Измерительные средства и оптимизация вычислительных систем

C.B.HA3AP0B 
А.Г. 
БАРСУКОВ 

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ 

СРЕДСТВА 
И ОПТИМИЗАЦИЯ 
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ 
СИСТЕМ 

© 

Москва .«Радио и связь» 1990 

ББК 32.972 

Н 19 
УДК 681.3.08 

Р е ц е н з е н т ы : кандидаты техн. наук А. П. Гагарин В. В. Грек 

Редакция литературы по информатике и вычислительной технике 

Назаров С. В., Барсуков А. Г. 

Н19 
Измерительные средства и оптимизация вычислительных 
систем. — М.: Радио и связь, 1990.— 248 е.: ил. 

ISBN 5-256-00553-7. 

Рассматриваются 
методы построения и алгоритмы работы 
программных, аппаратных и гибридных измерительных средств для исследования 
вычислительных систем (ВС) и их компонентов. Большое внимание уделяется вопросам построения и использования мониторов, разработанных 
для ВС на базе ЕС ЭВМ. Предлагаются решения задач оценки эффективности и оптимизации ВС на основе измерений в исследуемой системе. 

Для инженеров и системных программистов, занимающихся 
повышением эффективности функционирования ВС. 

2404070000-003 

Н 
144—90 
ББК 32.972 
046(01 )-90 

ИБ № 1936 

Производственное издание 

НАЗАРОВ СТАНИСЛАВ 
В И К Т О Р О В И Ч 
БАРСУКОВ АЛЕКСЕЙ 
Г Р И Г О Р Ь Е В И Ч 

Измерительные средства и оптимизация вычислительных систем 

З а в е д у ю щ а я редакцией Г. И. 
К о з ы р е в а 

Редактор Т. М. 
Б е р д и ч е в с к а я 

Переплет художника 
Л. В. Б р и л е в а 

Художественный редактор Н. С. Ш е и н 

Технический редактор Т. Г. 
Р о д и н а 

Корректор Н. Л. 
Ж у к о в а 

Сдано в набор 
19.04.89 
Подписано 
в печать 
5.09.89 

T-13945 
Формат 60 x 907ie 
Б у м а г а тип. № 2 
Гарнитура 
литературная 

Печать высокая 
Усл. печ. л. 15,5 
Усл. кр.-отт. 15,5 
Уч.-изд. л. 17,08 

Тираж 
11 500 экз. 
Изд. № 22576 
Зак. № 37 
Цена 
1 р. 20 к. 

Издательство «Радио и связь». 
101000 Москва, Почтамт, а/я 693 

Типография издательства 
«Радио и связь». 101000 Москва, ул. Кирова, д. 40 

ISBN 5-256-00553-7 
© Назаров С. В., Барсуков А. Г., 1990 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

В настоящее время вычислительные системы (ВС) 
усложнились настолько, что алгоритмы распределения ресурсов и конфигурация аппаратных средств не могут быть 
удовлетворительно 
выбраны без измерения, анализа и последующей 
оптимизации 
параметров вычислительного процесса. Для этих целей требуются 
измерительные средства, измерительные системы и т. д., обеспечивающие сбор данных о ходе вычислительного процесса, загрузке устройств системы, очередях, использовании модулей операционной системы и т. п. Как следствие, необходима соответствующая литература по методам и 
средствам 
экспериментального 
анализа, оптимизации ВС и их программного обеспечения, которая помогла бы решить задачу повышения эффективности использования средств вычислительной техники. 

Цель книги — познакомить читателей с современным состоянием компьютометрики, принципами 
построения 
программных, 
аппаратных и гибридных мониторов, методами экспериментального исследования и оптимизации ВС и их компонентов 
(операционных систем, прикладного программного обеспечения и др.). 

Особенностью издания является такой подбор материала, который поможет специалистам самостоятельно ставить и решать 
совокупность задач анализа и синтеза ВС, начиная от выбора и 
разработки конкретного типа монитора для проведения экспериментальных исследований и кончая оптимизацией ВС и ее программного обеспечения. 

