Древс Системы реалного времени технические и программные средства 2010

В классе МКМД различаются слабо- и сильносвязанные системы.

Слабосвязанные МКМД-системы – структуры с распределен-

ной памятью. Десять-пятнадцать лет тому назад этот класс ВС состоял исключительно из многомашинных вычислительных комплексов и сетей ЭВМ. Вычислительные системы с такой структурой в качестве узлов используют законченные ЭВМ, включающие микропроцессор, память и подсистему ввода-вывода. Они объединяются коммуникационной средой, которая обеспечивает взаимодействие процессоров посредством простых операций ввода/вывода (рис. 5.10, а). Каждый процессор Пр1,...,ПрN имеет свой модуль памяти и устройство ввода-вывода. Обмен идет через коммуникационную среду.

Рис. 5.10

Сейчас в качестве элементов МКДМ-систем используются микропроцессоры. Пример современной слабосвязанной МКДМсистемы – Cray T3D/T3E. В нем память физически распределена,

171

так как каждый процессор содержит свою локальную память. В то же время память разделяется всеми процессорами, поскольку каждый из них через свой сетевой интерфейс может обращаться к памяти любого другого процессора, не прерывая его работы. Коммуникации осуществляются с помощью средств операционной системы. Передача данных из одного локального адресного пространства к другому произойдет только в том случае, если посылка сообщения со стороны процесса-отправителя будет востребована про- цессом-получателем сообщения. В последнее время успехи микроэлектроники сделали возможным построение слабосвязанных систем, состоящих из сотен и тысяч процессорных элементов с возможностью наращивания их количества. Подобные структуры на-

зывают системами с массовым параллелизмом (MPP-системы –

Mass-Parallel Processing). Увеличение количества процессорных элементов в ВС не может не привести к росту сложности коммуникационной системы, а также к новым идеям в области управления вычислительным процессом: от управления потоком команд можно перейти к управлению от потока данных, когда операторы программы активизируются по мере готовности данных.

У вычислительных систем с распределенной памятью соотношение цена/производительность ниже, чем у ВС других классов. Для пользователя еще одно достоинство ВС этого класса заключается в возможности точно подобрать конфигурацию в зависимости от бюджета и своих требований к характеристикам вычислительных средств.

Сильносвязанные МКМД-системы – структуры с разделяемой общей памятью. Процессоры совместно используют общую память и каждый из них имеет равные права доступа к программам и данным, которые там хранятся; процессоры могут обмениваться информацией через единое адресное пространство памяти. Такие ВС называются мультипроцессорными системами с общей памятью.

Существует два варианта организации общей памяти:

1) все процессоры связываются с модулями общей памяти через коммуникационную среду; время обращения к памяти у всех про-

172

цессоров одинаково и не зависит от того, к какому модулю памяти процессор обращается (см. рис. 5.10, б); такие МПС называют сис-

темами с однородным доступом; 2) каждый процессор имеет доступ к общей разделяемой памяти,

но, кроме того, он может обращаться и к собственной локальной памяти (см. рис. 5.10, в); системы этого типа называют системами с неоднородным доступом. Доступ к локальной памяти идет намного быстрее, чем к общей, чтоповышает производительность ВС.

Вклассе сильносвязанных МКМД-систем выделяют два типа архитектуры: асимметричную и симметричную.

Васимметричной архитектуре разные процессоры могут отличаться как своими характеристиками (производительностью, надежностью, системой команд и т.д.), так и функциональной ролью, которая поручается им в системе. Например, одни процессоры могут предназначаться для работы в качестве вычислительных модулей, другие – для управления вводом/выводом.

Симметричная архитектура предполагает однородность всех процессоров и единообразие их включения в общую схему МВС.

Вкачестве проблем, которые характерны для параллельных ВС

собщей памятью указываются:

-высокая стоимость;

-неоднородность доступа к памяти: в то время как один процессор обращается к локальной памяти, другой может обращаться к удаленной – время доступа различно и это должно учитываться при организации общего вычислительного процесса;

-необходимость обеспечения согласованности содержимого кэш-памяти.

