Производительность вычислительных систем

С.В.НАЗАРОВ 
А.В.МУРИН 
АГБАРСУКОВ 

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ 
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ 

СИСТЕМ 

Москва • Энергоатомиздат • 1993 

ББК 32.97 
Н 19 
УДК 681.3.004.1 

Р е ц е н з е н т В. В. Кульба 

Назаров С. В. и др. 

Н 19 
Производительность 
вычислительных 
систем/ 
С. В. Назаров, А. В. Мурин, А. Г. Барсуков.— М.: 
Энергоатомиздат, 1993. — 248 с.: ил. 

ISBN 5-283-01608-0 

Рассмотрен широкий спектр вопросов, связанных с применением аналитических, имитационных и экспериментальных 
методов для оценки производительности вычислительных систем на всех этапах их жизненного цикла. Большое внимание 
уделено конкретным применениям моделей оценки реальной 
производительности 
широкого 
класса 
вычислительных систем — от микроЭВМ до больших ЭВМ различной архитектуры. 

Для 
инженеров, занимающихся 
вопросами 
создания, 
внедрения, эксплуатации и сопровождения ВС. 

ISBN 5-283-01608-0 
© Авторы, 1993 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Успешность внедрения автоматизированных систем в интересах совершенствования производственно-технологических 
процессов, решения научных задач, в образовании и управлении 
народным хозяйством страны связана с проблемами разработки 
и ввода в эксплуатацию высокоэффективных вычислительных 
систем (ВС). Одна из основных проблем состоит в достижении 
соответствия архитектуры ВС классам решаемых в АСУ задач 
и режимам функционирования ЭВМ. Решение этой проблемы во 
многом связано с оценкой 
эффективности 
функционирования 
ВС, главным образом — производительности. 

В настоящее время в нашей стране в индустрии информатики и вычислительной техники произошли значительные изменения. Существенно обновился парк универсальных вычислительных машин (в первую очередь ЕС ЭВМ и СМ ЭВМ), расширились их возможности, 
усложнилась 
Структура. Разработаны 
компьютеры, основанные на новых 
архитектурных 
решениях 
(конвейерные, векторные, матричные, 
потока 
данных и др.). 
Продолжается массовый выпуск персональных профессиональных ЭВМ. Усложняются структура и функциональная организация современных технических средств автоматизации. Все это 
требует осмысления, критического обобщения., существующих и 
разработки новых методов и средств оценки производительности ВС. 

В отечественной практике накоплен обширный опыт использования ЭВМ и ВС, сформировался научно-технический и методологический материал, позволяющий проводить оценку производительности ЭВМ и ВС некоторых классов. Однако вопросы 
оценки 
производительности 
рассматриваются, как 
правило, 
лишь для некоторых этапов жизненного цикла ЭВМ и применительно к процессорам классической архитектуры. При этом не 
учитываются многие важные факторы, существенно влияющие 
на производительность вычислительных систем (например, межмашинный обмен, работа каналов ввода — вывода, использование буферной памяти, затраты на работу системных программ 
и др.). Практически не уделяется внимание затратам производительности, связанным с 
организацией 
многомашинных ВС, 

3 

резервированием основных функций, возлагаемых на системы 
Незаслуженно принижена роль экспериментального исследования ВС и их программного обеспечения. 

Предлагаемая вниманию читателей книга, по мнению авторов, позволит в некоторой степени восполнить недостаток литературы по вопросам оценки производительности 
современных 
архитектур и тем самым позволит создать предпосылки для решения технических задач, связанных с построением качественных автоматизированных систем, организацией вычислительных 
центров коллективного пользования (ВЦКП) и др. 

Основное назначение 
книги — дать специалистам сконцентрированную информацию по конкретным моделям, методам и 
средствам для оценки и оптимизации реальной производительности широкого класса современных вычислительных систем: от 
микроЭВМ до больших ВС. При этом рассматривается спектр 
вопросов, связанных с использованием аналитических, имитационных и экспериментальных методов, моделей и средств для 
оценки производительности ВС на всех этапах их жизненного 
цикла. 

В настоящее время имеются фундаментальные работы, посвященные проблемам оценки производительности ВС. Из зарубежных книг в первую очередь следует отметить монографию 
Ф. Феррари [81], из отечественных — монографии В. Г. Литвина, В. П. Аладышева, А. И. Винниченко [32] и В. А. Мищенко, 
Э. Г. Лазаревича, А. И. Аксенова [39], непосредственно посвященные проблемам оценки производительности ВС, а также монографии [1, 2, 22], затрагивающие эти вопросы. Имеется также значительное количество статей [18, 30, 50, 65], трудов конференций, семинаров и т. п. [7, 11, 24], в которых решаются 
отдельные задачи, связанные с разработкой методов, методик, 
моделей и средств оценки и оптимизации производительности 
ЭВМ и ВС. 

Основное отличие данной книги от перечисленных работ заключается в следующем. 

1. Вопросы оценки производительности ВС рассматриваются 
на всех этапах их жизненного цикла, начиная от обоснования 
требований по производительности при разбивке технического 
задания на систему, включая этапы эксплуатации, сопровождения и модернизации системы. 

2. Поскольку в архитектуре современных ВС значительное 
место занимает программное обеспечение (операционные системы, СУБД, системы передачи данных и т. п.), которое скрывает 
аппаратуру от пользователя, представляя ему виртуальную машину, большое внимание уделяется оценке затрат производительности на выполнение программ общего ПО. 

