1.4 Надежность, производительность и показатели быстродействия

Надежность

Отказы компьютера могут оказать критическое влияние на работу системы управления или информационно-справочной системы. Отказ компьютера в информационно-справочной системе приводит к задержке получения ответа, иногда весьма значительной. Эта задержка может вызвать значительные экономические потери. Задержка в выдаче управляющего воздействия в результате отказа компьютера приводит к потере управления, разрушению технологических установок, срыву выполнения задания, т.е. к весьма значительным потерям, а в некоторых случаях к экологическим катастрофам.

Современные технологии не позволяют полностью избавиться от отказов в аппаратуре и от ошибок в программах даже при значительных затратах, но ряд мер технического и организационного характера способны снизить их интенсивность.

Надежность компьютера – это свойство сохранять свою работоспособность, т.е. выполнять возложенные на него функции. Однако в работе компьютера возможны ошибки, которые подразделяют на систематические, возникающие в результате отказов, и случайные, возникающие в результате сбоев. Отказ – это утрата возможности выполнения требуемой функции, а сбой – кратковременное нарушение правильной работы аппаратуры (это нарушение может быть вызвано искрением, вибрацией, внешними помехами и т.п.).

Как правило, надежность принято характеризовать вероятностью безотказной работы.

Производительность компьютера

Производительностью называют способность машины выполнять некоторый объем работы по обработке данных за единицу времени. На производительность компьютера оказывает влияние множество факторов – характер выполняемых задач, архитектура и параметры процессора, характеристики основной и внешней памяти, наличие дополнительных устройств обработки, быстродействие соединительных шин, способ подключения различных устройств и т.п. Поэтому при оценке производительности используют стандартные методики, служащие только для непосредственного сравнения различных компьютеров между собой.

Для оценки производительности часто используют понятие времени прохождения задачи, времени ответа или времени выполнения. Под временем прохождения задачи понимают интервал от момента поступления задачи на выполнение до момента представления результатов ее решения пользователю. Это время включает буквально все – работу ЦП, обращения к оперативной памяти и дискам, операции ввода-вывода, накладные расходы, связанные с работой операционной системы и т.п. В мультипрограммном режиме, т.е. когда процессор компьютера выполняет несколько программ, во время ожидания завершения процедуры ввода-вывода для какой-либо программы ЦП может выполнять другую программу, поэтому время прохождения задачи не будет постоянным. Обычно производительность компьютера в целом характеризуется «средним» временем прохождения задачи.

Способность компьютера выполнять определенное количество операций в единицу времени называют быстродействием. В большинстве случаев время выполнения операций, или быстродействие можно определить в виде числа тактов генератора, частота которого становится, таким образом, важнейшей характеристикой быстродействия. При этом оценивается быстродействие только процессора. Время выполнения программы в ЦП зависит от трех параметров: длительности такта синхронизации (или тактовой частоты), числа тактов синхронизации, необходимого для выполнения каждой команды, и общего числа команд в программе. Для характеристики быстродействия персональных компьютеров особенно часто пользуются частотой. Сегодня она достигает 3,5 ГГц и выше, а фирмы-изготовители, например, Intel или AMD, продолжают ее наращивать.

Кроме того, быстродействие можно оценить по:

• длительности выполнения операций определенного типа (обычно в качестве параметра быстродействия фирмы-производители приводят число наиболее коротких арифметических операций, выполняемых за секунду; это так называемое «пиковое» быстродействие процессора);

• средней длительности выполнения операции из некоторого стандартного набора операций, называемого смесью; это «номинальное» быстродействие;

• средней длительности выполнения представительной задачи; при этом, если в затратах времени учитывается только время обработки, то такую задачу принято называть ядром, а если учитывается и время на ввод-вывод, то эталонной задачей, или бенчмарком. Время на организацию вычислительного процесса не учитывается. Это «системная» производительность.

Показатели быстродействия.

Быстродействие компьютера, имеющего традиционную архитектуру и призванного решать задачи с большим числом логических операций, принято оценивать числом команд, выполняемых за единицу времени, т.е. числом MIPS (миллион инструкций в секунду). Этот показатель прост для понимания – для более «быстрого» компьютера характерно более высокое значение этого показателя. Тем не менее, применение MIPS в качестве «универсального» показателя наталкивается на ряд трудностей.

• Во-первых, каждый компьютер обладает структурой, ориентированной на обработку слов определенного формата и разрядности, т.е. инструкции в разных компьютерах определяют различный объем работы.

• Во-вторых, этот показатель не учитывает сложность выполняемой команды. Поэтому при наличии в компьютере дополнительного «сопроцессора», призванного выполнять операции с плавающей точкой, этот показатель снижается. При отсутствии сопроцессора операции над числами с плавающей точкой реализуются посредством подпрограмм, состоящих из нескольких достаточно простых команд целочисленной арифметики, и показатель MIPS имеет высокое значение. Довольно сложная команда сопроцессора выполняется достаточно долго (хотя и значительно быстрее, чем соответствующая подпрограмма), поэтому показатель MIPS снижается. Этот показатель имеет и ряд других недостатков.

Особый интерес вызывает оценка быстродействия компьютеров, призванных решать научно-технические задачи, в которых широко используется арифметика с плавающей точкой. Обычно их быстродействие оценивают в миллионах операций с плавающей точкой в секунду – MFLOPS. Многие программисты считают, что одна и та же программа, написанная для различных компьютеров, выполняет разное число команд, однако число операций над числами с плавающей точкой в этих программах одинаково. Поэтому MFLOPS может служить для сравнения разных компьютеров между собой при выполнении одной и той же программы. Однако и этот показатель не универсален, поскольку в компьютерах используются разные системы (или наборы) команд. Таким образом, хотя очень соблазнительно характеризовать машину единственным показателем, это сделать невозможно без указания программы, выполняемой в компьютере.

В настоящее время разработано два набора тестов, предназначенных для измерения производительности процессора, системы памяти, а также эффективности формирования программы компилятором. Этими тестами служат наборы SPECintХХ и SPECfpХХ, где символами ХХ обозначен год разработки теста; время на операции ввода-вывода ничтожно мало. Тест SPECintХХ состоит из нескольких программ для различных прикладных областей (теория цепей, разработка логических схем, упаковка текстовых файлов, электронные таблицы и т.п.). Программы написаны на языке Си. Тест определяет производительность процессора при работе с целыми числами. Тест SPECfpХХ служит для оценки производительности при наличии операций с плавающей точкой.

Кроме этих часто обновляемых тестов (поэтому после названия указывается год) существует и ряд других, в частности для оценки производительности многопроцессорных систем (SPECrate), для оценки машин при обработке транзакций (TPC), рабочих станций, серверов и т.п. (AIM). Эти тесты стремятся учесть влияние, оказываемое на производительность машины различными ее компонентами, а не только процессором.