Сравнение многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем приводит к следующим выводам.

Многопроцессорные ВС обеспечивают более быстрый обмен между процессорами, более высокую надежность и живучесть по сравнению с ММС.

Однако МПС имеют и существенные недостатки. Они, в первую очередь, связаны с использованием ресурсов общей оператив-

173

ной памяти. При большом количестве комплексируемых процессоров возможно возникновение конфликтных ситуаций, когда несколько процессоров одновременно обращаются с операциями типа «чтение» и «запись» к одним и тем же областям памяти. Помимо процессоров к общей памяти, подключаются все каналы (процессоры ввода/вывода), средства измерения времени и т.д. Поэтому вторым серьезным недостатком МПС является проблема коммутации абонентов и доступа их к общей памяти.

Создание коммутаторов оперативной памяти представляет сложную техническую задачу: для разрешения конфликтных ситуаций необходимы схемы приоритетного обслуживания; они должны быть дополнены буферами для организации очередей запросов. До настоящего времени в номенклатуре технических средств вычислительной техники отсутствуют высокоэффективные коммутаторы общей памяти.

От того, насколько удачно решаются эти проблемы, и зависит эффективность применения МПС. Это решение обеспечивается аппаратно-программными средствами. Процедуры взаимодействия процессоров очень сильно усложняют структуру операционной системы МПС. Накопленный опыт построения подобных систем показал, что они эффективны при небольшом числе комплексируемых процессоров (от 2 до 10). В отечественных системах «Эльбрус» обеспечивалась возможность работы до 10 процессоров, дo 32 модулей оперативной памяти, до четырех процессоров ввода-вывода и до восьми коммутаторов оперативной памяти.

Еще одна сложная проблема – эффективное распараллеливание вычислительного процесса или программы.

5.5. Основные характеристики средств переработки информации

Возможности и эффективность применения средств переработки информации определяются следующими характеристиками.

174

Быстродействие – количество элементарных операций, выполняемых в единицу времени. В качестве таких операций рассматривают короткие (требующие минимального времени) операции типа сложения. Единица измерения – миллион операций в секунду в формате с фиксированной точкой (Million Instactions Per Second – MIPS) или с плавающей точкой (Millions Floating Point Operation per Second – MFLOPS). Быстродействие можно оценить при обработке бесконечной последовательности не связанных и не конфликтующих между собой при доступе к памяти команд. Эта характеристика имеет ограниченное распространение, поскольку не дает полного представления о возможностях ЭВМ, так как:

-современные ЭВМ могут выполнять сотни различных операций, длительности которых существенно различаются;

-во многих применениях для пользователя ЭВМ более важно время решения задачи, которое часто больше зависит от алгоритма

иструктурных особенностей ЭВМ, чем от ее быстродействия. Производительность – объем вычислительной работы, выпол-

няемой ЭВМ в единицу времени. Оценка и сопоставление производительности ЭВМ – сложная задача, не имеющая до настоящего времени удовлетворительного решения. Причина в том, что на производительность влияет слишком много факторов: характеристики элементов, особенности программы, логические возможности системы команд, особенности операционной системы, состав и характеристики оперативной и внешней памяти, способ обмена данными по шине и др. Поэтому более или менее достоверные оценки производительности можно получить только для тех ЭВМ, которые решают ограниченный круг задач.

Известны следующие типы характеристик производительности: пиковая, или техническая – производительность процессора без учета времени обращения к основной памяти за операндами. Это теоретический максимум быстродействия при идеальных условиях; номинальная – производительность процессора с оперативной

памятью;

175

системная – производительность базовых технических и программных средств, входящих в комплект поставки ЭВМ;

эксплуатационная – производительность на реальной рабочей нагрузке, формируемой используемыми пакетами прикладных программ.

