо­ зяйством на базе государственной сети вычислительных центров и единой автоматизированной сети связи стра­ ны . . . Широко внедрять автоматизированные системы управления технологическими процессами на предприя­

тиях».

12

Г Л А В А П Е Р В А Я

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

1-1. КЛАССИФИКАЦИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Существует достаточно большое количество различ­ ных признаков, по которым можно классифицировать ВС: по назначению, по числу ЭВМ или процессоров в систе­ ме, по типу машины ВС, по способу управления элемен­ тами системы, по основным режимам работы, по степени разобщенности машин ВС, по характеру структуры си­ стемы и т. д. На рис. 1-1 приведена классификационная диаграмма ВС.

По назначению вычислительные системы делятся на универсальные (УВС) и специализированные (СВС). Универсальные системы предназначены для решения широкого круга задач различного характера, перечень которых заранее (до создания системы) не ограничен. Специализированные системы служат для решения за­ ранее определенного круга задач. Специализация СВС может определяться не только характером решаемых за­ дач и ограниченностью их 'перечня, но и наличием в си­ стеме элементов специального назначения, например таких, как специализированные цифровые вычислитель­ ные машины (СЦВМ), устройства сопряжения с радио­ техническими станциями, являющимися источниками информации, устройства отображения результатов обра­

сируется ВС, многомашинные системы могут быть одно­ родными и неоднородными. Принадлежность той или иной системы к однородной или неоднородной в значи-

13

Рис. 1-1. Классификация вычислительных систем.

тельной степени определяется программной совместимо­ стью комплексирующих ее машин (процессоров).

Программной совместимостью машин называется возможность согласованной работы ВС при обмене про­ граммами между машинами.

Программная совместимость машин системы имеет большое значение, так как при ее наличии: 1) существен­

туаций, когда одна или несколько машин системы вышли из строя, при изменении интенсивности потоков заявок, обслуживаемых системой, и т. д.) заявок между маши­

служивающего персонала, особенно программистов.

Все это благоприятно сказывается на таких показа­ телях качества ВС, как время на решение заданного на­ бора задач (ЗНЗ), гибкость и надежность ВС, требуе­ мая квалификация обслуживающего персонала.

Степень программной совместимости машин тем вы­ ше, чем выше степень их сходства по таким парамет­ рам, как адресность, система команд, структура команд­ ных слов, структура информационных слов, емкость ЗУ для хранения программ.

Различают [Л. И] три уровня программной совмести­ мости машин: 1) уровень машинных команд; 2) уро­ вень интерпретирующих программ или уровень символи­ ческих команд; 3) уровень программирующих про­ грамм.

При первом уровне совместимости сходство машин по указанным выше параметрам должно быть наибольшим (по сравнению с другими уровнями). Особенно это ка­ сается адресности и структуры командных и информа­ ционных слов. По этим параметрам должна быть пол­ ная унификация. По системам команд машин унифика­ ция может быть частичной.

Основное преимущество первого уровня совместимо­ сти состоит в том, что на обмен программами между машинами затрачивается незначительное время, по­ скольку обмен не сопровождается интерпретацией или преобразованием программ.

15

Общие недостатки совместимости на уровне машин­ ных команд: 1) большие затраты времени на составле­ ние программ для обеспечения совместимости на этом уровне; 2) снижение эффективности каждой из сопря­ гаемых машин за счет неполного использования обору­ дования машины или невозможности использования некоторых специальных команд, имеющихся не у всех машин системы.

В связи с этим более желательным является второй уровень совместимости машины, когда обмениваемые программы составляются не в машинном коде, а в сим­ волической форме с использованием псевдокоманд. При совместимости на уровне символических команд обмен программами не сопровождается заметным снижением эффективности каждой из сопрягаемых машин. Зато появляется необходимость в интерпретации программ, составленных на символическом языке, на язык той ма­ шины системы, в которую они должны вводиться. На это уходит определенное время. Другой недостаток со­ стоит в необходимости выделения некоторого объема ЗУ для хранения интерпретирующих программ.

Наиболее высокая степень программной совместимо­ сти характерна для третьего уровня, когда обмен про­ граммами по существу заменяется обменом алгоритма­ ми. Алгоритмы записываются на одном из универсаль­ ных алгоритмических языков. Каждая машина системы снабжается своим транслятором (программирующей программой), с помощью которого осуществляется пре­ образование алгоритма, записанного на универсальном алгоритмическом языке, в программу, записанную на языке команд данной машины.

При совместимости машин на таком уровне унифи­ кация машин по тем или иным параметрам не обяза­ тельна. Но тем не менее она весьма желательна, по­ скольку при этом упрощается обмен программами.

Программная совместимость на уровне машинных команд используется, как правило, в системах, состав­ ленных из однотипных машин, например из машин типа «Минск-22» или из машин типа М-220 (однотипными на­ зываются такие вычислительные средства, в частности такие ЦВМ, которые одинаковы по конструкции и по всем техническим параметрам, включая быстродействие, систему команд, адресность). Это однородные системы. Второй и третий уровни программной совместимости мо-

16

I

Гут быть реализованы как в однородных, так и в неод­ нородных системах, укомплектованных разнотипными машинами.

