Содержание к диссертации
Введение
1. Расчет характеристик и оптимизация параметров ЦВК на базе мультипрограммной ЭВМ как сети массового обслуживания 20
1.1. Описание работы мультипрограммной ЭВМ как сети массового обслуживания 20
1.2. Расчет характеристик работы ЦВК для трех вариантов реализации управляющей программы, состоящей из двух подсистем обработки прерываний 38
1.3. Выбор варианта реализации управляющей программы и оптимизация параметров ЦВК 80
Выводы 85
2. Имитационная модель работы ЦВК на базе мультипрограммной ЭВМ и проверка на адекватность аналитической модели 87
2.1. Комплекс программ расчета характеристик работы мультипрограммной ЭВМ на основе аналитической модели 89
2.2. Комплекс программ имитационного моделирования для определения характеристик работы мультипрограммной ЭВМ 107
2.3. Сравнение результатов аналитического моделирования с данными, полученными на имитационной модели 131
Выводы 139
3. Пакет программ для реализации управляющей программы ЦБК системы автоматизации научных исследований на базе ЭВМ М-4030 - 140
3.1. Назначение, состав и особенности пакета программ 140
3.2. Организация ввода и выполнения заданий в системе коллективного пользования.. 149
3.3. Входные языки системы коллективного пользования.. 152
3.4. Средства пакета программ для организации решения задач в диалоговом режиме 158
3.5. Генерация общесистемного программного обеспечения конкретной СКП 163
3.6. Применение пакета программ для ввода и обработки экспериментальных данных. 168
Выводы., 172
Заключение 174
Литература 178
Приложение 190
- Описание работы мультипрограммной ЭВМ как сети массового обслуживания
- Расчет характеристик работы ЦВК для трех вариантов реализации управляющей программы, состоящей из двух подсистем обработки прерываний
- Комплекс программ расчета характеристик работы мультипрограммной ЭВМ на основе аналитической модели
- Назначение, состав и особенности пакета программ
Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время в науке, как сфере производства новой информации, сложилось такое же положение, как и в сфере производства материальных благ, - прирост количества продукции возможен только за счет увеличения производительности труда ІХІ. Учитывая то, что темпы научно-исследовательских работ непосредственно влияют на рост производительных сил общества, с особенной остротой встал вопрос повышения производительности труда научных работников
Развитие научного приборостроения за последние десятилетия в корне изменило характер исследовательских работ. Современные методы исследований существенно сократили время, необходимое для проведения научных экспериментов. Это привело к громадному росту расчетных работ и возникновению противоречия между скоростью получения информации на современной научной аппаратуре и временем, необходимым для подготовки этой информации к вводу в ЭВМ. Разрешение этого противоречия привело к интенсивной разработке и использованию систем автоматизации научных исследований (АНИ).
Системы АНИ предназначены для сбора и обработки научной информации, управления научными приборами и экспериментальными установками [_ 3 J . Разработка систем АНИ предусматривает создание развитой технической базы и математического обеспечения на различных уровнях и этапах автоматизации. Выделяют следующие основные этапы АНИ [_ 4 J : автоматизация получения экспериментальных данных; автоматизация обработки экспериментальных данных с целью, во-первых, приведения их к виду, удобному для последующего использования, во-вторых, с целью извлечения из них новой информации; автоматизация процессов хранения, поиска и воспроизведения экспериментальных данных и аналитической информации; автоматизация процессов планирования и управления экспериментами и основанными на них научными исследованиями.
Для выполнения перечисленных этапов автоматизации необходимы технические средства теледоступа к ЭВМ для работы в интерактивном режиме и специальная аппаратура, связывающая источники экспериментальных данных с базовой ЭВМ. Кроме того, чрезвычайно актуальной является также задача разработки для АНИ соответствующего общесистемного программного обеспечения (ПО), расширяющего штатную операционную систему (ОС) базовой ЭВМ.
Для решения многоцелевых задач АНИ институтов Томского филиала СО АН СССР на базе Института оптики атмосферы создается система АНИ коллективного пользования Г 5,6 J Первая очередь этой трехуровневой системы АНИ состоит из центрального вычислительного комплекса (ЦБК) - на базе ЭВМ М-4030, коммуникационного процессора - на базе ЭВМ СМ-4 и аппаратуры КАМАК , подсистем АНИ - на основе мини- и микро-ЭВМ .
В диссертации с помощью методов теории массового обслуживания решается актуальная задача выбора наилучшего варианта реализации общесистемного ПО, расширяющего штатную ОС мультипрограммной ЭВМ (МП ЭВМ) для решения задач АНИ. Теоретические исследования, выполненные в настоящей работе, легли в основу разработанного автором специализированного пакета программ "Система коллективного пользования на базе ЭВМ М-4030 и произвольных терминалов", представленного в дис- сертации.
Работа выполнялась на основании: координационного плана работ по научно-технической проблеме "Кибернетика, управление, автоматизация", раздел -"Автоматизация научных исследований", утвержденного постановлением Президиума СО АН СССР № 23 от 12 января 1976 г.; постановления Государственного комитета СССР по науке и технике: Государственного планового комитета СССР и Президиума Академии наук СССР № 474/250/132 от 12 декабря 1980 г. по решению целевой комплексной научно-технической программы 0.Ц.027 "Создание и развитие автоматизированных систем научных исследований и систем автоматизированного проектирования с применением стандартной аппаратуры КАМАК и измерительно-вычислительных комплексов";
3) распоряжения Президиума АН СССР № 10103-397 от 4 марта 1981 г. о программе работ на I98I-I985 г.г. по реше нию целевой комплексной научно-технической программы 0.Ц.027', задание 01.31 - "Создать и ввести в эксплуатацию автоматизи рованную систему научных исследований коллективного пользо вания на базе Института оптики атмосферы".
