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

Эта задача решается путем использования различных помехоустойчивых кодов. На передающем пункте из передаваемых слов формируются так называемые сооб­ щения, или кодограммы, состоящие из информацион­ ных, контрольных и служебных символов. Число кон­

повышения верности передаваемой информации. На при­ емном пункте с помощью соответствующих технических средств, в частности декодирующих устройств, осущест­ вляется декодирование сообщений: проверка их верно­ сти (обнаружение и исправление или только обнаруже­ ние ошибок в сообщениях), выделение информационных символов и формирование из них слов. Естественно, что применение помехоустойчивых кодов с целью повыше­ ния верности информации, передаваемой от одной ма­ шины системы к другой, сопряжено с существенным увеличением времени на ее передачу.

в промежутках между поступлениями информации про­ изводить ее обработку. Известно, что в зависимости от сложности алгоритма переработки информации на каж­ дое поступающее слово приходится от нескольких десят­ ков до нескольких сот и даже тысяч машинных операций. Конечно, не все время между поступлением разря­ дов слов может быть полностью использовано для обра­ ботки информации. Часть времени затрачивается на формирование слов из этих разрядов. Собственно обра­ ботка информации начинается только после формирова­ ния слов, чисел и целых сообщений. Кроме того, доволь­ но значительные потери времени могут иметь место для обеспечения согласования работы ЦВМ и нескольких линий связи с различной загрузкой и различной про­ пускной способностью, а также при повторной передаче информации по линиям связи в тех случаях, когда это необходимо для обеспечения требуемой верности при­ нимаемой информации.

Решение всех вопросов по обеспечению совместной работы ЦВМ ВС и линий связи может быть возложено

80

как на аппаратуру системы передачи информации

функции могут выполняться, например, только вычисли­ тельными машинами. Однако в этом случае на выпол­ нение функций обмена затрачивается очень много машинного времени и емкости запоминающих устройств, поэтому может случиться, что производительности ЦВМ будет недостаточно для выполнения основной работы по обработке информации. Выполнение функций обмена

Примером ЦВМ, специализированной для обмена информацией, является машина ІВМ-7741 (США). Эта машина выполняет следующие функции: преобразова­ ние сигналов, поступающих из линий связи, в сигналы, необходимые для работы машины, и наоборот; устране­ ние искажений сигналов; проверку и коррекцию прини­ маемой информации; выделение из принимаемых сооб­

ние последовательного кода информации в параллель­ ный и обратно; преобразование кодов принимаемых сообщений в код ЦВМ ВС; сопряжение между собой многих линий связи с различными пропускными способ­ ностями; коммутацию сообщений, поступающих из од­ ной линии связи в другую; установление очередности обработки сообщений, соблюдение приоритетных пра­ вил; регистрацию загрузки линий связи; проверку линий

В состав машины входят линейный адаптер и собствен­ но процессор. С помощью линейного адаптера осущест­ вляется преобразование информации: при приеме из линий связи коды преобразуются к виду, приемлемому для процессора, и, кроме того, сигналы освобождаются от искажений, при передаче кодовые сигналы преобра­ зуются в сигналы связи. Программными методами вы-

иолняются такие операции, как коммутация сообщений, анализ сообщений, проверка и коррекция принимаемой информации и др.

Обмен информацией в ВС совмещенного типа. В ВС совмещенного типа отсутствуют линии и аппаратура свя­ зи между машинами, поскольку ЦВМ расположены в непосредственной близости друг от друга. Обмен ин­ формацией между машинами непосредственно или через общую оперативную память осуществляется в парал­

оборот. Все это благоприятствует достижению весьма высокой степени применения принципов модульности и параллельного выполнения вычислении в различных режимах работы системы.

К числу наиболее серьезных вопросов, которые долж­ ны решаться при организации обмена информацией между машинами в системе совмещенного типа, отно­ сятся следующие: построение системы и организация вычислительного процесса таким образом, чтобы до­ вести до минимума время на обмен информацией; обес­ печение необходимой точности при обмене информацией между разнотипными машинами, отличающимися раз­ рядностью и формой представления чисел; обеспечение обмена программами между машинами, различными по

поскольку они являются более распространенными.

В специализированных вычислительных системах (СВС), где круг решаемых задач ограничен и известен заранее, сокращение времени на обмен информацией между машинами достигается, помимо других путей, за счет уменьшения объема обмениваемой информации, что в свою очередь обеспечивается рациональной организа­ цией вычислительного процесса. В универсальных вы­ числительных системах (УВС) такой путь тоже исполь­ зуется, хотя его реализация связана с необходимостью выполнения управляющей программой оптимального (или приемлемого) распределения рабочих программ между машинами применительно к каждому новому

82

пакету этих программ. Вопросы оптимального распре­ деления рабочих программ или их частей между ЦВА^ системы рассматриваются в гл. 2.

