Исследование и разработка методов и средств моделирования многоуровневой оперативной памяти для проектирования высокопроизводительной ЭВМ на системном этапе Кузьмин, Юрий Михайлович

Введение к работе

Актуальность проблемы. Рост сложности задач, решаемых на современных ЭВМ, предъявляет повышенные требования к быстродействию тракта процессор-память и одновременно к емкости оперативной памяти. Необходимость удовлетворения этих двух требований привела к тому, что оперативная память (ОПП) высокопроизводительных ЭВМ выполняется многоуровневой, где уровень, наиболее близкий к центральному процессору (кэш), работает с тактом процессора.

При проектировании ЭВМ на системном этапе решается проблема выбора организации ОПП в целом, размера и быстродействия каждого из ее уровней в зависимости от характеонешк предполагаемой рабочей нагрузки. Данная проблела требует максимально точного решения, чтобы ошибки не тиражировались на следующих этапах проектирования. Однако в настоящее время отсутствуют методы ее решеїшя из-за отсутствия точных аналитических моделей взаимодействия рабочей нагрузки с ОПП. Получить необходимые для проектирования точные данные можно либо путем непосредственных замеров на ЭВМ-прототипе, либо с помощью детального имитационного программного моделирования на базе трасс обращений реальной рабочей нагрузки к памяти. Последнее направление является более предпочтительным в связи с его большей универсальностью, гибкостью и меньшей стоимостью.

В наибольшей степени данное направление исследований развивалось в работах таких зарубежных авторов, как Agarwail Л., Goodman J.R., Pohm A.V., Smith Л.J., Stone H.S., Thiebaiu D. и др. Однако обилие работ на эту тему еще не вывело ее из рамок эмшпмпесклх исследований, несмотря на то, что уже давно сложилась острая потребность в переходе от констатации полученных при моделировании ОПП результатов к достаточно точным моделям взаимодействия обращений программ с многоуровневой оперативной памятью, предсказывающим влияние параметров ее структуры и рабочей нагрузки на общую эффективность ОГГП. В нашей стране в работах Бре-хова О.М., Когана Я.А, Козияского Л.Б., Слуцкина А.И. и др. отражены результаты проводившихся работ в данной области, однако, в основном по причине отсутствия у отечественных ученых средств получения трасс программ, объем проводившихся исследований был незначительным.

В сложившейся ситуации актуальной является задача разработки таких методов и средств моделирования многоуровневой ОПП, которые позволяли бы с требуемой точностью оценивать влияние на ее эффективность параметров организации самой памяти, параметров организации вычислительного процесса и параметров рабочей нагрузки, а также позволяли бы упростить для разработчиков ОПП построение ее точных рабочих моделей . Решению данной задачи и посвящена настоящая работа.

Пель работы. Целями данной диссертационной работы являются: 1) создание методики определения рациональной структуры (варианта организации) многоуровневой ОПП; 2) создание аналитической модели функционирования многоуровневой ОПП для возможности формальной постановки и решения задач оптимального проектирования.

Задачи исследований. Для достижения поставленных целей потребовалось решение следующих задач:

анализ процессов, протекающих в кэш; анализ работы кэш во времени;

анализ работы и эффективности кэш в условиях мультипрограммирования;

оценка влияния работы подсистемы ввода-вывода на эффективность кэш;

оценка влияния параметров программ на эффективность кэш;

комплексная оценка эффективности двухуровневой и многоуровневой ОПП;

исследование эффективности различных вариантов разделения (команды и данные, задача и управляющая программа и т.д.) и расслоения кэш;

исследование влияния на эффективность ОПП алгоритмов замещения, выборки и записи.

Методы исследований. При решении задач данной диссертационной работы были использованы методы имитационного моделирования, теории вероятностей, математической статистики, регрессионного анализа.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложен и обоснован подход к анализу многоуровневой ОПП, основанный на анализе параметров выбранного набора процессов, протекающих в ОПП.