Состояние вопроса. Штатные ОС мультипрограммных ЭВМ, используемых в качестве ЦБК в системах АНИ, обслуживают только устройства конкретных типов, входящие в состав базового комплекта ЭВМ. Некоторые из ОС ЭВМ имеют минимальный необходимый набор программных средств |_ 7 J , применение которых позволяет создавать на их основе дополнительное ПО для работы ЭВМ с "нестандартными" внешними устройствами. Последними по отношению к ЭВМ являются разнообразные (часто уникальные) технические средства экспериментальных исследований. Другие ОС для обеспечения обслуживания на ЭВМ "нестандартных" уст- ройств пришлось дорабатывать I 8 , 9 J . В обоих случаях создается некоторая программная надстройка над штатной ОС, расширяющая ее возможности и работающая под ее управлением. Для краткости изложения любую такую надстройку над штатной ОС ЭВМ будем в дальнейшем называть управляющей программой (УП).
Разнообразие имеющихся подходов к разработке УП, их ориентация на использование в системах АНИ (САНИ) конкретных "нестандартных", терминалов сильно затрудняют тиражирование УП и приводят в целом по стране к излишним потерям. Предложение Г 9 , 10 I подключения "нестандартных" терминалов к ЦБК САНИ через промежуточную малую ЭВМ, учитывающую их специфику, облегчает решение проблемы разработки общесистемного ПО базовой ЭВМ ЦБК САНИ и часто целесообразно, но, к сожалению, не всегда приемлемо при автоматизации некоторых экспериментов из-за больших объемов и скоростей ввода данных. В связи с этим при решении некоторых конкретных задач автоматизации экспериментальных исследований возникает необходимость в подключении уникальных устройств непосредственно к базовой ЭВМ ЦБК САНИ ГII, 12, 13 J . Поэтому одной из актуальных задач разработки общесистемного ПО ЦБК САНИ является проектирование и реализация таких УП, которые можно легко адаптировать к используемым в организациях конкретным "нестандартным" терминалам и требуемым режимам работы базовой ЭВМ. Это будет способствовать тиражированию УП и их живучести , т.к. для научных исследований характерно относительно быстрое обновление экспериментального оборудования.
В настоящее время эффективность использования ЭВМ в режиме диалога "человек - машина" уже доказана[І4~| . УП, обеспечивающие работу на связи с ЭВМ "нестандартных" терминалов являются той основой, на базе которой создаются различные проблемно-ориентированные диалоговые системы Гі5,І6,І7 J . Диалоговые системы часто создаются под использование серийно выпускаемых терминалов конкретного вида, обслуживание которых обеспечивается УП Гі5# 16, I8J. Такая ориентация разработки диалоговых систем оправдана созданием наибольших удобств для ее потенциальных пользователей, но дополнительно затрудняет тиражирование УП и работающих на их основе диалоговых систем. Поэтому одной из актуальных задач разработки общесистемного ПО ЦБК САНИ является создание таких программных средств для организации решения задач в диалоговом режиме, которые не зависят от конкретных видов используемых в САНИ терминалов. Это особенно важно, если учесть, что в качестве одной из сторон диалога может выступать уникальная аппаратура проведения экспериментов, требующая управляющих воздействий от ЭВМ.
Разработка УП связана не только с необходимостью обеспечения работы на связи с ЭВМ "нестандартных" устройств, отсутствующих в ее базовом комплекте. В настоящее время на многих ЭВМ часто имвет место иерархия УП (надстроек над ОС, используемой на ЭВМ). Эти УП реализуются как части супервизора ОС ЭВМ или работают в виде системных задач в отдельных программных разделах оперативной памяти (ОП) ЭВМ |_ 8, 18 - 22J. Они реализуют те или иные функции, связанные с расширением сферы использования ЭВМ и с повышением производительности ее работы за счет реализации новых режимов выполнения проблемных программ на ЭВМ. На практике разработке каждой новой УП часто предшествует постановка и решение одной или нескольких оптимизационных задач, связанных с ее реализацией.
Переход от однопрограммного режима работы ЭВМ к мультипрограммному, при котором в ОП одновременно находится и вы- полняется по частям несколько заданий [23 | , вызвал рассмотрение и решение разнообразных оптимизационных задач по повышению эффективности использования ЭВМ. Большинство из этих задач связано с организацией вычислительного процесса при следующих трех основных режимах использования ЭВМ Г24І.
При работе ЭВМ в режиме пакетной обработки информации основной целью организации вычислительного процесса является минимизация суммарного времени выполнения заданий. Это достигается путем варьирования числа программных разделов и их размеров в ОП, распределения заданий по программным разделам и определения порядка их выполнения с целью достижения наиболее полного использования возможностей параллельной работы различных устройств ЭВМ |_ 25 - 29 и дрЛ.
При использовании ЭВМ в режиме реального времени важно своевременно выполнить различные программы при заданных ограничениях на сроки решения задач, имеющих различную относительную важность. Это приводит к постановке задачи определения оптимальной в некотором смысле стратегии диспетчирования заданий путем оценки и сравнения ряда стратегий, допустимых для конкретной вычислительной системы по соображениям их практической реализуемости I 24, 30 - 34 и дрЛ.
При работе ЭВМ в режиме разделения времени, широко используемого в системах телеобработки данных, наиболее важным показателем эффективности ее работы является среднее время выполнения на ЭВМ одного задания. Этот показатель зависит от многих факторов. Такими факторами могут быть: дисциплина предоставления программам абонентов центрального процессора (ЦП) ЭВМ; число обслуживаемых абонентов; величина кванта времени ЦП, отводимого программам на - II - непрерывное выполнение; объем ОП, имеющейся на ЭВМ; величина системных затрат времени ЦП, необходимого для выполнения "свопинга".