В гл. 1 даются сведения о задачах и методах 
исследования 
сложных систем, какими являются аппаратно-программные ВС, 
областях использования аналитических, имитационных и экспериментальных методов, а также о принципах построения измерительно-моделирующих комплексов. 

Вопросы, связанные с выбором 
показателей 
эффективности 
функционирования ВС и их программного обеспечения, методы 
экспериментального анализа ВС излагаются в гл. 2. Здесь 
же 
вводится понятие монитора, дается классификация мониторов по 
механизму измерений, способу запуска, отношению к анализируемой системе и др. 

В гл. 3 описываются программные измерительные 
средства, 
получившие известность в нашей стране и за рубежом. Особое 
внимание уделяется принципам построения и алгоритмам работы 
автономных и трассирующих программных мониторов. 

3 

Достаточно широкие сведения об аппаратных и гибридных измерительных средствах даются в гл. 4. Приведена сравнительная 
характеристика отечественных и зарубежных мониторов, подробно рассмотрены принципы построения и алгоритмы работы отечественных аппаратных и гибридных измерительных средств. 

В гл. 5 
рассматриваются вопросы использования измерительных средств для оценки качества и оптимизации ВС. Приводятся 
математические модели отдельных оптимизационных задач, рассматриваются методы и алгоритмы их решения. 

Теоретические сведения, как правило, завершаются примерами для закрепления излагаемого материала. 

С. В. Назаровым написаны § 1.1, 1.2, 2.1, 3.1, 3.2, 
3.5, 
5.1, 
5.4 — 5.6; А. Г. Барсуковым — § 1.3, 1.4, 2.2 — 2.4, 3.3, гл. 4; авторами совместно написаны § 3.4, 5.2, 5.3. 

\)<м>)0 ъи£ 
с^УШ^игс 
^тгрйиригша* 
czf&fiti 
tc 
п . п , 

P
^
t
w 
поыл^оЫ 
и 
Т.п. 

И 
-xa/pawsfyuse/it*. 
u s e 

Г Л А В А 
I. ИССЛЕДОВАНИЕУВЫЧИ-СЛИТЕЛЬНЫХ 
СИСТЕМ
, 
1.1. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯАВС И ИХ КОМПОНЕНТОВ 

У Вычислительные системы относятся к категории сложных систем. Наиболее существенными их чертами принято считать следующие [У, Jt]: наличие единой цели функционирования для всей 
системы; многообразие функций, реализуемых системой и направленных на достижение заданной цели функционирования; большое число информационно-связанных и взаимодействующих элементов, составляющих систему; возможность деления системы на 
подсистемы, цели функционирования которых подчинены общей 
цели функционирования; иерархическая структура связей подсистем и иерархия показателей качества функционирования системы; 
наличие управления в системе (подсистемах) и высокая степень 
его автоматизации; устойчивость к воздействию внешних и внутренних возмущающих факторов и наличие (в той или иной степени) самоорганизации; требуемая надежность системы, построенной в целом из ненадежных элементов. 

Оценку эффективности функционирования ДВС как 
сложной 
системы осуществляют по нескольким показателям, каждый из 
которых может стать основным в зависимости от назначения и 
состояния системы, характера решаемых задач и т. д. 

При рассмотрении вопросов, связанных с построением и функционированием^ВС, выделяют ее составные части (компоненты): 
подсистемы и элементы. 

Элемент системы — ее часть, выполняющая 
определенную 
функцию (функции) и не подлежащая декомпозиции при данном 
уровне рассмотрения (анализа, синтеза)ЛВС. Элементом ДВС может1" быть отдельный модуль (аппаратный 
или 
п р о г р а м м н ы й ) ^ ^ 

группы модулдй#-4пР°Цесс°Ры> однотипные модули памяти, шт^и-^ 
й&р-^еввьнан~памя№), ^F-ft* и т 
п Возможно изуче 

ОТ У, нн 
простыТ~элементо^ - АЛУ, .интерпретирующей 
подсииемы—процессора, регистров и др. При рассмотренииДВС на уровне элементов предметом исследования является не внутренняя 
структура 
элементов, а их свойства, определяющие взаимодействие элементов друг с другом и их влияние на свойства/jBC в целом. 

