
- •Основные эксплуатационные характеристики эвм
- •Надежность вычислительных систем
- •Показатели надежности
- •Термины и определения
- •Надежность программного обеспечения
- •Способы обеспечения и повышения надежности программ
- •Способы повышения эксплуатационной надежности эвм
- •Классификация методов и средств контроля функционирования эвм
- •Система автоматического контроля эвм
- •Контроль передачи информации
- •Контроль комбинационных схем
- •Самопроверяемые схемы контроля
- •Диагностические средства проверки работоспособности схем контроля
- •Прерывания от схем контроля
- •Принципы построения системы контроля процессора
- •Контроль счетчиков
- •Контроль алу на основе метода самопроверяемого дублирования
- •Контроль по модулю
- •Числовой и цифровой контроль
- •Частные случаи контроля по модулю
- •Способы построения схем сверток
- •Методы оценки эффективности системы аппаратного контроля
- •Резервирование в эвм и вс
- •Основные способы резервирования
- •Механизм обнаружения отказа и замещения резервным блоком может быть:
- •Автоматическое восстановление вычислительного процесса после машинных ошибок Типы машинных ошибок
- •Автоматическое восстановление вычислительного процесса после сбоев
- •Автоматическое восстановление вычислительного процесса после отказов
- •Схемотехнические аспекты эксплуатационного обслуживания эвм Иерархия процессов обслуживания
- •Подготовительный этап:
- •Эксплуатация эвм:
- •Формы эксплуатационного обслуживания эвм
А.М. Бакшаев
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
по дисциплине
"ЭКСПЛУАТАЦИЯ
СРЕДСТВ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ
ТЕХНИКИ"
Киров 2007
Основные понятия эксплуатационного обслуживания ЭВМ
Эксплуатация любого объекта (системы, машины) состоит из его:
эксплуатационного использования (по прямому назначению);
эксплуатационного обслуживания.
Под эксплуатационным обслуживанием понимают совокупность операций, процедур и процессов, предназначенных для обеспечения работоспособности объекта.
Эксплуатационный объект может находиться в:
работоспособном состоянии, при котором он способен выполнять заданные функции при сохранении значений его характеристик и параметров в пределах, установленных технической документацией;
неработоспособном состоянии, при котором он не в состоянии выполнить хотя бы одну из заданных функций, характеристик или параметров, указанных в технической документации требованиям.
Рассмотрим основные особенности ЭВМ:
ЭВМ - это сложная техническая система, включающая:
большое число элементов;
большое число связей между элементами;
большое число оборудования разного по принципам действия и выполняемым функциям;
выполняет сложные функции по обработке информации.
ЭВМ - это неразделимый комплекс аппаратных и программных средств. Ядром ВС является ОС, а эксплуатационное обслуживание охватывает в совокупности ее аппаратное (АО) и программное обеспечение (ПО).
ЭВМ - это универсальный преобразователь информации, что требует введения понятия достоверности в функционировании ЭВМ, определяющееся степенью безошибочности работы машины.
ЭВМ - это человеко-машинная система, т.е. на ее работоспособность существенную роль оказывают ошибки оператора, пользователя, обслуживающего персонала.
ЭВМ - это объект, функционирующий в условиях действия случайных факторов. Случайными являются моменты обращения к процессору с запросами на выполнение тех или иных программ, возможные нарушения нормального функционирования ЭВМ из-за возникновения случайных сбоев и отказов и т.д.
ЭВМ - это объект со сложным описанием и большим объемом технической документации, которая подразделяется на сопроводительную документацию на:
аппаратные средства, имеющие многоуровневое описание:
структурных схем;
функциональных схем;
принципиальных схем;
временных диаграмм;
алгоритмов функционирования и т.п.;
программное обеспечение, включающее описания:
операционных систем;
систем программирования (трансляторов, компановщиков);
прикладных программ;
системы диагностирования и т.д.
Поэтому эффективность эксплуатационного обслуживания зависит от структуры, полноты и качества технической документации, приспособленности ее для ведения эксплуатационного обслуживания.
Можно выделить следующие виды обслуживания:
хранение;
установку и наладку на месте эксплуатации;
ввод в эксплуатацию;
обслуживание при нормальной работе;
планово-профилактические работы;
устранение неисправностей (ремонты);
обслуживание системного и прикладного программного обеспечения;
обслуживания баз данных.
ЭВМ по характеру обслуживания делятся на:
восстанавливаемые - если во время эксплуатации можно производить ремонт по устранению возникших неисправностей;
в противном случае - невосстанавливаемые.