Имеется большое количество отечественных и зарубежных работ, посвященных исследованию и оптимизации работы ЭВМ в режиме разделения времени I 34 - 43 и др. .
Большинство работ по повышению эффективности использования МП ЭБМ связано с выбором организации вычислительного процесса и оптимизацией его параметров. Однако решив задачу об оптимальной организации функционирования мультипрограммной ЭВМ, можно поставить и решить новую оптимизационную задачу -выбрать наилучший вариант реализации с а м о й УП, осуществляющей эту организацию вычислительного процесса I 44 J .
В настоящей работе решается одна из таких оптимизационных задач - задача о выборе наилучшего варианта реализации УП с точки зрения числа программных разделов, необходимых для размещения УП в ОП ЭВМ, и распределения в них ее подсистем Г 45 J
Целью работы является: исследование функционирования ЦВК на базе мультипрограммной ЭВМ при различных вариантах реализации УП с целью выбора из них наилучшего при заданной целевой функции, параметрах вычислительной системы и режимах ее работы; разработка для ЭВМ М-4030 на основе результатов теоретического исследования общесистемного программного обеспечения, способного адаптироваться к "нестандартным" терминалам и режимам их использования в конкретных САНИ.
Задачи исследования. Наличие определенных успехов в об- ласти моделирования и оптимизации работы МП ЭВМ обусловило проведение в работе анализа известных разработок и постановку задачи исследования, включающую следующие основные вопросы: разработка и обоснование математической модели работы МП ЭВМ под управлением операционной системы и УП; разработка конструктивных методов расчета характерис^-тик работы МП ЭВМ, используемой в САНИ в качестве ЦБК; экспериментальное исследование разработанных методов и их практическая реализация в виде программных комплексов; экспериментальная проверка разработанных методов с помощью программ имитационного моделирования; разработка с учетом полученных теоретических результатов общесистемного программного обеспечения ЦБК САНИ на базе ЭВМ М-4030 и произвольных терминалов.
Методика исследований. Методической основой диссертационной работы являются элементы исследования операций, теории массового обслуживания, имитационного моделирования и модульного программирования.
Научная новизна работы заключается вследующем.
I. На основе теории массового обслуживания разработана новая методика приближенного расчета характеристик работы МП ЭВМ таких как, среднее время обработки прерываний, средние длины очередей из запросов на обработку прерываний, вероятности различных состояний УП и т.д. Предлагаемая методика основана не только на традиционном моделировании работы МП ЭВМ сетью массового обслуживания, но и на представлении УП ЭВМ в виде нескольких взаимодействующих подсистем и включении их в состав исследуемой модели. Обслуживание заявок (прерываний разных классов) осуществляется не непосредственно на имеющихся в сети приборах (ЦП и ВЗУ ЭВМ), а опосредованно - через - ІЗ - подсистемы ЛІ. Подсистемы УП обслуживают заявки, используя в свого очередь общие вычислительные ресурсы ЭВМ. Такая опо-средованность обслуживания заявок позволяет учесть в модели особенности взаимодействия подсистем УП, вытекающие из варианта её реализации, что делает модель более адекватной реальной системе.
2. Для случая больших загрузок МП ЭВМ и УП, состоящей условно из двух наиболее часто работающих подсистем, на основе предложенной методики получены конкретные формулы и рекуррентные соотношения, которые позволяют рассчитать характеристики обработки прерываний, поступающих от терминалов абонентов и от выполняющихся на ЭВМ проблемных программ. Эти формулы выведены для трех возможных вариантов реализации УП, состоящей из двух подсистем, что позволяет выбрать из них наилучший для конкретной вычислительной системы и тем самым дополнительно повысить эффективность её работы. Полученные формулы в отличие от результатов работ других авторов учитьшают следующие особенности реального процесса функционирования УП по обработке прерываний: конечность множества источников прерываний; переменная интенсивность поступления прерываний, зависящая от текущего состояния УП; нелинейность зависимости интенсивности поступления прерываний от проблемных программ от числа активных программных разделов; блокирование поступления прерываний от проблемных программ на периодах времени, в течении которых УП использует ЦП ЭВМ.
Практическая ценность и внедрение работы. На основе выполненных в диссертации исследований разработаны два комплекса программ, соответствующие аналитической и имитационной моделям работы мультипрограммной ЭВМ под управлением УП. Они позволяют численно оценивать значения характеристик работы мультипрограммной ЭВМ при заданных параметрах вычислительного комплекса и любого из трех рассмотренных в диссертации вариантов реализации УП. Комплекс программ аналитической модели реализован на языке ФОРГРАН-4 для ЕС ЭВМ и ЭВМ М-4030. Общий объем программ комплекса составляет около 1200 операторов. Программно-имитационный комплекс реализован на языках Ф0РГРАН-4 и Макроассемблер для ЕС ЭВМ и ЭВМ М-4030. Общий объем программ комплекса составляет около 1400 операторов.
Для создания общесистемного ПО конкретных САНИ, использующих в качестве ЦВК ЭВМ М-4030 с операционной системой ДОС АСВТ, разработан специализированный пакет программ "Система коллективного пользования (СКП) на базе ЭВМ М-4030 и произвольных терминалов" Г46 J. Пакет программ СКП реализован на Ассемблере и Макроязыке с использованием принципов модульного программирования и методов макрогенерации. Пакет содержит в своем составе более 150 взаимоувязанных макрокоманд, модулей и фаз и вместе с исходными текстами программ и инструктивными материалами поставляется на магнитных лентах.
Пакет программ СКП внедрен и используется в нескольких организациях.