Перечислим преимущества однородных ВС: 1) упро­ щаются вопросы обеспечения программной совместимо­ сти машин на любом уровне; 2) существенно облегчает­ ся решение всех вопросов, связанных с организацией технической эксплуатации ВС; 3) упрощаются и удешев­ ляются реконструкция, модернизация и, в случае необ­ ходимости, наращивание производительности ВС.

Для однородных ВС характерно, что не всегда их возможности по производительности могут использовать­ ся полностью. Эффективность их использования во мно­ гом определяется степенью загруженности машин, что в свою очередь зависит от плотности потоков задач, от требований по точности решения задач. Часто возникает необходимость иметь в системе машины различной про­ изводительности, т. е. создавать неоднородные ВС. В этом случае оптимальным решением является ком­ плектование ВС машинами, унифицированными по та­ ким параметрам, как система счисления, форма пред­ ставления чисел, система команд, адресность, разряд­ ность чисел и команд, структура машинных слов (ин­ формационных и командных), система элементов, но отличающихся друг от друга по быстродействию и емко­ сти ЗУ. Такие машины называются унифицированными. Они составляют семейство, или ряд вычислительных ма­ шин.

По степени территориальной разобщенности основных элементов системы разделяются на два типа. К перво­ му типу (системы совмещенного типа) относятся систе­ мы, в которых время передачи информации от одной машины системы к другой мало по сравнению с време­ нем на решение задачи на одной из машин. Передача информации по линиям связи между машинами осущест­ вляется, как правило, в параллельном коде.

Ко второму типу (системы разобщенного типа) отно­ сятся системы, у которых время передачи информации по каналам связи соизмеримо со временем решения за­ дач машинами системы и должно учитываться при иссле­ довании процесса функционирования ВС. Передача ин­ формации между машинами обычно производится в по­ следовательном коде. Такое положение возникает при

2—1514

объединении в единую систему машин, находящихся на достаточном удалении друг от друга.

структурой системы понимается состав системы и схема функциональных и управляющих связей между ее эле­ ментами. Две машины системы называются функцио­ нально связанными, если от одной из них к другой воз­ можна передача функциональной информации (про­ грамм решения задач, исходных и промежуточных данных решаемых задач). Если передача функциональ­ ной информации осуществляется только в одну сторону, то ВС называются ориентированными по функциональ­ ным связям, если в обе стороны — неориентированными. Могут быть и частично ориентированные системы, в ко­ торых присутствуют как ориентированные, так и неори­

ВС как единой системы. Если связи по управлению все­ гда ориентированы в одну сторону, система называется направленной, в противном случае — ненаправленной.

Каналы связи для передачи этих двух видов инфор­ мации (функциональной и управляющей) могут быть как совмещенными, так и раздельными.

Система относится к типу ВС с постоянной структу­ рой, если в процессе ее функционирования состав функ­ циональных и управляющих связей и их ориентация остаются неизменными. В противном случае система на­ зывается ВС с переменной структурой.

По степени централизации управления ВС разделя­ ются на централизованные, децентрализованные и си­ стемы со смешанным управлением.

В централизованных ВС осуществлена полная цен­ трализация управления элементами системы, т. е. все функции управления сосредоточены в одном элементе, в качестве которого используется обычно машина-дирек­ тор (машина-диспетчер). Машина-директор координиру­ ет загрузку машин системы и их взаимодействие в про­ цессе решения задач, при этом достигается высокий ко­ эффициент использования машин. В многомашинных однородных ВС с централизованным управлением, как

18

правило, функции машины-директора может выполнять любая машина, т. е. в этом смысле ЦВМ системы явля­ ются взаимозаменяемыми, что повышает надежность ВС (в противном случае при отказе машиныдиректора вся система выходит из строя).

В децентрализованных системах функции управления распределены между главными и периферийными цен­ трами (элементами). В этом случае структура средств управления обычно является иерархической, причем мо­ жет быть несколько уровней управления. Например, при двух уровнях управления система разбивается на груп­ пы взаимодействующих элементов с локальным управ­ лением в пределах каждой группы (это первый уровень управления), на втором уровне управления с помощью некоторого управляющего элемента обеспечивается вза­ имодействие выделенных групп элементов системы.

В ВС со смешанным управлением в некоторой про­ порции реализованы принципы централизованного и де­ централизованного управления.

Централизованные ВС называются также одноуров­ невыми, а децентрализованные системы с иерархической структурой средств управления — многоуровневыми.

нием функций. Более распространенным является приме­ нение принципа плавающего закрепления вычислитель­ ных функций за отдельными машинами. Жесткое за­ крепление, хотя и позволяет использовать для хранения программ надежно работающие постоянные ЗУ, приво­

ций за вычислительными средствами строятся редко, они могут быть только специализированными.

По формам обслуживания мультипрограммные вычи­ слительные системы разделяются на две группы: 1) си­

(пользователи, абоненты), как правило, не имеют непо­ средственного доступа к машинам системы. Заранее