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

ваемой машины через блок обращений. Рассматривае­ мый блок, как и другие, имеет схемы и цепи управле­ ния, а также отдельный регистр для фиксации номера абонируемой машины комплекса.

Блок регистров прерываний, расширяя возможности системы прерываний и приоритетов обслуживаемой дан­

ваний и два регистра масок. Первый регистр прерыва­ ний служит для фиксации сигналов прерываний от 16 источников, причем все его выходы на схему анализа

24-разрядным и имеет один общий выход на схему ана­ лиза. Регистры масок имеют ту же разрядность, что и регистры прерываний. Все регистры рассматриваемого блока программно доступны, т. е. по соответствующим командам можно изменить их содержимое и считывать зафиксированные в них коды. Кроме регистров в состав блока входит схема формирования сигналов прерыва­ ний от других ЦВМ, подключенных к магистралям об­

команда о прерывании. Практически она осуществляет дешифрирование номера ЦВМ(и) и формирование сиг­ нала, по которому соответствующий триггер регистра прерываний перебрасывается в единичное состояние.

Передача слов между ЦВМ комплекса контроли­ руется за счет использования контрольных кодов; такой же контроль обеспечивается и при работе с каналами сопряжения. При возникновении ошибок передач выра­ батываются сигналы, которые фиксируются в регист­ рах блока учета ошибок. Кроме сигналов ошибок пере­ дач в этих регистрах фиксируются сигналы об искаже­ нии номера ЦВМ (а) и о непоступлении ответа на запрос об абонировании другой ЦВМ комплекса. Реги­ стры блока имеют выход на систему прерываний и при­ оритетов. Они являются программно доступными, что позволяет в случае необходимости исключить возмож­ ность использования обслуживаемой ЦВМ в качестве абонента другими машинами комплекса.

Блок команд обеспечивает управление каналами сопряжения и подключенными к ним устройствами при

200

блоке и подаются на одну группу входов схемы форми­

тогда, когда обеспечивается совпадение одного из за­ фиксированных номеров с номером устройства, содер­ жащимся в поступившей команде. Очевидно, что посту­ пающий номер абонируемого устройства подается на вторую группу входов схемы формирования сигнала обращения. Код операции поступающей команды де­ шифрируется непосредственно в блоке команд; здесь

рования, разделяются на три группы. К первой группе относятся команды пословного обмена, которые всегда выполняются после реализации команды «Подключение

ские операции, когда второй операнд выбирается из опе­ ративной памяти машины-абонента. Реализуются также посылочные операции типа «АУ ЦВМ (и)—йЭЗУ ЦВМ (а)» и «ОЗУ ЦВМ (а)—>АУ ЦВМ (и)». При вы­ полнении арифметических и посылочных операций в ос­

машинное слово. К командам пословного обмена отно­ сится еще команда «Выдача сигнала прерывания». По этой команде через магистрали обмена в ЦВМ (а) вы­ даются сигнал о прерывании и номер ЦВМ (и). Эта информация воспринимается блоком регистров преры­ ваний УКМ абонируемой машины, и в соответствующем разряде первого РгПр этого блока фиксируется еди­ ница.

Вторую группу составляют команды группового об­ мена, которые определяют начало группового обмена,

201

налами сопряжения. В реализации этих команд участ­ вуют, главным образом, блоки связи, обращений, обмена команд устройства комплексирования. По команде «На­

обмена и производится обращение в оперативную па­ мять ЦВМ (и) для считывания управляющего слова. Управляющее слово содержит код номера абонируемой ЦВМ, начальный и конечный адреса оперативной памя­ ти инициатора обмена, начальный адрес оперативной па­ мяти абонента и признак записи. Коды адресов фикси­

Если управляющее слово в разряде признака записи содержит единицу, то заданный массив слов переписы­ вается из оперативной памяти ЦВМ (и) в оперативную память ЦВМ (а). Первое слово выбирается из ОЗУ ини­