ПодсистемаДВС — часть системы, которая представляет собой 
совокупность некоторых ее элементов, выделенных по определенному функциональному признаку, и подчиняется по своей 
цели 
функционирования единой цели функционирования всей системы. 
Примеры подсистем/ШС^^операционная система,Д06)"Г подсисте
S 

ма приема-выдачи информации в\каналы связи, подсистема обработки информации, подсистема АИсшней памяти и др. В зависимости от уровня рассмотрения 
подсистема 
может 
представляться как система. Например, при оптимизации структуры СОС 
она рассматривается как система, а в ней выделяются подсистемы: совокупности резидентных и фрзнаитны.х модулей, ядро ОС, 
^1лодули общего использования if т. п. Однако при исследованииЛВС в целом£ОС может рассматриваться как ее элемент. 

Как правило, представление исследуемойJfBС производится на 
системном уровне. В этом случае изучаемый объект—СОС, ЭВД\_ 
ЛВС или" 'ftfpfflrли^ пьннй т-г"мп 
— исследуются в целом 
как 
органическое единство подсистем во взаимодействии с окружающей средой. При таком исследовании проявляются общесистемные свойства и характеристики изучаемого объекта. Например, 
при 
исследовании 
производительности j^BC 
рассматриваются 

технические средства, 
определяемые 
конфигурацией 
системы — составом аппаратных модулей и структурой связей между 
ними; 

режим ^бработки/^организуемый 
управляющими 
программами0ЭС; 
грвьдахл^ ^ 

рабочая 
нагрузка^(мультнпрограмм11ая 
смесь), 
характеризующая класс#обрабатываемых задач и порядок их 
поступления 
в •систему^ МВС< 

Вычислительные системы и их компоненты обычно рассматривают и изучают на разных этапах их жизненного цикла: в процессах создания и применения j^J-. Эти процессы представляют в 
виде последовательных стадий работ, каждая из которых расчленяется на более мелкие этапы и далее на отдельные работы. В 
ходе выполнения стадий, этапов и отдельных работ, а также при 
анализе полученных результатов участники процессов создания и 
примененияЛВС принимают решения, 
связанные с разработкой, 
изготовлением, эксплуатацией и обслуживаниемЛВС. На стадии 
эксплуатацииДВС как сложных аппаратно-программных 
систем 
решаются задачи сопровождения, модернизации и развития, которые заключаются в устранении ошибок, проведении доработок, 
настройке архитектурыЛВС 4 к а к -аппаратных модулей, так и программного обеспечения) в соответствии со спецификой ее применения и т. п. 

Все прикладные исследования, в том числе исследования эффективности и надежности, сопровождающие процессы создания 
и примененияЛВС, непосредственно связаны с обоснованием принимаемых решений. На первой стадии — разработки технических 
требований (технического задания) — изучают 
и 
формулируют 
требования к проектируемой системе в соответствии с поставленными перед ней задачами, анализируют возможности удовлетворит—новыми—моделями 
рения требований^-раиоо выпуекасмыми"cM*Mr-(litr). l'lpk этом задача обоснован! 
обоснования решения может формулироваться в одном из следующих вариантов [0]: 

Б 
—— 
ГЩГЫ^И 
MU*IM~ITTC 
ЛВС 
, 

£г*№$1лм 
(SLdfi/vfj^iZ-fUlje-U. 
, 
ОС 
и 
Л. 