2. Получены статистические характеристики процессов, протекающих в двухуровневой ОПП, и характеристики взаимосвязи этих процессов.

3. Разработаны аналитические модели для оценки параметров рабочей нагрузки.

4. Разработаны аналитические модели для комплексной оценки эффективности многоуровневой ОПП.

5. Разработаны регрессионные модели взаимодействия рабочей нагрузки и двухуровневой ОПП в рамках процессов, протекающих в ОПП.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

6. Разработаны методы, модели и алгоритмы, позволяющие формализовать процесс проектирования структуры многоуровневой ОПП на системном этапе, где в значительной мере закладывается качество проектируемой ЭВМ.

7. Разработан комплекс программ, включающий программу имитационного моделирования двухуровневой ОПП на базе трасс программ, программу формирования синтетических многопрограммных трасс и программу анализа параметров трасс программ.

3. Предложена методика выбора трасс программ, пригодных для использования при моделировании двухуровневой ОПП, включающая: выбор программ для трассировки, выбор формы и длины трассы, формирование искусственных трасс многозадачного режима работы.

4. Представлены результаты анализа эффективности кэш для различных потоков обращений, позволяющие практігчески оценивать эффективность разделения кэш на части по различным признакам.

5. Предложена методика выбора параметров модели рабочей нагрузки применительно к поставленным задачам и целям исследования.

6. Получены количественные оценки степени взаимосвязи параметров рабочей нагрузки с параметрами структуры и эффективности ОІ111.

Основные научные положения, выносимые на защиту; !. Подход к анализу многоуровневой ОПП, основанный на анализе параметров выбранного набора процессов, протекающих в ней.

2. Модели для оценки параметров рабочей нагрузки.

3. Статистические характеристики процессов, протекающих в двухуровневой ОПП, и характеристики взаимосвязи этих процессов.

4. Модели для комплексной оценки эффективности многоуровневой ОПП.

5. Методика выбора трасс программ, пригодных для использования при моделировании двухуровневой ОПП.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений, занимающих 222 страницы текста, в том числе 38 рисунков и 32 таблицы на 27 страницах, список использованной литературы из 136 наименований на 15 страницах, приложение на 6 страницах.

Реализация и внедрение. Теоретігческие и практические результаты, полученные автором, использованы в четырех научно-исследовательских хоздоговорных работах, выполненных на кафедре "Электронные вычислительные машины" Рязанской государственной радиотехнической академии по заказам НИЦЭВТ и ОКБ "Спектр", и нашли применение в разработках этих предприятий: в НИЦЭВТе - при разработке ОПП для ЭВМ ЕС 1087, ЕС1181 и ЕС1191, а в ОКБ "Спектр" - при разработке многоуровневой памяти для распределенной системы управления испытаниями. Документы, подтверждающие внедрение результатов работы в указанных организациях, приведены в приложении. Кроме того, результаты диссертационной работы используются в учебном процессе Рязанской государственной радиотехнической академии на кафедре ЭВМ.

Публикации. По результатам диссертации автором опубликовано 10 работ.

Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждены на всесоюзной школе-семинаре "Разработка и применение в народном хозяйстве ЕС ЭВМ" (г. Кишинев, 1985), на всесоюзной школе-семинаре "Разработка и внедрение в народное хозяйство САПР ЭВМ" (г. Ереван, 1986 г.), на всесоюзной конференции "Моделирование систем информатики" (г. Новосибирск, 1988 г.), на всесоюзном совещании "Перспективы развития и опыт эксплуатации высокопроизводительных комплексов" (г. Днепропетровск, 1988 г.), на всесоюзной школе-семинаре "Разработка и внедрение в народное хозяйство ЕС ЭВМ" (г. Киев, 1989 г.), на заседании Советского национального комитета по математическому и машинному моделированию (г. Рязань, 1989 г.).