содержимое счетчиков адресов, расположенных в блоке обмена, увеличивается на единицу. В УКМ абонента при­ нятое слово через блок обращений направляется в задан­ ную ячейку оперативной памяти обслуживаемой машины. Далее через устройства комплексирования инициатора и абонента пересылается второе слово и т. д. При груп­ повом обмене схема сравнения адресов блока обмена в каждом цикле осуществляет сравнение текущего ад­ реса инициатора с заданным конечным адресом. Сов­ падение этих адресов свидетельствует о завершении передачи заданного массива слов и вызывает формиро­ вание соответствующих управляющих сигналов. Если управляющее слово в разряде признака записи содер­ жит нуль, то операция группового обмена выполняется в обратном порядке, т. е. массив слов, длина которого определяется начальным и конечным адресами инициа­

202

на. Прерывание осуществляется на время выполнения

программным путем. Абсолютное прерывание выполне­ ния команды группового обмена, т. е. прерывание без завершения этой команды, осуществляется по команде «Конец группового обмена». Реализация такого преры­ вания обеспечивается отключением УКМ от магистра­ ли обмена и очисткой регистров и счетчиков блока об­ мена. Групповой обмен между оперативной памятью ЦВМ и устройствами, подключенными к УКМ посред­

Третью группу команд, выполняемых устройством комплексирования, составляют служебные команды, по которым осуществляются подключение и отключение магистрали обмена, опрос и сброс программно доступ­ ных регистров блоков УКМ, а также занесение в них заданных кодов, разрешение и запрет записи в опера­ тивную память обслуживаемой ЦВМ, разрешение и запрет прерываний. К служебным командам относятся еще команды управления устройствами, подключенны­ ми к УКМ посредством каналов сопряжения; эти коман­ ды реализуются схемами блока команд.

В рассматриваемую группу входит команда «Опрос состояния устройства», по которой осуществляются пре­ рывание выполнения других команд, формирование сло­ ва состояния устройства комплексирования и запись его в фиксированные ячейки оперативной памяти обслужи­ ваемой ЦВМ. В слово состояния включаются коды но­ меров ЦВМ (и) и ЦВМ (а) на данный момент времени, содержимое счетчиков и регистра адресов блока обме­ на, содержимое регистров ошибок, информация о раз­ решении или запрете записи. Слово состояния необхо­

дополнительных внешних устройств и частично обслу­ живаемой ЦВМ. Кроме того, они определяют отноше-

203

ние данной ЦВМ к другим машинам комплекса, вклю­ чая возможность использования ее в качестве машиныабонента. Следует отметить, что выполнение любой слу­ жебной команды, как и команд пословного и группово­ го обмена, всегда прерывается при фиксации в блоке учета ошибок сигналов ошибок. Этим обеспечивается исключение неправильных передач информации и дейст­ вий, приводящих к нарушению режимов нормального функционирования многомашинного комплекса.

Г Л А В А П Я Т А Я

ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

5-1. ЗАДАЧИ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ВС

На каждом из этапов создания ВС возникает ряд вопросов, решение которых может быть получено только в результате достаточно глубокого исследования систем.

Различают два основных класса задач исследования вычислительных систем:

1)задачи анализа, связанные с оценкой качества функционирования системы с известными параметрами, характеризующими систему и ее элементы, условия эксплуатации, потоки заявок на решение задач, с изуче­ нием свойств и поведения системы в зависимости от ее структуры и значений параметров;

2)задачи синтеза, сводящиеся, как правило, к опре­ делению таких значений параметров системы и основных

ееэлементов, при которых показатели качества функцио­ нирования системы, обслуживающей заданные потоки заявок в определенных условиях эксплуатации, были бы не хуже требуемых.

На практике при модернизации ВС, при проектирова­ нии новых ВС и определении оптимальных режимов их работы задачи анализа часто сводятся к оценке возмож­ ных вариантов системы, отличающихся по структуре, значениям параметров, режимам работы и т. д. Оценка этих вариантов осуществляется путем определения и сравнения значений показателей, характеризующих ос­ новные свойства системы. При выборе подходящего ва­ рианта системы необходимо обращать внимание не толь­ ко на оптимальность значений показателей, но и на их

204

стабильность при изменении параметров системы в опре­ деленных пределах.

Задачи анализа ВС могут формулироваться в более частной постановке, преследуя цель проведения исследо­ вания отдельных сторон процесса функционирования си­ стемы. Отметим некоторые из этих задач.

1.Оценка различных вариантов структуры системы, проводимая с достаточно глубоким анализом влияния случайных факторов на динамику функционирования ее оборудования.