ЭВМ считается обслуживаемым объектом, если допускается периодическое проведение профилактических работ и устранение возникших неисправностей.
В противном случае - необслуживаемым объектом (ракеты, спутники, бортовые системы и т.п.).
Проблема обеспечения эксплуатационного обслуживания является весьма острой, так как требует высокого уровня квалификации обслуживаемого персонала из-за:
большого числа типов и семейств ЭВМ и их рассосредоточенности по всей территории страны;
частой смены элементной база и быстрого развития, как аппаратных, так и программных средств (ОС, пакетов прикладных задач, систем программирования);
больших объемов обрабатываемой информации;
внедрением компьютеров и встроенных контроллеров во все хозяйственные сферы деятельности человека.
Повышение степени обслуживаемости ЭВМ достигается с помощью специальных аппаратных и программных средств, автоматизирующих процесс обслуживания, в том числе:
средств автоматизации поиска неисправностей;
систем автоматического контроля правильности функционирования ЭВМ;
автоматизации профилактических работ;
автоматизации накопления и обработки информации о нарушениях нормального процесса работы.
Основные эксплуатационные характеристики эвм
Основные эксплуатационные характеристики ЭВМ отражают параметры ЭВМ и особенности ее архитектуры, определяющие вычислительные возможности машины:
производительность процессора и ЭВМ в целом;
состав и емкость памятей (число байт);
состав периферийных устройств (ПУ):
- жесткий диск;
- накопители (НГМД, оптический привод CD, DVD);
- дисплей (формат, разрешение, число отображаемых цветов);
- устройства ввода информации;
- видеоподсистема;
- аудиоподсистема;
- коммуникации (модем, сетевой адаптер);
- порты ввода-вывода;
а также следующие архитектурные характеристики:
способ организации системы обмена информацией между процессором и ПУ;
пропускная способность этой системы (число байт/сек);
формы представления данных в ЭВМ;
способы адресации;
особенности системы команд и другие.
Также оговаривается используемая ОС и программное обеспечение.
Важнейшими эксплуатационными характеристиками ЭВМ являются производительность Р и общий коэффициент эффективности машины:
Э = Р / (Сэвм + Сэкспл.),
- отношение производительности Р к сумме стоимости самой ЭВМ и затрат на ее эксплуатацию за определенный период времени (например, период окупаемости капитальных затрат). Или упрощенно: Э = Р / Сэвм.
В общем случае под производительностью понимают количество вычислительной работы (число задач), выполняемых ЭВМ в единицу времени.
На практике существует множество методик расчета производительности процессора, каждая из которых имеет свои особенности и недостатки, так как учитывают только некоторые архитектурные особенности компьютера. Рассмотрим методы измерения производительности, которые наиболее часто пользуются в настоящее время в зависимости от структуры процессора.
Пиковая (техническая) производительность микропроцессора (МкПр) - это теоретический максимум быстродействия компьютера при идеальных условиях. Данный максимум определяется как число вычислительных операций, выполняемое в единицу времени всеми имеющимися в процессоре АЛУ.
Так как современные процессоры и АЛУ строятся по конвейерному принципу, и большинство команд выполняется за один такт, то предельное быстродействие достигается при обработке бесконечной последовательности и не связанных между собой и не конфликтующих при доступе в память команд (без нарушения работы конвейера и его простоев). При этом предполагается, что все операнды выбираются из внутренней кэш-памяти данных, а команды - из кэш-памяти команд.
Разумеется такая ситуация для реальных задач является чисто гипотетической, однако пиковая производительность является единственным, объективным параметром для сравнения процессоров по техническим характеристикам т.к.:
совершенно не зависит от типа выполняемой программы и стиля программирования;
для определения пиковой производительности необходимо знать всего несколько параметров:
тактовую частоту процессора, т.к. любая команда выполняется за один такт (или несколько тактов в первых моделях) в конвейере команд:
число арифметических конвейеров;
разрядность обрабатываемых данных.
Тогда для 1 МГц пиковая производительность одного конвейера составляет 1 MFLOPS для операций с ПЗ и 1 MIPS пиковой производительности для операций целочисленной арифметики (ФЗ).
Чтобы избежать некорректного сравнения производительности 32- и 64-разрядных данных необходимо учитывать число конвейеров. Например, АЛУ Pentium каждый такт может формировать один полно разрядный результат операции с ПЗ (64 бита) или два результата по 32 бита целочисленных операций.
Следовательно, для Pentium/90 пиковая производительность равна 90 MFLOPS при выполнении вычислений с ПЗ и 180 MIPS при целочисленной 32-разрядной обработке.