В вычислительных системах с общей памятью как специализированных, так и универсальных для умень­ шения времени на обмен информацией применяется модульная структура общей оперативной памяти (ООП). Каждый из модулей ООП на некоторое время может закрепляться за любой машиной системы. Это обеспе­ чивает возможность быстрой и одновременной передачи больших массивов информации путем переключения од­

В ВС с модульной структурой ООП большое значе­ ние имеет наличие эффективной, надежной, наращивае­ мой и экономичной коммутации данных (межмодульной коммутации).

Межмодульная коммутация может строиться в соот­ ветствии с одним из трех основных принципов [Л. 11].

Первый из них основан на пространственной селек­ ции. Основной частью пространственного коммутатора является переключательная матрица, каждая строка ко­

с помощью управляемой вентильной схемы, находящей­ ся в точке пересечения г'-й строки с /-м столбцом пере­ ключательной матрицы. Будучи в теоретическом отно­ шении простым и понятным, такой принцип организации межмодульной коммутации имеет ряд конструктивных недостатков: большое число управляемых вентильных схем (оно равно произведению числа ЦВМ на число модулей и на число разрядов в обмениваемых словах), что отрицательно сказывается на надежности и стоимо­ сти коммутационного устройства; ограничение скорости переключения модулей и соответственно оперативности перестройки работы ВС при быстроменяющихся усло­ виях ее функционирования за счет задержки кодовых сигналов в вентильных схемах переключательной мат­ рицы; при наращивании системы возникает необходи­ мость в изменении частоты синхронизации (импульсы синхронизации вырабатываются задающим генерато-

ром), поскольку скорость передачи данных через ком­ мутирующее устройство зависит от его физических раз­ меров подобно тому, как быстродействие ЗУ зависит от его емкости.

В связи с этим межмодульная коммутация, основан­ ная на пространственной селекции, не применяется в тех ВС, в которых обмен информацией между моду­

с пространственной селекцией применяются в некоторых американских вычислительных системах, в которых межмодульные соединения изменяются сравнительно редко и, кроме того, не предъявляется серьезных требо­ ваний к гибкости системы.

Второй метод межмодульной коммутации основан на использовании принципа кодовой селекции. В соответ­ ствии с этим методом все машины постоянно соединены со всеми модулями ООП, т. е. вентильные схемы отсут­ ствуют. Точно так же связаны друг с другом модули ООП. Однако действительный информационный обмен производится только между теми модулями, между ко­ торыми установлено соответствие кодов. На запрос ма­ шины отвечает только тот модуль, который указан в коде запроса. Для того чтобы избежать одновремен­ ного доступа к одному и тому же модулю со стороны более чем одной машины ВС, в таком коммутирующем устройстве необходима некоторая система установления очередности, которая должна анализировать приорите­ ты заявок. На каждом модуле должна быть отдельная схема адресации для каждой машины, что при наращи­ вании ВС потребует дополнительного оборудования для каждого модуля.

Третий метод межмодульной коммутации основан на использовании принципа временной селекции. Все ма­ шины и все модули ООП подключены постоянно к общей информационной шине. Используется одна и та же схе­ ма адресации к каждому модулю для обслуживания запросов от всех машин ВС. Для обеспечения нужного направления потоков информации кодируются как мо­ дули, так и машины. В каждый данный момент времени доступ к информационной шине имеет только одна точ­ но определенная машина, а прием информации от этой машины производится только определенным модулем. В течение одного стандартного цикла обращения к мо-

84

дулям каждой машине системы предоставляется строго определенный интервал времени для связи с выбранным модулем. Во время одного цикла машина посылает запрос к модулю, а во время следующего цикла полу­ чает ответ от запрашиваемого модуля. Таким образом, здесь автоматически решается проблема конфликтов при одновременном обращении нескольких машин к од­ ному и тому же модулю, а также проблема очередей.

Примененение принципа временной селекции дает существенный выигрыш в отношении времени коммута­

вляется с ошибками, которые в зависимости от их источ­

ченностью средств вычислительной техники, или инстру­ ментальные, ошибки.

К первой группе относятся: методологические ошиб­ ки, т. е. ошибки, обусловленные несовершенством мате­ матических моделей изучаемых проблем. Возникновение этих ошибок относится не к стадии вычислений, реали­ зации полученных алгоритмов, а к стадии разработки теории рассматриваемой проблемы. Они характеризуют степень разработки теории изучаемых процессов, а не техническое совершенство и качество работы ВС; ошиб­ ки, обусловленные неточностью входной информации, исходных данных для решения задач; методические ошибки, обусловленные несовершенством выбранных методов решения заданных систем уравнений. Сюда относятся ошибки численных методов решения и аппро­ ксимации трансцендентных функций и чисел, а также ошибки итеративных методов, требующих для полной сходимости решения бесконечного или очень большого числа итераций.

Основные виды инструментальных ошибок: ошибки округления, возникающие из-за ограниченности разряд­ ной сетки машин ВС; ошибки, вызываемые отказами и сбоями (самоустраняющимися отказами) в различных элементах ВС, принимающих участие в вычислениях; ошибки, обусловленные сопряжением разнотипных ЦВМ системы, отличающихся разрядностью и формой пред­ ставления чисел.