Методы оценки производительности разделяются на три груп-

пы:

расчетные, основанные на информации, получаемой теоретическим или расчетным путем;

экспериментальные, основанные на информации, получаемой с использованием аппаратно-программных измерительных средств;

имитационные, реализуемые с помощью моделирования. Основные единицы оценки производительности:

абсолютная, определяемая количеством элементарных работ, выполняемых в единицу времени;

относительная, определяемая для оцениваемой ЭВМ относительно базовой в абсолютных единицах в виде индекса производительности.

Пиковая производительность определяется как среднее число команд типа передачи из регистра в регистр, выполняемых в единицу времени без учета их статистического веса в выбранном классе задач.

Номинальная, так же как и системная производительность определяется средним числом команд с учетом их статистического веса. В настоящее время производительность ЭВМ, предназначенных для решения широкого класса задач, оценивается с помощью специально сконструированных тестовых программ. Они формируются из смесей команд, в которых частота появления каждой операции определяется путем статистического анализа программ решения задач определенного (и достаточно широкого) класса, например, научно-технических задач или задач информационного поиска. На основании такого анализа операциям присваиваются определенные весовые коэффициенты.

При использовании смесей команд производительность определяется по формуле

176

k	k
P ai / aiti ,
i 1	i 1

где ai и ti – соответственно весовой коэффициент и длительность выполнения i-ой команды; k – число различных команд в смеси.

В качестве упрощенной оценки производительности можно использовать время выполнения программы

T = NS/R,

где N – количество команд, которые будут реально выполнены в ходе реализации программы (в общем случае оно не совпадает с количеством команд в тексте программы); S – число шагов, необходимых для выполнения одной усредненной команды; R – частота, на которой работает процессор (предполагается, что длительность одного шага совпадает с длительностью одного такта процессора).

Тестовые программы для оценки производительности, существующие в настоящее время, можно разделить на три группы:

1)наборы тестов фирм-изготовителей для оценки качества собственных изделий;

2)стандартные универсальные тесты для ЭВМ, предназначенных для сложных вычислений;

3)специализированные тесты для конкретных областей применения.

Результаты оценивания производительности ЭВМ по разным тестам несопоставимы.

Емкость запоминающих устройств – количество структурных единиц информации, которое можно одновременно хранить в памяти. Обычно эти данные указываются отдельно для оперативной

ивнешней памяти. Наименьшая структурная единица – бит (один разряд, или одна двоичная цифра).

Как правило, емкость указывают в байтах (8 бит) или в более

крупных единицах:

килобайтах (1 Кбайт = 210 байт = 1024 байта), мегабайтах (1 Мбайт = 210 Кбайт), гигабайтах (1 Гбайт = 210 Мбайт).

177

Емкость памяти в значительной степени определяет класс задач, которые может решать ЭВМ; большое значение для эффективности работы имеет распределение общего объема памяти между внешней и оперативной: поскольку все программы и все данные невозможно хранить одновременно в оперативной памяти, для нормального хода вычислительного процесса приходится вести обмен между ней и внешней памятью и чем меньше объем ОП, тем чаще приходиться выполнять такой обмен.

Надежность – способность ЭВМ при определенных условиях выполнять требуемые функции в течение заданного времени (стандарт ISO-2382/14-78). Надежность ухудшается из-за появления неисправностей в аппаратуре. Моменты их возникновения случайны и их поток принято характеризовать средним временем между появлением неисправностей, а в качестве неисправностей рассматривают такие, которые для своего устранения требуют ремонта оборудования. Их называют отказами. Величину , обратную среднему времени между отказами, называют интенсивностью отказов; это основная характеристика надежности. Ее смысл –

среднее количество отказов в единицу времени, размерность –

[ч–1].

