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

делирующий алгоритм процесса функционирования си­ стемы, составленный на этапе аванпроектирования, уточ­ няется с учетом изменений в структуре системы и орга­ низации ее работы или составляется заново, если эти: изменения слишком значительны.

Работа по составлению эскизного проекта системы,, как, впрочем, и при составлении аванпроекта, техниче­ ского проекта, ведется в тесном взаимодействии двух коллективов — разработчиков алгоритмов решаемых за­ дач (алгоритмистов) и собственно проектировщиков ВС. Последние получают от первых информацию, которая, в частности, должна включать по каждой задаче следую­

времени для реализации алгоритма соответствующей за­ дачи; необходимую точность вычислений промежуточных и окончательных результатов; статистику распределения основных команд при реализации алгоритма на универ­ сальной ЦВМ определенного типа; наиболее употреби­ тельный перечень стандартных подпрограмм и средние данные по частоте обращения к ним; связность алгорит­ мов, оцениваемую объемом оперативной памяти, необ­ ходимой для хранения исходных данных, промежуточных и окончательных результатов; количество и разрядность констант; объем информации, выдаваемой на соответст­ вующие внешние устройства (ВЗУ, печатающие, перфо­ рирующие устройства) и в каналы связи внешним або­ нентам; условия допустимости прерывания реализации алгоритма и допустимые интервалы прерывания; тре­ буемые надежность и достоверность решения задачи за определенное время; объем информации, которую необ­ ходимо хранить длительное время.

Задачи технического проектирования ВС:

1)уточнение, детализация и дальнейшая проработка всех вопросов, которые решались на этапе эскизного про­ ектирования;

2)разработка принципиальных схем элементов, пред­ ставляющих собой новые конструкции;

3)полная конструктивная разработка системы;

4)изготовление рабочих чертежей.

270

Перед изготовлением опытного образца системы про­ водится детальное исследование принятого варианта ме­ тодом моделирования. Анализ результатов моделирова­ ния позволяет вскрыть слабые места проекта, оценить согласованность отдельных элементов. Такое исследова­ ние дает возможность внести окончательные корректи­ вы в проект, улучшить принятый вариант системы.

Основная задача этапа испытания опытного образца системы — это оценка соответствия фактических харак­ теристик разработанной ВС заданным проектным ха­ рактеристикам.

В результате испытаний системы выявляется: работо­ способность, надежность и помехозащищенность техни­ ческой части системы в заданных условиях эксплуата­ ции; фактическое значение показателей качества системы и, в частности, показателей ее эффективности; устойчи­ вость функционирования в аварийных режимах; поведе­ ние системы при реализации альтернативных путей ре­ шения задач; соответствие фактического потребления энергии и других материальных ресурсов заданным.

В ходе испытаний ВС выясняются необходимость и целесообразность проведения различных доработок и усовершенствований как технической части системы, так и ее математического обеспечения, что найдет отражение при создании головного образца системы или серийной партии.

6-3. ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ВС

Одной из задач, решаемых в ходе проектирования и создания ВС, является задача оптимизации параметров

что практически невозможно разрешить задачу оптими­ зации всех этих параметров. Речь может идти лишь о на­ хождении приемлемых значений некоторой части пара­ метров, принадлежащих множествам L c , L 3 , L y .

Увеличение числа оптимизируемых параметров может осуществляться либо за счет организации раздельной оптимизации подсистем ВС (т. е. за счет субоптимиза-

271

ции системы), либо путем поэтапной организации про­ цесса оптимизации. Кроме увеличения числа оптимизи­ руемых параметров, поэтапная организация процесса оптимизации может преследовать еще одну цель — полу­ чение информации для определения допустимых значений целевых и ограничивающих функций. Для этого выбран­ ные этапы оптимизации должны обладать свойством информативной преемственности: значения оптимизируе­ мых параметров, полученные на первом этапе, должны использоваться для определения допустимых значений целевых и ограничивающих функций на последующих этапах.

При выборе оптимизируемых параметров на каждом этапе необходимо иметь в виду следующее:

1) число оптимизируемых параметров должно быть ограниченным;

2) для оптимизации должны выбираться такие пара­ метры, изменение которых в наибольшей степени сказы­

руемыми.

Рассмотрим пример постановки и формализации за­ дачи оптимизации параметров ВС заданной структуры, для которой основным показателем, характеризующим качество функционирования, эффективность системы, является своевременность обслуживания требований раз­ личной приоритетности. Своевременность оценивается с помощью коэффициента задержки в обслуживании тре­

\(0, о

где т, (0, t) — среднее время, затрачиваемое на решение задачи по требованию и-го приоритета в интервале (0, t);

меньше это значение отличается от единицы, тем с мень­ шей задержкой осуществляется обслуживание требова­ ний л;-го приоритета.

272

Рассматриваемая вычислительная система является многомашинной, неоднородной, совмещенного типа, с централизованным управлением, с централизованным функциональным контролем. С точки зрения теории мас­ сового обслуживания это многоканальная, многофазная система массового обслуживания. Обслуживаемые пото­ ки требований по своей приоритетности разбиты на не­ сколько уровней. Система работает в режиме пакетной обработки.

На величину /<и оказывает влияние большое количе­ ство различных параметров, принадлежащих множест­ вам Le, L 3 , L y . К их числу относятся параметры, харак­ теризующие производительность и надежность системы и ее элементов, выбранный режим профилактического контроля, систему ЦФК (главным образом длительность одного цикла функционального контроля и его периодич­ ность), дисциплину обслуживания требований.