ЛВС; 

определение 
целесообразности 
разработки 
новой 
системы 

{ЯВМ, БГ-J ииичспптгчтмшгп упипцщгм); 

установление целесообразных сроков созданияЛВС; 
выбор 
целесообразного 
(оптимального) 
варианта 
иоА&Ж( 
гШМ—(ВС), структуры вычислительного комп пекся -(BJ^j/^й—его 
программного обеспечения и др. 

Выбор варианта предполагает решение следующих зада?: 
^ 

_бор_испособа 
задач, возлагаемых на систему; 
выбор 

системы из различных вариантов; выбор^ОС и режима 
функционирования управляющей программы; выбор пакетов прикладных программ; выбор языка для написания программ функциональных 
(прикладных) задач и др. Эти работы проводятся 
для достижения определенных целей по заданным критериям. 

В результате решения подобных задач может быть обосновано техническое задание (ТЗ) на систему, которое устанавливает назначение, технические требования, показатели качества (эффективности), технико-экономические 
характеристики, 
а также 
специальные требования. 

На стадии технического предложения на основании 
анализа 
ТЗ рассматриваются возможные способы создания ^системы—(£€-, 
&K7-QC и д{»т), проводится сравнительная оценка этих вариантов 
с учетом конструктивных и эксплуатационных 
особенностей и 
обосновывается целесообразность 
дальнейшей 
разработки 
При этом выясняются возможности применения новых 
способов 
построенияДВС и ее программного обеспечения, разрабатывается 
сетевой график ее создания, определяются затраты 
ресурсов и 
возможные направления дальнейших исследований. Задача обоснования решений на стадии технического предложения 
может 
формулироваться следующим образом: 

определение перечня компонентов, входящих в проектируемую 
систему, и выбор рационального 
(оптимального) 
сочетания их 
проектных характеристик (параметров); 

разработка вариантов облика создаваемой системы, их сравнение и выбор оптимального варианта и т. д. 

Если вопрос о возможности создания в заданные сроки критических компонентовДВС, определяющих степень ее новизны и 
технического совершенства, решается положительно, то производится утверждение ТЗ и переходят к эскизному проектированию. 
В противном случае корректируется ТЗ либо принимается решение о начале разработки с учетом возможности создания критических подсистем в будущем. 

На стадиях эскизного и технического проектирования решаются все принципиальные технические вопросы и задачи, которые 
связаны с определением вариаата или множества вариантов, позволяющих в принципе создать^жггсм^ обеспечивающую заданную степень выполнения основной задачи, разрабатывается технический проект 
(проектно-конструкторская документация). 
На 
последующих стадиях разрабатывается рабочая 
документация, 

7 

изготавливается, испытывается и отрабатывается 
зец системы* yiSC, 

На стадии опытной эксплуатацииЛВС подтверждается 
правильность принятых решений, после чего в благоприятном случае 
система сдается в эксплуатацию. На этой стадии проводятся работы по устранению ошибок и 
усовершенствованию 
енетеммЛ^ 
Усовершенствование реализуется подбором конфигурации и режима функционирования./|ВС, соответствующих классу решаемых задач и требованиям к 
качеству 
обслуживания 
пользователей. 
Здесь же осуществляется настройка системы JJ^&QY, т- е< 
п о д " 
бор параметров, характеризующих ее архитектуру и компоненты, 
с целью приспособления^ВС к рабочей нагрузке. Сюда 
входят 
также работы по развитию системы, которые заключаются в изменении конфигурации техническихсредсгаЙВС (добавлении или 
замене нр6вдб£ора, расширенитЛ^ен^Шш^тамяти, .выборе числа 
каналов ввода-вывода^ устройств внешней памят^), а также в 
^-^использоваШШ 
более совершенных^операТщонных 
систем, 
оптимизации их структуры и т. д. 