Если предположить, что отказы элементов, составляющих устройство ЭВМ, взаимонезависимы и отказ любого элемента приводит к отказу всего устройства, то интенсивность его отказов будет равна

m

ici ,

i 1

где i – интенсивность отказов элементов i-го типа, ci – количество элементов i-го типа, входящих в состав устройства.

На основе интенсивности отказов вычисляются другие характеристики надежности, в частности – вероятность исправной работы в течение заданного времени t. Если допустить, что интенсивность отказов не изменяется во времени (что имеет место на определенных этапах эксплуатации техники), то эта вероятность может быть описана экспоненциальным законом: p(t) = exp (– t). Соответст-

178

венно вероятность возникновения отказов в течение заданного времени q(t) = 1 – exp (– t).

Совершенствование технологии производства, соблюдение и облегчение условий работы аппаратуры приводят к уменьшению интенсивности отказов элементов и, следовательно, к увеличению надежности устройств ЭВМ.

Следует иметь в виду, что проблема надежности ЭВМ не исчерпывается задачей оценки ее характеристик. Во-первых, выход из строя некоторых деталей может не приводить к отказу устройства (например, сгоревшая лампа индикатора работы дисковода не исключает возможности его использования). Во-вторых, отказ устройства в течение некоторого времени может не приводить к искажению результатов его работы (если, например, к отказавшему элементу не было обращений). В-третьих, своевременное обнаружение факта и места возникновения неисправности при определенных условиях дает возможность изменить структуру устройства или ЭВМ, исключив тем самым влияние отказавшего блока на результат решения.

Для описания этих особенностей и возможностей при системном проектировании используются дополнительные характеристики, такие, как например, достоверность информации и живучесть системы.

Разрядность – длина машинного слова. Она определяется количеством бит информации, которые можно одновременно обрабатывать, и может быть различной для АЛУ, памяти, внешних устройств и при передачах между устройствами. Обычно под разрядностью ЭВМ понимают разрядность АЛУ.

Разрядность определяет точность вычислений – возможность различать почти равные значения (стандарт ISO-2382/2-76). Поскольку требования к точности могут варьироваться в широких пределах в зависимости от области использования ЭВМ, то выбор требуемой разрядности представляет сложную системную задачу. В некоторых случаях применяют специальные программные методы управления разрядностью.

179

Стоимость – затраты на разработку, изготовление, установку и эксплуатацию ЭВМ. Обычно пользователь имеет дело не со стоимостью, а с ценой, которую устанавливает производитель или торгующая и обслуживающая организация. Выбор ЭВМ представляет собой многоальтернативную задачу, где определяющим критерием является отношение «качество/цена», причем при оценке качества следует учитывать все характеристики ЭВМ, важные для предполагаемой области ее применения, а при оценке затрат – все этапы эксплуатации, принимая во внимание затраты на обслуживание и возможные ремонты.

Для производителя оценка затрат имеет еще более сложный характер. Во-первых, они зависят от структуры ЭВМ и варианта распределения функций между аппаратурой и программами и, следовательно, влияют на принимаемые технические решения. Вовторых, приходится учитывать и оценивать целесообразность изготовления отдельных комплектующих элементов и узлов своими силами или их приобретения у другого изготовителя. В-третьих, от стоимости зависит конкурентоспособность продукции. Можно привести еще много подобных аргументов; все они приводят к однозначному выводу: стоимость является определяющей характеристикой как при выборе ЭВМ для конкретного применения, так и при выборе технических решений в процессе создания ЭВМ.

К сожалению, в настоящее время не существует достоверных оценок функциональных зависимостей стоимости от других характеристик и параметров ЭВМ, поэтому задача выбора рациональных технических решений по критерию стоимости дает скорее качественные, нежели количественные результаты.

Контрольные вопросы и упражнения

1.Что такое «микроконтроллер»? Из чего состоит его ядро? функциональный блок?

2.Как работают процессоры событий?

3.Как действуют аппаратные средства режима отладки

4.Каким образом осуществляется специализация микроконтроллеров?

180