В Моторостроительном конструкторском бюро (г.Пермь) использование пакета программ СКП позволило относительно быстро создать общесистемное ПО для терминальных комплексов на базе двух ЭВМ М-4030 и видеотерминалов BT-I и РИН-609. Экономический эффект от использования пакета программ СКП составил 38 тысяч рублей в год.
В Институте оптики атмосферы Томского филиала СО АН СССР с помощью пакета программ СКП создано общесистемное программное обеспечение ЭВМ М-4030, являющейся одним из ЦВК системы
АНИ, создаваемой для академических институтов Томского филиала по целевой комплексной научно-технической программе О.Ц. 027. Пакет программ СКП обеспечивает работу терминального комплекса на базе ЭВМ М-4030 и терминалов: дисплей типа видеотон ВТ-340; малые ЭВМ МЙР-2,-которые кроме Института оптики атмосферы расположены также в Специальном конструкторском бюро научного приборостроения "ОПТИКА" и в средней школе № 9; - ЭВМ СМ-4, связывающей подсистемы автоматизации нижнего ' уровня с ЦБК САНИ.
Экономический эффект от использования терминального комплекса для дистанционной подготовки заданий и решения задач на ЭВМ М-4030 в интерактивном режиме составил 83 тысячи рублей в год. Кроме того, на основе пакета программ СКП в Институте оптики атмосферы работает аппаратурно-программный комплекс (АПК) для высокоскоростного ввода и обработки на ЭВМ М-4030 экспериментальных данных больших объемов ГіЗ»47~] . Использование АПК в несколько раз повысило эффективность экспериментальных исследований и позволило получить качественно новые результаты. Экономический эффект от использования АПК, работающего на основе созданного автором общесистемного программного обеспечения, составил 169 тысяч рублей в год.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на I Всесоюзной школе-семинаре "Системное использование и модернизация ЭВМ серии МИР" (г.Пушино, 1975 г.), I Всесоюзном совещании по атмосферной оптике (г.Томск, 1976 г.), X Всесоюзной школе по автоматизации научных исследований (г.Ленинград, 1977 г.), Восточно-Сибирском региональном совещании "Диалоговые изме- рительно-вычислительные комплексы" (г.Иркутск, 1980 г.), выездном заседании секции математического обеспечения Совета по АНИ при Президиуме АН СССР (Томск, 1981 г.), УІ Всесоюзном симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере (г.Томск, 1981 г.), научно-практической конференции "Молодые ученые и специалисты - народному хозяйству" (г.Томск, 1983 г.), Ш Всесоюзном совещании по атмосферной оптике и актинометрии (г.Томск, 1983 г.), научных семинарах отдела автоматизации научных исследований Института оптики атмосферы СО АН СССР (г.Томск, 1975-1984 г.г.), научных семинарах кафедры теории вероятности и математической статистики факультета прикладной математики и кибернетики Томского госуниверситета им. В.В.Куйбышева (1982-1984 г.г.), научных семинарах отдела кибернетики Сибирского физико-технического института им. В.Д.Кузнецова (1983-1964 г.г.).
По материалам диссертации опубликовано 14 работ [іЗ,44-5б]. Структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и приложения.
Во введении подчеркивается актуальность задачи, решаемой в диссертационной работе, дается обзор близких по тематике работ, формулируются цели исследования, кратко характеризуется сама диссертационная работа.
В первой главе дается краткий обзор оптимизационных задач, ранее поставленных и в разной степени решенных различными авторами с целью повышения эффективности использования МП ЭВМ. Формулируется новая оптимизационная задача, решение которой позволяет дополнительно повысить эффективность функционирования МП ЭВМ для уже найденного оптимального варианта организации вычислительного процесса. Для этого рассматриваются особенности реализации управляющих программ, осуществляющих ту или иную оптимальную организацию вычислительного процесса на МП ЭВМ. Предлагается новая методика расчета характеристик работы МП ЭВМ, основанная не только на традиционном моделировании ее функционирования сетью массового обслуживания, но и на представлении УП в виде нескольких взаимодействующих подсистем и включении их в состав исследуемой модели. Предложенная методика использована для расчета характеристик работы МП ЭВМ с УП, которая состоит из двух наиболее часто работающих подсистем, предназначенных для обработки прерываний от терминалов и от выполняющихся на ЭВМ программ. Для такой УП возможны три варианта ее реализации, отличающиеся размещением подсистем УП по программным разделам оперативной памяти ЭВМ. Для каждого из трех вариантов реализации УП рассмотрены процессы обработки прерываний в УП при больших загрузках вычислительной системы. Для этих процессов составлены системы уравнений Колмогорова для нахождения финальных вероятностей состояний УП. При этом были учтены специфические дисциплины поступления и обслуживания прерываний в УП, вытекающие из особенностей варианта ее реализации и взаимодействия с операционной системой ЭВМ. Решения систем уравнений Колмогорова получены в виде конкретных формул и рекуррентных соотношений і на основе которых разработан комплекс программ аналитической модели для расчета характеристик обработки прерываний в УП. Этот комплекс программ, описанный во второй главе работы, позволяет оценить значения характеристик обработки прерываний и сравнить три варианта реализации УП с целью выбора из них наилучшего при заданной целевой функции и параметрах вычисли-тельной системы. В результате сравнения вариантов реализации УП показано, что при больших загрузках вычислительной системы они существенно отличаются друг от друга по скорости об- - 18 -работки однотипных прерываний. На основании этого делается вывод, что,выбрав наилучший вариант реализации УП,можно дополнительно повысить эффективность работы МП ЭВМ. В то же время подчеркивается, что выбор наилучшего варианта реализации УП существенно зависит от принятой целевой функции и параметров конкретной вычислительной системы. Вследствие этого делается вывод о целесообразности разработки пакета программ, который позволял бы создавать общесистемное программное обеспечение для ЭВМ с конкретной операционной системой и любым из рассмотренных вариантов реализации УП.