Рр = F * m ,
где F - тактовая частота работы процессора;
m - количество параллельно выполняемых операций.
Достоинством пиковой производительности является удобство для сравнения возможностей процессоров в первом приближении.
Существует методика использования показателя составной теоретической производительности (СТР), измеряемого в Mtops - миллионах теоретических операций в секунду. СТР зависит только от аппаратных средств компьютера с учетом обращений к ОП и нарушений работы конвейера команд, т.е.:
тактовой частоты;
набора функциональных устройств в составе процессора;
пропускной способности и набора внутренних шин;
длины разрядной сетки и т.п.
К недостатку рассмотренных методик расчета производительности микропроцессора можно отнести тот факт, что при выполнении реальных прикладных программ эффективная (реальная) производительность может весьма существенно (в несколько раз) быть меньше пиковой.
Это связано с тем, что современный компьютер включает:
высокопроизводительные микропроцессоры со сложной архитектурой (суперконвейерная и суперскалярная обработка, многоуровневая память с различными техническими характеристиками по назначению, емкости и быстродействию и т.д.);
характеристики их функционирования на уровне внутренних устройств существенно зависят от программы и обрабатываемых данных.
Поэтому невозможно оценить производительность процессора только на основании тактовой частоты, количества тактов на выполнение одной команды и числа устройств обработки.
Для оценки производительности наибольшее распространение получило использование наборов характерных задач для той или иной области применения ЭВМ: научные расчеты, статобработка (работа с базами данных) и т.д. или наборов операций с различными видами адресации и типов обрабатываемых данных (ФЗ и ПЗ) (коэффициенты Гибсона).
Таким образом, время выполнения каждой из задач набора тестовых программ составляет основу для расчета индекса реальной производительности для каждой вычислительной установки.
Индекс производительности является относительной оценкой, характеризующей на сколько быстрее или медленнее исследуемая ЭВМ выполняет набор эталонных задач, по сравнению с некоторой широко распространенной базовой ЭВМ:
Ip = tu / tэ,
где tu - время выполнения набора тестов исследуемой ЭВМ;
tэ, - время выполнения набора тестов эталонной ЭВМ.
Кроме того, если каким-либо образом определить абсолютную производительность базовой (эталонной) ЭВМ, выражаемую числом выполняемых операций в секунду, то нет труда перейти от индексов производительности к абсолютным значениям оценок производительности процессоров ЭВМ:
Ра = Ip * Pэ,
где Рэ - абсолютную производительность базовой (эталонной) ЭВМ (оп./сек).
При оценке производительности на тестах приходится решать три проблемы, связанные с анализом результатов контрольного тестирования производительности:
проблема достоверности оценок, т.е. выделение показателей, которым можно доверять безоговорочно;
проблема адекватности оценок, т.е. выбор контрольно-оценочных тестов, наиболее точно характеризующих производительность при обработке типовых задач пользователя;
проблема интерпретации, т.е. правильное истолкование результатов тестирования производительности, особенно, если они выражены в довольно экзотических единицах типа MWIPS, Drystoones/s и т.п.
Все тесты для измерения производительности можно разделить на группы, отличающиеся по назначению.
I группа - тесты производителей средств ВТ, которые разрабатываются компаниями-изготовителями компьютеров для "внутреннего" применения - оценки качества собственных продуктов, т.е. ориентированы на сравнение множества однотипных компьютеров одного семейства.
Например, для оценки производительности микропроцессоров с архитектурой х86 предложен индекс производительности iCOMP (Intel Comparative Microprocessor Performance). В качестве эталона принят микропроцессор i486 SX-25, значение индекса, для которого равно 100. Индекс iCOMP определяется для смеси операций:
операции над 16-разрядными целыми - 67 %;
операции над 16-разрядными числами с ПЗ - 3 %;
операции над 32-разрядными целыми - 25 %;
операции над 32-разрядными числами с ПЗ - 5 %,
т.к. в ряде ЭВМ время выполнения операций с ФЗ и ПЗ сильно отличается.
Тогда для микропроцессоров i486 SX2-50, Pentium-100 и Pentium-166 индексы производительности равны 180, 815 и 1308 соответственно. Следует учитывать, что индекс iCOMP оценивает производительность только центральных процессоров (ЦП), а не ЭВМ в целом, включающей также оперативную память (ОП) и внешние устройства (ВУ), т.е. это комбинация пиковой производительности через индекс производительности.
Существуют и другие тестовые пакеты для измерения производительности внутри одного семейства (LSPR - для серверов, RAMP-C - для компьютеров AS-4000).