В рассматриваемой ВС возможна реализация одной из следующих дисциплин обслуживания требований раз­ личной приоритетности:

1)приоритетное обслуживание без прерывания: с по­ ступлением требования более высокого приоритета об­ служивание требований с более низким приоритетом, поскольку оно началось, завершается до конца, после чего обслуживается поступившее требование (здесь, естественно, речь идет о том, что с поступлением требо­ вания более высокого приоритета все машины системы заняты обслуживанием требований, среди которых есть требования с более низким приоритетом);

2)повторное приоритетное обслуживание: с поступ­ лением требования более высокого приоритета обслужи­ вание требований с более низким приоритетом преры­ вается, и они отправляются в начало очереди требований своего уровня, затем после обслуживания поступившего требования обслуживание этих требований начинается сначала;

3)возобновляемое приоритетное обслуживание: то же, что п. 2, но при повторном обслуживании требований •с более низким приоритетом оно начинается с того места соответствующей программы, где было прервано обслу­ живание.

В общем виде задача оптимизации параметров ВС формулируется следующим образом. Задан критерий оптимизации, или> целевая функция Кж, заданы парамет-

ры, определяющие состав и структуру системы. Необхо­

ными параметрами и в заданных условиях эксплуатации, была бы не ниже требуемой.

В результате решения этой задачи определяется, та­ ким образом, не экстремальное значение показателя Knt а такое его значение, которое отличается от заданного или допустимого на определенную величину.

Однако число параметров подмножеств L* c , L * a , L * y , существенно влияющих на величину /Сл , оказывается слишком большим для одноэтапного решения задачи оптимизации. Поэтому эту задачу целесообразно решать

внесколько этапов, например в два этапа:

1)оптимизация основных параметров ВС по крите­ рию эффективности;

2)оптимизация основных параметров ВС по крите­ рию работоспособности.

На первом этапе оптимизация осуществляется по кри­

с другими показателями он наиболее полно характери­ зует качество (своевременность) обслуживания требова­ ний, т. е. степень выполнения основной задачи системы.

При выборе ограничивающей функции (одной или не­ скольких) необходимо решить, за счет каких параметров системы или показателей, характеризующих качество ее функционирования, достигается минимальное (заданное) значение целевой функции Кк. Или: какие параметры и показатели качества системы являются ограничивающи­ ми факторами при минимизации целевой функции. От­ сюда следует, что ограничивающие функции, как и функ­

В качестве ограничивающих функций можно принять следующие:

1. Минимальное значение динамической пропускной способности для каждого потока требований гс-го прио­ ритета — З я м и н - Динамической пропускной способностью системы в интервале времени Ы называется отношение

2 7 4

среднего числа обслуженных в этом интервале требова­ ний к среднему числу поступивших требований. Сущность ограничения по этому показателю заключается в том, что при подсчете Кк принимаются во внимание только обслу­ женные требования. Поэтому заданного значения Кж можно достигнуть и в том случае, когда некоторые тре­

в обслуживании требований с приоритетом %), но про­

чение 8^. Поэтому, минимизируя целевую функцию К

8 , = 1 - 8 .

1я д

2.Номинальная производительность системы Па.

чей программы) на і-й машине с учетом всех потерь вре-

в процессе исследования эффективности ВС; 3) знание оптимальных (точнее, приемлемых) значений Тс и Тв.с облегчает выработку требований к параметрам надеж­ ности элементов системы и формирование допустимых значений целевой и ограничивающих функций на вто­ ром этапе оптимизации.

Таким образом, задача оптимизации параметров ВС по критерию Кт формулируется так: при заданных значе­

щие потоки требований с элементами множества L a , имела бы коэффициент задержки Кк в обслуживании тре­ бований it-го приоритета не больше допустимого Кж , т. е.

ЯЛД

ИЛИ

а для оптимизируемых параметров выполняются назна­ ченные (или найденные) по верхнему и нижнему уров­ ням ограничения.

На втором этапе оптимизации в качестве целевой функции естественно выбрать коэффициент готовности

276

системы Кг, поскольку он в наибольшей степени харак­

гается, в частности, за счет увеличения глубины, а сле­ довательно, и длительности профилактического контроля ее элементов (разумеется, до некоторого предела), так как это приводит к увеличению наработки на отказ эле­

Поэтому в качестве ограничивающей функции целе­ сообразно принять показатель Кв, тем более что он за­ висит в основном от тех же параметров, что и коэффи­

277

личения ТА, обусловленного увеличением глубины про­ филактического контроля;

2) с уменьшением ТвА уменьшается среднее время восстановления всей системы и, следовательно, увеличи­

нием 7ф.к , как правило, уменьшается среднее время вос­

стороны, это приводит к росту суммарных затрат време­ ни на проведение функционального контроля, что в свою

и, следовательно, увеличивается Кв- Однако это приво­ дит к уменьшению наработки на отказ элементов и си­ стемы в целом и, значит, к уменьшению Кг-

2. Оптимизация параметров ТА и ТвА автоматически обеспечивает получение приемлемых значений Тс и Тв.с, так как параметры надежности системы определяются главным образом параметрами надежности элементов типа А .

3. Эти параметры можно варьировать на различных этапах проектирования и эксплуатации ВС, причем па­

2 78

пах является задачей выпуклого программирования, по­ скольку целевые функции — это функции выпуклые или вогнутые. Характер изменения целевых функций при из­

оценки работоспособности и эффективности ВС. Для это­ го определяются значения целевой функции Q при изме­ нении одного из оптимизируемых параметров х, и фик­

случае, приемлемого решения при фиксированном числе

точности может оказаться пригодным для оптимизации параметров ВС на каждом из указанных этапов. Объяс­ няется это тем, что отыскивается, как уже отмечалось,

2 79