Вторая глава диссертационной работы посвящена проверке аналитической модели с помощью имитационной модели. Кратко описываются два комплекса программ, соответствующих аналитической и имитационной моделям. Полученные с их помощью результаты расчета характеристик обработки прерываний в УП приводятся в виде графиков и таблиц для каждого из вариантов реализации УП. Сравнение результатов аналитического и имитационного моделирования показывает их совпадение с доверительной вероятностью 0.95 для случая большой загрузки вычислительной системы, при которой УП почти постоянно занимается обработкой прерываний от терминалов и программ. Тем самым подтверждается справедливость выводов, сделанных на основе аналитического моделирования в первой главе диссертационной работы.
В третьей главе кратко описывается разработанный автором пакет программ "Система коллективного пользования на базе ЭВМ М-4030 и произвольных терминалов". Пакет программ предназначен для быстрого создания на ЭВМ М-4030 общесистемных программных средств, расширяющих штатную операционную систему ДОС АСВТ. При этом УП для ЭВМ М-4030 может быть создана по любому из трех рассмотренных в диссертационной работе вариантов ее реализации, наиболее подходящему для конкретного ЦБК. Описываются средства пакета для создания на ЭВМ М-4030 многоцелевых систем коллективного пользования (СКП), осуществляющих ввод, накопление и обработку экспериментальных данных, дистанционный запуск и отладку проблемных программ, решение задач в диалоговом режиме. Подчеркивается, что в отличие от аналогов пакет программ не ориентирован на использование терминалов конкретного вида. Он обеспечивает работу на связи с ЭВМ М-4030 любых терминалов, каким-либо образом подключенных к ЭВМ. Последнее демонстируется в главе описанием применения в качестве терминалов ЭВМ М-4030 разнотипных внешних устройств, в том числе уникального аппаратурно-программного комплекса, работающего на основе пакета программ СКП и предназначенного для исследования распространения излучения в атмосфере. Диалоговые средства пакета программ и его адаптируемость, обеспеченная идеологией разработки и предоставлением пользователям исходных текстов программ и описаний межпрограммных интерфейсов, открывают широкие возможности по применению пакета программ для создания на его основе различных подсистем АСУ и АНИ.
В заключении приводятся основные выводы по результатам работы в целом.
Приложение содержит акты о внедрении результатов диссертационной работы.
При нумерации формул, рисунков и таблиц первая цифра указывает номер главы, а вторая - порядковый номер формулы, рисунка или таблицы в главе.
Описание работы мультипрограммной ЭВМ как сети массового обслуживания
Современные ЭВМ третьего поколения для работы в мультипрограммном режиме имеют специальные аппаратурные и программные средства. Одной из основных из них является система прерываний Г 57 . Прерывание программы - это временное прекращение выполнения ЦП текущей программы при возникновении некоторого события с передачей управления на специально предусмотренную для данного события программу, которая называется прерывающей 24 / . При работе МП ЭВМ имеется множество различных источников прерываний, запросы от которых могут поступать независимо друг от друга. В ЕС ЭВМ Г58J и АСВТ М-4030 I 59 все прерывания группируются в пять классов: I) от схем контроля машины; 2) программные; 3) при обращении к супервизору; 4) по сигналам от внешних источников; 5) от устройств ввода-вывода. Каждому классу прерывания соответствует своя прерывающая программа и приоритет обслуживания ЦП. Прерывания, принадлежащие одному классу, обрабатываются прерывающей программой последовательно в порядке их поступления. Поступившие одновременно прерывания из разных классов обрабатываются на ЭВМ в соответствии с абсолютными приоритетами этих классов. Если прерывания из разных классов поступают не одновременно, то их обработка на ЭВМ осуществляется по принципу AIFO ( Last Input - Fibt Output") [бо ] .
Это означает, что работа одной прерывающей программы может быть приостановлена из-за начала выполнения другой прерывающей программы.
Для реализации на МП ЭВМ новых функциональных возможностей, отсутствующих в штатной ОС ЭВМ и необходимых, например, для САНИ, создается та или иная УП, которая помещается в один или несколько программных разделов с наивысшим приоритетом и выполняется там в качестве системного задания, своеобразно расширяя прерывающие программы штатной ОС ЭВМ. В общем случае УП выполняет следующие основные функции Г20,48 , реализация которых к настоящему времени рассмотрена во многих работах с точки зрения оптимизации вычислительного процесса на ЭВМ: - организация ввода заданий абонентов с терминалов в ОП ЭВМ [бі, 62, 63 и др.] ; - выбор из очереди наиболее приоритетного задания для выполнения [ 30 - 34, 62, 63 и др] ; - инициация выполнения очередного задания в одном из программных разделов ОП [25,27,62,64 и др.] ; - установка статических или динамических приоритетов на использование ЦП программами уже выполняющихся заданий I 26, 35, 39, 40, 41, 65 и др.] ; - обеспечение различных форм диалога р?, 68, 69 и дрЛ ; - экспресс-обработка заданий, поступающих на УП с терминалов абонентов Г18, 47, 61, 66, 67 и др] ; - обслуживание выполняющихся на МП ЭВМ проблемных программ _34 - 43, 65, 66 и др.] ; - учет и контроль выполняемых на МП ЭВМ заданий Г 72, 73І.