2.Согласование различных элементов системы по про­ изводительности. Для этого оценивается производитель­ ность элементов ВС и проводятся расчеты по выбору параметров элементов, обеспечивающих требуемую про­ изводительность.

3.Определение оптимальных режимов работы систе­ мы при заданных условиях эксплуатации и известных па­ раметрах потоков заявок на обслуживание. Оптималь­ ный режим устанавливается по максимальному (мини­ мальному) значению показателей, характеризующих ос­ новные свойства системы и вычисленных для различных режимов ее работы.

4.Оценка оптимальной централизации управления ВС. Решение этой задачи можно получить, анализируя результаты моделирования системы при различной сте­ пени централизации управления.

5.Определение оптимальной дисциплины обслужива­ ния требований (заявок на решение задач) с учетом их приоритетности. Эта задача решается путем определения времени обслуживания требований различной приоритет­ ности (или времени ожидания обслуживания) и сравне­ ния этого времени для рассматриваемых дисциплин об­ служивания.

6.Оценка целесообразности различных технических усовершенствований системы. При решении этой задачи зачастую приходится устанавливать, какой ценой достиг­ нуто повышение качества системы (повышение ее произ­ водительности, увеличение пропускной способности, по­

вышение надежности, помехозащищенности, готовности и т. д), обусловленное реализацией предлагаемых усо­ вершенствований.

7. Оценка относительного выигрыша в эффективности системы от применения различных вариантов приоритет­ ного обслуживания требований по сравнению с бесприо-

205

ритетным обслуживанием, если оно допустимо. Для си­ стем с потерями, обусловленными ожиданием в очереди, этот выигрыш можно оценить по величине уменьшения необходимой производительности ВС при введении при­ оритетной дисциплины обслуживания требований по сравнению с бесприоритетным обслуживанием (обслужи­ вание в порядке поступления).

8. Оценка эффективности систем диспетчеризации, проводимая с учетом затрат на их реализацию, выра­ жаемых в сопоставимых единицах (время счета, количе­ ство ячеек памяти для хранения программ).

Для решения перечисленных и других задач оценки качества функционирования вычислительных систем ши­ роко используется математическое моделирование, пред­ ставляющее собой метод исследования различных про­ цессов, имеющих различное физическое содержание, но описываемых с помощью одних и тех же математических соотношений.

При изучении любого процесса методом математиче­ ского моделирования прежде всего строится его мате­ матическое описание, или математическая модель. Ма­ тематическая модель является результатом формализа­ ции исследуемого процесса, т. е. построения четкого фор­ мального (математического) описания процесса с необ­ ходимой степенью приближения к действительности. Сложность и многообразие процессов функционирования реальных систем не позволяют строить для них строго адекватные математические модели. Модели являются аналогами реальных систем только в части основных характеристик и свойств, отражающих важнейшие прин­ ципиальные особенности моделируемых систем.

Учитывая, что процесс функционирования любой си­ стемы можно рассматривать как последовательную сме­ ну ее состояний в некотором интервале времени, для математической модели применимо следующее определе­ ние: это совокупность соотношений, определяющих ха­ рактеристики состояний системы (а через них и выход­ ные сигналы, в частности значения величин, по которым оценивается качество функционирования системы) в за­ висимости от значения параметров системы, входных сигналов, начальных условий и времени. Лишь в редких случаях, при исследовании сравнительно простых систем эти соотношения удается выразить в виде явных функ-

206

Ций от параметров системы, входных сигналов, началь­ ных условий и времени.

Существуют следующие основные способы использо­ вания математической модели [Л.З].

1.Аналитическое исследование процессов. При этом математическая модель представляется в виде такой системы уравнений относительно искомых величин, кото­ рая допускает получение нужного результата аналитиче­ скими методами. Аналитические методы исследования сложных систем и, в частности, вычислительных систем всегда связаны с большей по сравнению с другими ме­ тодами степенью абстрагирования и упрощения реально­ сти. Они могут быть использованы (однако далеко не всегда) для первоначальной и асимптотической оценки характеристик всей системы или отдельных ее подсистем. Если первоначальную математическую модель не удает­ ся преобразовать в подходящую систему уравнений (что, как правило, случается при исследовании ВС), а упро­ щения задачи приводят к недопустимо грубым результа­ там, применяются другие методы исследований.