К настройкеЛВС также относятся рациональное распределение 
модулей СОС по уровням памяти, выбор резидентных и 
н«х кш$й8§|й5ЙвСОС, упорядочение и ^ о э м а д ш ! g ^ ^ ^ накопите" " 
прикладных про
выбор дисциплин обслуживания запросов пользователей, дисциплин 
удовлетворения 
запросов на обращение к вДОцщмг памяти и т. д. Возможны модификации связей между аппаратными модулямиДВС,_^.м»р#мер 
между каналами—(процессорами ввода-вывода)—и 
устройствами 
внешней памяти типа НМД и др. 

Во всех рассмотренных случаях принятия решений задачи исследованияЛВС делятся на два класса: задачи анализа и задачи 
синтеза [Зт~Н]. 

Задачи 
анализа 
заключаются 
в 
изучении 
поведения 
и 
свойств Vn^MkbKTTpH заданных характеристиках внешней среды, 
структуре ^нёЯ&оу (или ее модели) и характеристиках (параметрах) ее компонентов. Часто задачи анализа сводятся к установлению зависимостей показателей эффективности функционирования 
параметров ее конфигурации, штаметров аппаратных модулей и операционной системы, чараже 
Ж
»
» 
•явок на-решение задач и характеристик «адачт 
ffi^t 
Типичная задача анализа — оценка производительности и над е ж н о с т н о е , для которой заданы структура, режим функционирования и рабочая нагрузка [ ^ И ] . Другие примеры задач: определение коэффициентов загрузки процессоре© 
прикладными программами и операционной^ системой, установление в"ероят-"" 
ности нахождении- тТроцессора в состоянии^ЧЕТ и ОЖИДАНИЕ 
с идентификацией причины * того- пли иного состсшщ#-{Э}; определение вероятности конфликта при доступе^-процессоров ВС к аб 
щей оперативной памяти и т. д. 
К 
tfoti* 

^ t ^ L u ^ H u t . J l / U W f 
Z M i w J j u x W -Л№ К £a$£f?XZ4utt 

Задачи анализа решаются как 
для 
оценки 
эффективности 
функционирования варианта организации/1ВС в заданных условиях эксплуатации, так и при проектировании^ВС, удовлетворяющих предъявляемым к ним требованиям. В соответствии с этим 
можно выделить следующие виды анализаДВС: проверочный; предельных возможностей; с целью управления процессом разработки и модернизации/1 ВС или подсистемы^ВС; для 
оптимизации 
параметров компонентовЦВС. 

В общем случае задача ставится следующим образом. Исходя из цели исследования выбирается совокупность 
показателей 
эффективности (ПЭ) 
W={W l t 
W2,..., Wn} исследуемой объекта АвС 
«fBC, ее компонентов, некоторою процесса, например фирмирога-иая и обслуживания очередей запросов) и точность A={6i, 62,... 
... ,б п}, с которой они должны быть определены. Требуется 
выбрать метод оценки ПЭ W абтокТа с заданной точностью А и на 
его основе определить значения выбранных ПЭ, учитывая, что 
система предназначена для выполнения некоторых 
функций F. 

При анализеЛВС, находящихся в эксплуатации, оценку ПЭ W 
целесообразно щ
т
^
^
щ
^
А
^
^
ш
щ
щ 
Х 
ф у н к ц и о н ^ _ 
рования объекта иссТЩЖн иТгуУл ш сл еду кяцейг - irop а бот кои т ш Г 
п 

ри^йМытх данных. В этом случае используется методика, рассмотренная, например, в fSp+S], определяющая состав измеряемых 
параметров, методы измерения, их периодичность и Длительнскггь^><8й^^ 
На основе этой методики выбираются измерительные средстВаУИП!** 
средства обработки измерительных данных. Для сокращения затрат на анализ стремятся измерять по возможности меньшее число наиболее просто измеримых параметров Х={хи 
x2,...,xN}, 
а 
/ 
требуемый набор ПЭ определять косвенным методом — вычисле- 
I 
нием с помощью зависимостей Wi — q>i{X, F), г= 1,..., п. Эти за- 
| 
висимости либо имеют статистическую природу, либо создаются 
/ 
на основе закономерностей теории -ftGv ёг'глггсииТ/гиб^ищ 