Для реализации перечисленных функций УП создается в виде нескольких взаимосогласованных и взаимодействующих подсистем, каждая из которых является некоторьм расширением соответствующей прерывающей программы штатной ОС ЭВМ. Во время работы ЭВМ УП находится в основном в состоянии "ожидание событий", при котором ЦП ЭВМ не используется УП, а предоставляется проблемным программам, выполняющимся в разделах с более низкими приоритетами. Выполнение УП начинается при возникновении на МП ЭВМ прерываний, обработка которых предусматривалась в УП. В отличие от прерывающих программ штатной ОС ЭВМ подсистемы УП, находящейся в качестве системной задачи в одном или нескольких программных разделах, выполняются на ЭВМ не в состоянии "супервизор", а в состоянии "задача" [ 57 1 .
Расчет характеристик работы ЦВК для трех вариантов реализации управляющей программы, состоящей из двух подсистем обработки прерываний
Для оптимизации работы ЦБК необходимо найти характеристики обслуживания заявок в сети ШО, выраженные через параметры входных потоков заявок и обслуживающих приборов. Эти характеристики зависят также от используемой дисциплины предоставления ЦП подсистемам УП, которая в свою очередь существенно зависит от распределения подсистем обработки прерываний по программным разделам, занятым УП. Поэтому расчет характеристик обслуживания заявок в сети ШО выполним для каждого из трех вариантов реализации УП.
Определим наиболее важную числовую характеристику обслуживания заявок - среднее время пребывания заявки в сети СМО. Попутно найдем выражения для вычисления ряда других числовых характеристик.
В общем случае среднее время пребывания в сети СМО ( заявки ( t {р Т] ) состоит, очевидно, из пяти частей те хе (1#3) где tc \tw) - среднее объективно необходимое время обслуживания t -заявки прибором системы СМ0С (СМО ); t(? - среднее суммарное время всех перерывов в обслуживании -заявки в системе СМ0С; Ът - среднее время ожидания С-заявкой в очереди начала обслуживания (предоставления бункера СМ0С); ty - среднее суммарное время всех ожиданий -заявкой освобождения прибора CM0v. Значения Ъс и Ъу, не зависят от дисциплины обслуживания -заявки в сети СМО и совпадают со значениями соответствующих числовых характеристик обслуживания заявок в сети СМО, моделирующей выполнение на ЭВМ заданий в однопрограммном режиме [55J . Очевидно, для любого варианта реализации УП сред-„ее время премия Заявки в системе СМ0о Ц равно произведению средней продолжительности выполнения прибором СМ0С одного действия для -заявки f с на среднее число этих действий Же
Назовем р-периодами (т-периодами) занятости сети те периоды времени, которые начинаются поступлением в свободную сеть СМО р-заявки (т-заявки). В установившемся режиме сеть ШО попеременно то свободна от заявок, то обслуживает их. Периоды свободного состояния сети и ее занятости образуют циклы. Время пребывания любой заявки в сети СМО принадлежит, очевидно, только одному из периодов занятости сети. Следовательно, для вычисления числовых характеристик пребываний заявок в сети СМО можно ограничиться рассмотрением изменения их состояний только на периодах занятости сети. При первом варианте реализации УП, когда обе ее подсистемы находятся в одном программном разделе с наивысшим приоритетом, обслуживание заявок в системе СМО на каждом из периодов занятости сети осуществляется по одной из двух следующих дисциплин. С вероятностью KT7iT/(Kr}i А0) р-заявки имеют абсолютный приоритет на использование прибора СМ0„, а с вероятностью -Л. /(К /1 tM. ) блее высокий абсолютный приоритет в обслуживании принадлежит т-заявкам. Обозначим через t? (ts J среднее время пребывания -заявки в состоянии $7 $-{с W7 G Ту Vf, во время т-периода (р-периода) занятости сети. Тогда, учитывая дисциплину обслуживания заявок при первом варианте реализации УП, можно записать
Для нахождения неизвестных Ц , , ur и Ет рассмотрим поведение сети СЯЮ на ее периодах занятости и определим финальные вероятности ее состояний.
На р-периоде занятости можно считать, что р-заявка постоянно находится в сети СМО, не покидая ее. То есть при окончании обслуживания одной р-заявки на ее место, в бункер СМ0С, сразу же поступает другая р-заявка, находящаяся в очереди, Если это не так, то р-период занятости сети, очевидно, заканчивается. Поэтому при больших загрузках МП ЭВМ считаем, что на р-периоде в интервале ( Ь, Ь+dit) могут произойти лишь те изменения состояний сети СМО, которые изображены на рис.1.4, где каждой дуге стохастического графа переходов состояния сети СМО поставлены в соответствие интенсивности переходов, а вершинам графа - возможные состояния сети СМО. На р-периоде под состоянием сети ECL а. гь понимается вектор CL CL УЬТУ » где (Lfi - состояние бункерной р-заявки в сети СМО, Ял6ш,С,(тг; CL - состояние бункерной т-заявки, (t ilfO Vj; VbT - текущая длина очереди из т-заявок, имеющих на р-периоде более высокий абсолютный приоритет на обслуживание прибором СМ0С, Ґ1тв]0уі, ... 7Kr-lj . Обозначим через 1Тсто » Tfm Жсп. « Дл» %wn wcny 4 вероятности состояний сети СМО для установившегося режима, который существует, так как из графа переходов (рис. 1.4) видно, что эти состояния образуют один эргодический класс Г 79J . Финальные вероятности состояний сети СМО на ее р-перйоде занятости удовлетворяют следующим уравнениям Колмогорова:
Комплекс программ расчета характеристик работы мультипрограммной ЭВМ на основе аналитической модели
Комплекс состоит из 16 подпрограмм, написанных на языке FORTRPiJV-IV. Все подпрограммы комплекса разработаны на основе формул и рекуррентных соотношений, приведенных в соответству ющих разделах первой главы диссертации.
