Введение к работе
Современное состояние в области анализа и разработки вычислительнык систем характеризуется тем, что точка зрения на вычислительные системы как на динамические сущности пока развита не достаточно, не охватывает всех аспектов этих проблем. Особенно вто относится к их программному обеспечению.
Несмотря на большую потребность в многопроцессорных вычислительных системах на микропроцессорах с децентрализованным управлением и распределенной памятью при автоматизации научных вкспериментов, управлении сложными техническими объектами, в експериментах с параллельными алгоритмами и программами, развитие их архитектуры и практическое освоение идет медленно, в основном эмпирически, путем проб и ошибок, через построение макетов, опытных образцов и т.п. Основные причины втого таковы:
- теория подобия для распределенных вычислительных систем,
которая бы позволила установить коэффициент
пропорциональности между малой и большой вычислительными
системами, между прототипом и реальной установкой
отсутствует.
- законы поведения программ, связь статики и динамики
программ исследованы не достаточно.
- существующие математические теории и математические модели,
не отражают в нужных аспектах динамику информационных
процессов в вычислительных системах, не сочетают в себе
дескриптивный подход с техникой аналитических преобразований, которая бы обеспечивала практически полезную точность получаемых оценок.
Традиционно для описания поведения программ при оценке функционирования вычислительных систем использовали теорию массового обслуживания, цепи Маркова. Применение этих математических средств сопряжено с рядом серьезных трудностей и имеет существенные недостатки, основной из которых, с точки зрения практики - неточность, усредненность описания поведения программы. Тем не менее, их используют при создании распределенных вычислительных систем, из-за отсутствия им альтернативы.
Сказанное объясняет значимость проблемы разработки методов и средств анализа эффективности микропроцессорных вычислительных систем на етапе их проектирования, которые бы не требовали построения макета системы, позволяли бы оценивать производительность проектируемой системы в более короткие сроки, с меньшими затратами и с большей точностью чем сегодня.
Основными целями втого исследования ЯВЛЯЮТСЯ!
создание формальной модели функционирования распределенных микропроцессорных систем для анализа их фукционирорвания на стадии проекта на основе динамики программ;
разработка метода оценки производительности распределенных микропроцессорных систем, не требующего создания прототипа аппаратуры проектируемой вычислительной системы либо эмулятора ее системы команд;
- выработка принципов построения инструментальных средств
для исследования поведения распределенных микропроцессорных
систем.
Результаты исследовании в указанных направлениях будут полезны при:
проектировании и выборе структуры многопроцессорной вычислительной системы под класс задач;
исследовании взаимосвязи структуры многопроцессорной вычислительной системы и динамики программ.
Научная новизна и значимость работы заключается в разработке, обосновании и исследовании комплекса новых концепций, методов и средств анализа функционирования и оценки производительности распределенных вычислительных систем.
Результаты описанных в работе исследований послужили отправной точкой для развития нового, перспективного научного направления: исследование свойств поведения программ. Основной упор был сделан на поиске свойств поведения программ, инвариантных относительно вычислительных сред, и использование этих свойств для анализа4 сиотемной производительности распределенных вычислительных систем.
Теоретичесую основу исследования составила созданная автором математическая модель, описывающая функционирование распределенных вычислительных систем. Эта модель имеет принципиальные отличия от известных на сегодня моделей. В отличие от них она охватывает не только алгоритмические аспекты поведения программного обеспечения, но и
характеристики физической среды распределенных вычислительных систем, явно включает время как количественную сущность. В рамках этой модели исследованы:
взаимосвязь различных семантик параллелизма;
взаимосвязь времени и поведения программ;
предложен способ описания поведения программ на основе операционного подхода;
- дана математическая постановка задачи анализа
производительности и разработан метод ее решения.
Ключевыми елементами диссертации являются исследования концепции инварианта поведения программы и концепции комплексного подхода к имитационному моделированию распределенных вычислительных систем. Под инвариантом поведения программы понимается такая форма представления поведения программы, которая не зависит от вычислительной' среды ее исполнения, отражает все связи по управлению и информации, присущие программе. Основу концепции комплексного подхода составляет схема моделирования, которая позволяет в рамках единой системы исследовать как алгоритмические, так и количественные характеристики объекта моделирования.