При анализе проектируемых/ВС для определения характеристик W необходимо располагать моделью (М)/,ВС, устанавливающей зависимость 
W=WM(X, 
F) 
показателей эффективности системы от параметров ^ о п р е д е л я ю щ и х ее конфигурацию, 
режим 
функционирования, paocfuyTa 1 
условия эксплуатации. В 

этом случае решение задачи сводится к проведению на модели 
экспериментов, позволяющих дать ответы на интересующие во- 
1 
просы. 
1 

ИсследованияДВС на всех стадиях проектирования базируются 
также на теории исследования операций. Как правило, цель про- 
' 
ектирования./|ВС состоит в ответе на вопросы, возникающие при 
разработке структурДВС и их компонентов. 

Исходным этапом обоснования проектных решений 
является 
постановка задачи, которая позволяет однозначно 
сформулировать условия задачи U и искомый результат W. Если при 
этом 
какое-то понятие сформулировано однозначно 
(хотя и с качественной стороны), говорят, что проведена экспликация 
понятия 
ifo. Если понятие выражено количественно, говорят о формализа
9 

ции понятия. Создание эффективно функционирующих ЛВС невозможно без формализации основных 
задач 
проектирования. 
Постановки математических задач, возникающих в процессе проектирования, так или иначе связаны с оптимизацией. Можно сказать, что стремление к 
оптимальным 
решениям — характерная 
черта современного проектирования^^ВС и их программного обеспечения. 

Сущсствуот^четыре основные группы задач оптимизации, решаемых в процессе проектирования ЛВС 
Первая связана с 
системным проектированием, присущим стадиям разработки ТЗ, 
технического предложения и эскизного проектирования ЛВС. На 
этих стадиях уточняются и формализуются задачи, возлагаемые 
HaJIBC, согласуются требования заказчика и возможности исполнителей, определяется структура 
системы, ее системного и прикладного ПО и др. В практике проектирования решение этих задач до сих пор часто проводится на неформальном уровне. Однако опыт показывает 
, 
что 
недостаточная 
эффективность 
многих проектов и удлинение сроков созданияДВС связаны именно с отсутствием необходимой формализации системного 
проектирования, дисциплинирующей участников разработки. К этому 
же надо добавить, что исправление просчетов, допущенных 
при 
системном проектировании, дорого обходится 
на 
последующих 
этапах проектирования, а тем более на этапах изготовления и эксплуатации^ВС. 

Вторая группа задач оптимизации связана со стадией технического проектирования. Здесь возникают задачи логического синтеза, экономной компоновки систем, подсистем и устройств из допустимого набора модулей, компактапга размещения—№ 
субблоке, панелях, платах, шкафа-^^^тхиональной 
чрассиревки 
.печатных схем, выбора минимальное числа тестов для контроля 
и диагностики/lBC и др. 

Третья группа задач оптимизации в процессах рабочею проектированияДВС— математическое и программное обеспечение. Недооценка необходимости решения этих оптимизационных 
задач 
может в значительной степени ухудшить качество системы. Компенсировать это ухудшение эффективным решением технических 
и технологических вопросов практически невозможно. 

Наконец, четвертая группа задач оптимизации^ВС — настройка и оптимизация архитектуры)|ВС [№, 16]. Часть этих задач в отличие от задач системного проектирования связана с настройкой 
архитектуры/ВС, при которой удается ;^и^мизировать/количес'№о 
информации, подлежащей пересылке мейду процессором и основной памятью при выполнении программ функциональных задач (ФЗ) системы. Благодаря этому можно уменьшить емкость 
необходимой основной памяти и/'время 
выполнения 
программ. 
Оптимизация этого уровня т^к5ке проявляется в усовершенствовании набора команд, что ;гёгко реализуется в современных процессорах с перезагружаемой памятью микропрограмм 

10 ^zHOMVlufi&tfx/b 
сглнг^ши 
ее 
исл^иг^и^у1^^