Подпрограмма WKB1XT осуществляет расчет характеристик обслуживания заявок во время т-периода занятости сети СМО. Подпрограмма написана на основе формул, приведенных в п. I.2.I. Обращение к подпрограмме имеет следующий вид
Назначение входных и выходных параметров подпрограммы было определено выше, но следует заметить, что значения выходных параметров относятся к т-периоду занятости сети СМО, на котором р-заявки имеют абсолютный приоритет на обслуживание прибором системы СМ0с. Нарис. 2.1 приведены графики зависимостей характеристик обслуживания р-заявок от числа терминалов КТ во время т-периода занятости сети СМО. Подпрограмма WXBIXTBO время своей работы использует подпрограммы WX1236, WB1PT и WW1TT, которые описываются ниже.
Подпрограмма WK123A вычисляет по формуле (1.2) текущую интенсивность поступления р-заявок в сеть СМО, зависящую от ее состояния. Обращение к подпрограмме имеет следующий вид
CALL WK№L (SAP?AP, Я7 KP.NPT) , где /VPT - входной параметр, содержащий число р-заявок, которое уже находится в сети СМО; NPT - переменная типа INTEGER: SAP - выходной параметр, содержащий значение текущей
интенсивности входного потока р-заявок; SLP -переменная типа REAL . Подпрограмма WX1Z5L является общей для всех подпрограмм расчета характеристик работы МП ЭВМ при любом из трех вариантов реализации УП.
Подпрограмма WKB1PT вычисляет финальные вероятности при первом варианте реализации УП. Подпрограмма написана на основе формул и рекуррентных соотношений, приведенных в п. I.2.I. Обращение к п/п имеет следующий вид
CALL WXB1PT(PPCI}PPWI, ?Q0, PPWCJPWV, РРШ, АТ,КТ, МТС, xWtPTItPTXAPJP.WCiMWPPlJPWj) .
Выходные параметры п/п РРСІ, PPWl , PPGC , PPWC , PPWV, PPQW соответствуют вычисляемым подпрограммой финальным вероятностям состояний сети (МО Есло EWI0 » Elcri э Elco » EWVn, , EQwn, . Параметры PPWC, РРСІ и PPWI представляют собой переменные типа REAA . Параметры PPGC , PPWV , PPGW - одномерные массивы чисел типа REAL . Число элементов в каждом из этих массивов равно КР.
Подпрограмма WKB1TT вычисляет средние продолжительности периодов прерывания обслуживания т-заявок прибором СМО во время т-периода занятости сети ШО при первом варианте реализации УП. Подпрограмма написана на основе формул и рекуррентных соотношений, приведенных в п. 1.2.1.2. Обращение в подпрограмме имеет следующий вид
CALL WmTT (тАС, ТАК LPtKP,/1PC} MPW, PPI,PP1V, R) . Выходные параметры подпрограммы ТЙС и TAW представляют собой одномерные массивы чисел типа REAL $ . Число элементов в каждом из этих массивов равно КР. Элементу массива ТЙС ( TAW ) с номером Н ( 1 $ Ґ14 КР ) соответствует искомая величина fcn-i \J-wn-iJ » означающая среднюю продолжительность периода перехода сети СМО из состояния Ь П-І. (Еен/п-з.) в состояние Есю , при котором возобновляется прерванное обслуживание т-заявки.
Подпрограмма WABiXP осуществляет расчет характеристик обслуживания заявок во время р-периода занятости сети ШО при первом варианте реализации УЇЇ. Подпрограмма написана на основе формул, приведенных в п. I.2.I. Обращение в подпрограмме имеет следующий вид CULL №B1XP(TTJWJTC,TT&JTV,тщтттжлкъмтс щ
Назначение входных и выходных параметров подпрограммы было определено выше. Значения выходных параметров относятся к р-периоду занятости сети ШО, на котором т-заявки имеют абсолютный приоритет на обслуживание прибором Ш0С. На рис. 2.2 приведены графики зависимостей характеристик обслуживания т-заявок от числа используемых терминалов во время р-периода занятости сети ШО. Как видно из рисунков 2.1-2.2 средние значения характеристик обслуживания заявок разных классов не сильно отличаются на чужих периодах занятости сети ШО. Однако на своих периодах занятости сети ШО заявки обслуживаются очень медленно. Поэтому дисперсии характеристик обслуживания заявок должны быть большими. Подпрограмма WXB1XP вовремя своей работы использует подпрограмму WK125L » а также подпрограммы WKB1PP и WXB1TF , которые описываются ниже.
Назначение, состав и особенности пакета программ
Программно-имитационный комплекс оостоит из 10 подпрограмм и 12 макрокоманд. Семь подпрограмм ( WXGTC , WXGPC , WXGDP, WXGbT, WXGTW WXGPW-. WXRMM) написаны на языке FORTRAN-IV и осуществляют предоставление случайных чисел, которые используются при моделировании работы МП ЭВМ, во-первых, в качестве длительностей выполнения команд ЦП и операций ввода-вывода, и, во-вторых, в качестве интервалов времени между последовательными поступлениями прерываний. Остальные три подпрограммы ( WXASSi- , WKASSZ , WXA$$3 ) организуют процесс имитации функционирования МП ЭВМ по обработке прерываний, учитывают действующие дисциплины обслуживания ЦП подсистем обработки прерываний и соответствуют трём вариантам реализации УП. Эти три подпрограммы написаны на языке Ассемблер с использованием разработанного автором проблемно-ориентированного набора макрокоманд, и являются основными подпрограммами имитационного комплекса. Созданию набора макрокоманд, взаимоувязанных и ориентированных под конкретную решаемую задачу, предшествовало разбиение алгоритмов работы сложных по своей логике программ имитационного моделирования на логические части. Некоторые из этих частей, отличаясь друг от друга в деталях, имели одно и то же функциональное назначение. Поэтому удобно было применить средства макроязыка для реализации этих частей в виде проблемно-ориентированных макрокоманд. Создание основной имитационной программы методом макрогенерации вместо использования механизма подпрограмм несколько увеличивает время трансляции программы. Однако это компенсируется затем сокращением машинного времени на имитационное моделирование, так как получаемая в результате макрогенерации программа имеет минимальную избыточность по числу выполняемых ЦП команд.