85

Организация функционирования ВС может быть весьма разнообразной. Она определяется структурой и назначением системы, организацией управления в ней, конструктивными особенностями ЭВМ и системных эле­ ментов, составом математического обеспечения, харак­ тером решаемых задач.

Организация функционирования ВС связана с реше­ нием таких вопросов, как выбор дисциплины обслужи­ вания требований (или дисциплины реализации пакетов задач), выбор вида пакетной обработки, организация обмена информацией между машинами системы, подго­ товка рабочих программ к пакетной реализации и др.

Выбор той или иной дисциплины обслуживания тре­ бований, сопровождаемых исполнением как отдельных программ, так и пакетов программ, определяется на­ значением системы и характером решаемых задач. Если

ся соответствующие уровни приоритетов с таким расче­ том, чтобы в первую очередь и в приемлемые сроки были решены наиболее важные задачи. Приоритетность

если для некоторой задачи в качестве исходных данных используются результаты (промежуточные или оконча­ тельные) решения другой задачи, то эта другая задача, естественно, должна решаться в первую очередь. Наи­ лучшие результаты с точки зрения обеспечения мини­ мальных затрат машинного времени на реализацию заданного набора задач получаются в том случае, если

в многомашинных ВС: 1) простое дублирование или од­

вания) рабочих программ, принадлежащих этому па­ кету; 3) параллельная реализация задач пакета с сег­ ментацией рабочих программ.

Первый вид пакетной обработки применяется в слу­ чае решения особо ответственных задач, когда предъяв­ ляются повышенные требования к достоверности ре­ зультатов. В этом случае заданный набор задач решает-

87

ся с начала до конца каждой машиной системы, а затем результаты сравниваются обычно с помощью мажори­

распределяются между машинами ВС таким образом,

редь исполнение программ с наиболее высоким уровнем приоритета и, с другой стороны, затратить минимум суммарного машинного времени на исполнение всех программ пакета. При этом рабочие программы не сег­ ментируются, что, естественно, облегчает решение за­ дачи оптимального распределения программ между машинами.

Третий вид пакетной обработки отличается от вто­ рого тем, что рабочие программы, входящие в пакет, программистами предварительно разбиваются на куски, сегменты, которые могут исполняться независимо и од­ новременно на различных машинах системы. Поэтому при том же количестве рабочих программ в пакете за­ дача оптимального их распределения между машинами усложняется, зато с лучшим результатом решается за­ дача по обеспечению минимальных затрат времени на реализацию пакета. Распараллеливание рабочих про­ грамм пакета особенно эффективно в том случае, когда число программ сравнительно невелико и они резко от­ личаются по своим размерам.

Подготовка рабочих программ к пакетной реализа­ ции для второго и третьего видов пакетной обработки заключается в установлении связности программ, в их распараллеливании, если это необходимо и целесообраз­ но, в решении задачи распределения программ и их сегментов между машинами ВС. Последняя задача на­ зывается также задачей планирования мультипрограмм­ ной работы системы. Для первого вида пакетной обра­ ботки подготовительная работа существенно проще, так как здесь необходимо лишь установить, в каком порядке должны исполняться программы.

При решении задачи планирования мультипрограмм­ ной работы ВС необходимо принимать во внимание затраты времени на обмен информацией между маши-

88

нами в процессе решения заданного пакета задач. Эти затраты определяются потерями времени на передачу информации по каналам связи между машинами, а так­ же на перевод программ с языка одной машины на язык другой. Очевидно, что при организации режима пакет­ ной обработки в системе разобщенного типа планирова­ ние мультипрограммной работы должно осуществляться таким образом, чтобы свести к минимуму объем обмени­ ваемой между машинами информации. Это особенно важно, если обмен программами осуществляется на уровне программирующих программ, т. е. обмен про­ граммами, по существу, заменяется обменом алгорит­ мами.

2-2. ПЛАНИРОВАНИЕ МУЛЬТИПРОГРАММНОЙ РАБОТЫ ВС

Планирование мультипрограммной работы ВС, или мультипрограммное планирование, является одной из важных и самостоятельных задач организации мульти­ программной работы системы.

Основная цель мультипрограммного планирования состоит в том, чтобы путем лучшей организации работы ВС (а не за счет увеличения числа машин в системе или использования машин более высокой производи­ тельности) повысить эффективность ее функционирова­ ния. Это повышение достигается путем создания опти­ мального или субоптимального плана выполнения за­ данного набора программ, в котором определяется последовательность выполнения программ машинами системы с учетом их приоритетности и связности. В ка- > честве основного показателя эффективности мультипро­

набора программ. Это время зависит не только от ка­ чества плана мультипрограммной работы, но и от того, насколько качественно выполнен предшествующий -этап по распараллеливанию рабочих программ.

Различают неоперативное мультипрограммное пла­ нирование и оперативное.

Неоперативное мультипрограммное планирование осуществляется для выработки плана выполнения за­ данного набора программ (ЗНП) применительно к не­ которым типовым ситуациям функционирования ВС.

89