На основе этих концепций и математической модели функционирования распределенных вычислительных систем разработана новая методика анализа и оценки производительности, основанная на инварианте поведения программ, для распределенных вычислительных систем. Эта методика позволяет:
- оценивать системную производительность распределенных
вычислительных систем, не создавая прототипа или
емулятора команд анализируемой системы:
прогнозировать поведение программ в новой
вычислительной среде на отапе ее проектирования;
- дает контролируемую точность оценок. Эта методика также применима при разработке крупных проектов, когда на отапе создания нельзя собрать в одном месте все компоненты разрабатываемой системы. Ее можно применять для проверки согласованности динамических характеристик программного обеспечения требованиям технического задания в системах реального времени.
Новизну предлагаемого подхода определило следующее. Во-первых, он создавался, исходя из особенностей поведения программ в распределенных вычислительных системах, а не выявления точек потери производительности, как это сделано в большинстве работ. Во-вторых, акцент был сделан на создании унифицированной технике измерений и наблюдения, в отличии от доминирующего и у нас и за рубежом подхода, когда для сбора определеішой совокупности характеристик поведения программы строится своя система измерений и наблюдения.
Практическая значимость работы выражается в использовании разработанных методов, алгоритмов и инструментальных средств измерения, описания и анализа поведения программ в конкретных экспериментальных системах. созданных в лаборатории Вычислительных комплексов кафедры Автоматизации систем вычислительных комплексов в рамках следующих НИР: "Исследование методов обработки информации в неоднородных
вычислительных средах" (Гос.per.N 81024433 задание 05.01 ЦКП О.Ц.027); "Исследование структур распределенных вычислительных систем и методов обработки информации в них" (Гос.per.N 01860113552 задание 06.01.А НТП 0.80.03) .
Полученные результаты использовались в прикладных НИР "Исследование структур программируемых устройств доступа в локальной сети высокопроизводительной ВС"; "Разработка и исследование комплекса моделей встроенного программного обеспечения сетевых транспорных станций и устройств"; "Исследование методов анализа поведения управляющих вычислительных комплексов".
О практической значимости работы говорит тот факт, что полученные результаты и практические наработки используются в НИР, выполняемых по важнейшей тематике в соотвествии с оощегосударственными научно-исследовательскими программами* "Разработка и исследование принципов експериментальний оценки эффективности архитектуры вычислительных структур функциональных модулей БВКУ с использованием средств имитационного моделирования"; НИР "Салют-У"; "Пальмира"; "Создание математической модели функционирования параллельных вычислительных систем с децентрализованным управлением"; "Исследование вычислительных систем с динамической структурой и методов обработки информации в них".
Апробация работы. Полученные результаты доложены на 8 международных совещаниях, всесоюзных конференциях, Всесоюзной конференции по суперЭВМ (Минск 1987), Всесоюзной школе семинаре по сетям ЭВМ 1988,1989,1990 гг., семинаре отдела
математики ИПК АН СССР, Ломоносовских чтениях 89,90 гг., Всесоюзной конференции по параллельным вычислениям (Новосибирск 1989). Советско-Болгарском семинаре (Гилечица 1990), П Научной школе по вычислительным наукам и супер ЭВМ "Лебедевские чтения"(Одесса 1990), Совещание РГ МПТ при ГКНТ СССР(Таллин 1990), семинаре ВЦКЛ АН СССР, Московском общегородском семинаре 'по программированию.
По теме диссертации опубликовано в откратой печати 34 работы, полностью отражающие основные результаты диссертации. Прикладные результаты также представлены в ряде научных отчетов по ьышеперечисленним ШР. Основные публикации по теме диссертационной работы приведены в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 309 страницах и имеет два приложения. Она сотоит из введения, пяти глав и заключения. Суммарный объем библиографии насчитывает 272 наименования.