Реализация программно-имитационного комплекса предполагает, что головная программа пишется на языке FORTRAM-JY и осуществляет ввод исходных данных и вывод на печать результатов имитационного моделирования. На рис. 2.9 представлено функциональное взаимодействие подпрограмм комплекса для первого варианта реализации УП. При втором и третьем вариантах реализации УП вместо подпрограммы WXASS1 используются соответственно WXASSZ и WXASS3 .
Ниже кратко описываются подпрограммы и макрокоманды имитационного комплекса и особенности их использования.
Основная подпрограмма имитационного моделирования работы МП ЭВМ с учетом варианта реализации УП
Каждая из подпрограмм WXASS1 , WXASSZ и WKASSS написана на основе общего для них проблемно-ориентированного набора макрокоманд. Кратко опишем одну из них - подпрограмму WXAS$t . Остальные две имеют такой же набор входных и выходных параметров подпрограммы, но обеспечивают другие дисциплины обработки прерываний ЦП ЭВМ, соответствующие варианту реализации УП.
Назначение первых тринадцати входных параметров подпрограммы
КТ , ... , R было определено в начале данной главы применительно к т- и р-заявкам, которые теперь следует называть соответственно прерываниями от терминалов и от программ. Параметры КТ и КР задают соответственно число терминалов ЦБК и коэффициент мультипрограммирования. Входные переменные МГС и MTW (МРС и MPW) задают соответственно значения параметров статистических законов распределения времени выполнения команд Щ и операций ввода-вывода при обработке в УП прерываний от терминалов (программ). Последние четыре входных параметра ТМ, АК, СТ, и СР, имеющие тип REAL. , в подпрограммах аналитической модели не использовались. Параметр ТМ задает длительность периода работы МП ЭВМ, на котором имитируется обработка прерываний в УП. Параметры АК, СТ и СР используются при реализации алгоритма розыгрыша маловероятных событий после выполнения при обработке прерывания очередной команды ЦП и подробно рассматриваются ниже при описании макрокоманды LOT О. Назначение последующих выходных параметров подпрограммы ТТС, . ..., /YP было дано в начале данной главы. При имитационном моделировании они интерпретируются как средние значения соответствующих характеристик обработки в УП прерываний от терминалов и программ. Последующие шестнадцать параметров подпрограммы, идентификаторы которых начинаются с Ъ1 , на выходе из подпрограммы содержат значения дисперсий соответствующих характеристик обработки прерываний в УП. Например, параметр ЪХТТС содержит значение дисперсии суммарного времени обработки прерывания от терминала на ЦП ЭВМ. Последние
два выходных параметра ТА/ИМ и РШМ содержат соответственно число прерываний от терминалов и программ, которое было обработано в УП за рассмотренный период работы МП ЭВМ. Параметры ТШИ и PNUN , имеющие тип REfib , используются в вызывающей программе при вычислении доверительных интервалов для средних значений характеристик обработки прерываний в УП.
Работа подпрограмм WXASS1 , WXASSZ и WXASS3 основывается на изложенной в 9IJ методике построения имитационных моделей для систем массового обслуживания. Имитационное моделирование работы МП ЭВМ по обработке прерываний в УП организуется на основе использования в подпрограмме двух табелей заявок и нескольких вспомогательных внутрисистемных переменных.
Предусмотрены следующие внутрисистемные переменные, которые все имеют тип RE/j/x . ТУ - текущий момент моделирования работы МП ЭВМ по обработке прерываний. В начале работы подпрограммы предполагается, что ТЗ-0 . По окончании работы подпрограммы ТО ТМ. Изменение переменной ТО осуществляется дискретно по мере наступления на МП ЭВМ событий таких как поступление прерываний от терминалов или программ, окончание выполнения команды ЦП или операции ввода-вывода. ЪТ\ЪР)- интервал времени между двумя последовательными прерываниями от терминалов (программ). Эти переменные получают значения в результате работы датчиков случайных чисел -подпрограмм WKGdP и WKGDT, ТТО \TPJ) - момент поступления очередного прерывания от терминала (программы). SbVIGTPO - задержка поступления очередного прерывания от программы за счет использования ЦП ЭВМ не для выполнения проблемных программ, а для обработки в УП уже поступивших прерываний. TPJS - момент поступления прерывания от программы с учетом имеющейся задержки. текущая длина очереди прерываний от терминалов (программ), ожидающих начала обработки в УП. Вводятся следующие ограничения: NT 250, MP 20, которые автоматически означают, что КТ 250 и КР « 20. TW (PW) - длительность выполнения очередной операции ввода-вывода при обработке прерывания от терминала (программы), Эти переменные получают значения в результате работы датчиков случайных чисел - подпрограмм WXGTW и WKGPW . TWJ\PWJ) - момент окончания выполнения очередной операции ввода-вывода при обработке прерывания от терминала (программы). момент начала выполнения очередной операции ввода-вывода при обработке прерывания от терминала (программы). - момент начала непрерывного периода обработки очередного прерывания от терминала (программы) на ЦП ЭВМ. TQSBEQ (jCrXBEG) - момент начала непрерывного периода ожидания подсистемой УП продолжения обработки на ЦП ЭВМ очередного прерывания от терминала (программы). момент начала непрерывного периода ожидания подсистемой УП освобождения внешнего устройства для выполнения очередной операции ввода-вывода при обработке прерывания от терминала (программы).