2.Иссследование процессов с помощью численных

методов. Здесь математическая модель преобразуется в систему уравнений, допускающую эффективное реше­ ние численными методами. Следует отметить, что, во-пер­ вых, такое преобразование оказывается далеко не всегда возможным и, во-вторых, если оно и возможно, то, как правило, весьма сложно и громоздко. Результатами ис­ следований процессов численными методами являются, таблицы значений искомых величин для конечного на­ бора значений параметров системы, начальных условий и времени. Следовательно, эти результаты менее полны по сравнению с теми, которые получаются при использо­ вании аналитических методов.

При использовании численных методов широко при­ меняются ЭВМ.

3. Моделирование процессов на аналоговых вычисли­ тельных машинах (АВМ), или аппаратурное моделиро­ вание. В этом случае математическая модель не обяза­ тельно должна преобразовываться в систему уравнений относительно искомых величин. С помощью АВМ воспро­ изводятся явления, описываемые математической мо­ делью. Хотя АВМ обладают известной универсальностью, они строятся для решения определенных классов задач. Моделирование процессов функционирования ВС на

2 07

ABM оказывается практически недоступным или нецеле^ сообразным из-за недостаточной точности получаемых результатов, из-за непроизводительной затраты сил и средств на создание специальных моделирующих уста­ новок, из-за невозможности преобразования математиче­ ской модели исследуемого процесса к виду, необходимо­ му для моделирования на АВМ.

4. Моделирование процессов на ЦВМ. Это основной метод исследования ВС, называемый также методом статистического моделирования, поскольку при его ис­ пользовании имитируется поведение и взаимодействие элементов системы с учетом случайных возмущающих факторов. Имитация случайных факторов выполняется при помощи случайных чисел, вырабатываемых в ЦВМ в ходе моделирования.

Можно дать следующее определение метода статисти­ ческого моделирования: это метод исследования слож­ ных динамических процессов путем многократных реали­ заций на ЦВМ статистической модели изучаемого про­ цесса и обработки большого объема вырабатываемой статистической информации, которая по своему харак­ теру близка к информации, получаемой в ходе натурных испытаний. Под статистической моделью понимается со­ вокупность соотношений (математических, логических), в наиболее полной форме воспроизводящих картину ре­ альных процессов, имеющих место в рассматриваемых системах при некоторых значениях случайных возмущаю­ щих факторов.

При использовании метода статистического модели­ рования математическая модель исследуемого процесса преобразуется в так называемый моделирующий алго­

каждый из которых изображает определенную группу элементарных действий. Запись MA в виде операторной схемы производится без учета системы команд и особен­ ностей ЦВМ, на которой будет реализован алгоритм. Учет этих особенностей осуществляется при составлении программы решения задачи на данной ЦВМ.

Основное преимущество метода статистического мо­ делирования заключается в возможности решения весь­ ма сложных задач, в возможности исследования процес­ сов в очень сложных системах, подверженных влиянию многочисленных случайных факторов. Основной недоста-

208

ток метода состоит в том, что для получения результатов исследования системы с необходимой точностью прихо­ дится многократно моделировать процесс ее функциони­ рования.

При исследовании ВС плодотворным может оказаться сочетание аналитического метода и метода статистиче­ ского моделирования. В этом случае аналитический ме­ тод используется для прикидочной оценки системы или анализа отдельных ее подсистем, а метод статистическо­ го моделирования — для окончательного, полного анали­ за всей системы.

5-2. АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ВС

Аналитические методы исследования качества функ­ ционирования (эффективности, производительности, на­ дежности и т. д.) сложных систем вообще, вычислитель­ ных систем в частности, базируются, как правило, на об­ щей теории случайных процессов, причем предполагает­ ся обычно, что рассматриваемые процессы хорошо ап­ проксимируются марковскими случайными процессами.

В этом отношении характерным является метод оцен­ ки эффективности функционирования сложных систем кратковременного действия, предложенный в работе [Л. 29]. Под системами кратковременного действия пони­ маются такие системы, которые выполняют свои функ­ ции практически мгновенно, т. е. время решения некото­ рой задачи ничтожно мало по сравнению со средним временем долговечности системы. Для таких систем ка­ чество функционирования целиком определяется состоя­ нием в момент решения задачи.

Эффективность функционирования системы кратко­ временного действия определяется как математическое ожидание показателя эффективности, вычисляемое по формуле