II группа - стандартные тесты, разработанные для сравнения широкого спектра показателей компьютеров. Так как их разработчиками являются независимые аналитики, то это исключает их ориентацию на конкретного поставщика, например, для оценки серверов тестовый набор ТРС-С (Transaction Processing Performance Council). Оценка ведется в числе транзакций в минуту (tpmC).
III группа - пользовательские тесты, создаваемые крупными компаниями, специализирующимися на внедрении компьютерных технологий, или пользователями, объединенных сходством решаемых задач. Эти тесты предназначены специально для выбора компьютеров и ПО, наиболее подходящих под определенные прикладные задачи. Этот подход позволяет получить точные оценки производительности для конкретных приложений.
Наибольшее распространение получили наборы тестов компании SPEC (Standard Performance Evaluation Corporation) - SPEC - 89, 92 и 95 с учетом истории развития структуры и режимов работы.
Пакеты тестовых программ включают два набора: Cint - целочисленной обработки и Сfp - для чисел с ПЗ. Тестовые программы представляют собой достаточно сложные программы на языках С и Fortran с широким спектром решаемых задач - от оптимизации матриц булевой логики до моделирования замещения атомов квантовой химии.
Число тестовых программ
Cint Cfp
SPEC-89 4 6
SPEC-92 6 14
SPEC-95 8 10
1. Методика оценок производительности SPEC89 предполагает 4 вида показателей:
10 дифференциальных оценок SPECration, каждая из которых определяется как отношение времени выполнения программы № i из наборов Cint89 и Cfp89 на тестируемом компьютере ко времени выполнения той же программы на ЭВМ DEC VAX 11/780; Ip[i] = tu[i] / tэ,
интегральная оценка производительности SPECmark, являющаяся средним геометрическим всех десяти частных оценок SPECratio;
Ip = П Ip[i] / i, (i=10)
оценки SPECint89 и SPECfp89, которые раздельно характеризуют быстродействие компьютера при обработке целочисленных данных и вещественных чисел. Рассчитываются аналогично SPECmark как среднее геометрическое частных оценок SPECratio раздельно для тестов целочисленных и вещественных чисел: i=j+k = 4 + 6 =10.
2. Методика расчета основных характеристик производительности SPEC92 не отличается от SPEC89, т.е. через SPECratio с учетом увеличения числа тестовых программ и их набора, т.к. пакет SPECint92 предназначен для оценки производительности в коммерческой области применения, а SPECfp92 - в технической и научной областях применения.
SPEC92 имеет одну дополнительную оценку производительности в режиме мультипрограммной обработки SPECrate в рамках метода однородной нагрузки путем выполнения задания, состоящего из множества копий одной программы, а показателем производительности многопроцессорной обработки служит количество копий, завершенных за определенный интервал времени. Результатом измерений является нормированное общее время выполнения всех копий задания.
Таким образом, SPECrateint92 и SPECratefp92 оценивают среднюю скорость выполнения задач в мультипроцессорном режиме работы системы. Кроме того, эти показатели позволяют получить представление о возможностях компилятора по организации параллельного мультизадачного кода, также ОС - по эффективному динамическому распределению ресурсов системы (процессоров) между выполняемыми параллельными программами.
3. Появление пакета тестов SPEC95 обусловлено развитием микропроцессоров:
повышением их производительности;
увеличением емкости внутренней кэш-памяти и наличием внешней кэш-памяти;
совершенствованием компиляторов;
актуальностью применения в различных областях приложений,
т.к. последние БИС ЦП выполняют тесты SPEC92 от долей секунд до нескольких секунд, что вносит в измерения большие погрешности, обусловленные тем, что объем программ и данных SPEC92 может полностью разместиться в кэш-памяти процессора, что дает недостоверные оценки производительности.
Индексы производительности в SPEC95 даются по отношению к эталонной машине SPARC-station 10/40 в конфигурации с внешней кэш-памятью (второго уровня).
Оценками SPEC95 являются:
индексы производительности SPECint95, SPECfp95 и SPECint base95, SPECfp base95 для чисел с ФЗ и ПЗ в оптимизированном режиме компиляции и без оптимизации соответственно;
индексы пропускной способности SPECint rate95, SPECfp rate95и SPECint rate base95, SPECfp rate base95 для оценки многозадачных режимов и SMP архитектур в оптимизированном режиме компиляции и без оптимизации соответственно.
Все интегральные индексы производительности формируются как среднее геометрическое индексов по отдельным тестам.
Все перечисленные показатели реализуются, если ЭВМ работоспособна. Поэтому суждение о реальных возможностях ЭВМ выполнять определенные функции может быть вынесено только с учетом характеристик эксплуатационной надежности машины.