3. Исследуется 
широкий 
класс ВС современных 
архитектур— от микроЭВМ до больших ЭВМ и вычислительных си4 

стем. Особенности архитектуры учитываются при анализе производительности ВС. 

4. Основное внимание уделяется методам, моделям и средствам исследования, позволяющим получить практическую оценку реальной 
производительности 
ВС (или затрат производительности на выполнение той или иной функции) путем натурного моделирования (натурного эксперимента). 

5. Подробно исследуются вопросы оценки реальной производительности процессов микро- и мини-ЭВМ и центральных процессоров больших ЭВМ. Получены количественные оценки производительности для моделей ЭВМ, широко эксплуатирующихся 
в настоящее время. 

6. Дается анализ степени соответствия архитектуры мультипрограммных ЭВМ различным 
режимам 
мультипрограммных 
вычислительных процессов и типам управляющих программ операционных систем. 

7. Рассматривается и решается интересный для практики 
круг задач, связанных с настройкой архитектуры ВС с целью 
максимизации их производительности. 

Перечисленные особенности изложения материала 
определи структуру книги. 

Естественно, что ограниченный объем книги не позволяет 
рассмотреть полно широкий круг задач, связанных с проблемой 
производительности ЭВМ и ВС. Поэтому авторами выделены, 
на их взгляд, наиболее важные из этих задач, изложение которых дается достаточно детально. 

Монография состоит из введения и шести гла. В гл. 1, носящей вводный характер, рассматриваются понятие и показатели производительности,, анализируются причины потери производительности и дается обзор существующих подходов к ее 
оценке на различных этапах жизненного цикла ВС. Библиография источников, использованных для написания гл. 1, обеспечивает исчерпывающее представление о состоянии и развитии методов и средств оценки производительности ВС. 

В гл. 2 книги дается обоснование требуемой производительности ВС при разработке технического задания на создаваемую 
систему, которое базируется на материале гл. 1 и проведенном 
анализе существующих методов оценки производительности ВС. 
Большое внимание в этой главе уделяется моделям функциональных задач, реализация которых рассматривается на типовых периодах функционирования ВС. В заключительной части 
излагается методика определения требуемой производительности ВС в условиях ограниченного количества достоверно известных данных о параметрах ВС, ее структуре, организации вычислительного процесса, что характерно для начальных этапов формирования ТЗ на проектирование ВС. 

Исследованию производительности центральных процессоров 
ВС различных архитектур посвящена гл. 3. книги. При этом 
основное внимание уделяется исследованию процессоров микроЭВМ, СМ ЭВМ, ЕС ЭВМ и машин перспективных архитектур. 
Проводятся исследования зависимости производительности процессоров от интенсивности операций ввода — вывода, наличия 
буферной памяти, числа каналов и т. п. 

В гл. 4 анализируются затраты производительности ВС в зависимости от ее структурной организации, общей основной памяти, средств 
межмашинного обмена, структуры подсистемы 
ввода — вывода информации. 

В гл. 5 исследуются затраты производительности ВС в зависимости от ее функциональной организации (режимов работы 
ОС, организации телеобработки данных, методов планирования 
вычислительного 
процесса, 
вариантов 
резервирования, 
типа 
СУБД и др.) 

Изложенный в гл. 3—5 материал используется в последующей главе для решения 
задач 
настройки 
архитектуры ВС 
с целью максимизации производительности системы. 

В гл. 6 дается постановка ряда задач оптимизации производительности ВС, рассматриваются методы и средства их решений. Рассмотрен ряд новых задач, не получивших в настоящее время должного освещения в литературе. Показано, что 
в современных ЭВМ значительный 
рост 
производительности 
обеспечивается за счет применения новых более эффективных 
структурных решений, рациональных режимов функционирования, оптимизации операционных систем, адаптивной организации вычислительного процесса, оптимизации системы управления базами данных. Приведены результаты изменения комплексной и реальной производительности 
мультипрограммных 
ЭВМ в зависимости от смеси классов решаемых задач, степени 
оптимальности ОС, режима функционирования ЭВМ, сбалансированности подсистемы ввода — вывода и др. 

Книга написана авторским коллективом: С. В. Назаровым — 
предисловие, § 1.2—1.4, 3.1, 3.2 (за исключением п. 3.2.4), 3.3, 
3.4, 4.2, 5.2—5.4, 6.1—6.3; А. В. Муриным — § 1.1, 1.5, гл. 2; 
А. Г. Барсуковым — § 3.5, 4.1, 4.3, 5.1, 5.5, 6.4, 6.5, п. 3.2.4. 

Авторы благодарят О. В. Чикало и В. Н. Борзенкова (§ 6.3), 
И. И. Хрисанфова 
(§ 3.3, 5.2 и 6.2), А. В. Луговца (§ 3.2), 
А. А. Есетова (§ 3.4), В. Е. Пикуля (§ 4.2), М. Т. Акуленка 
(§ 5.4, 6.2), Е. П. Шабурова 
(§ 5.5, 6.5), С. Н. Боборыкина 
(§ 6.1), чьи материалы были использованы в процессе написания книги. 

Авторы с благодарностью воспримут все отзывы и пожелания читателей, проявивших интерес к книге. 

Авторы 

Г л а в а 1 
ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ОЦЕНКИ 
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ВС 

1.1. ПОНЯТИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ВС. ПОКАЗАТЕЛИ 
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ 

С понятием производительности ВС и ее оценкой сталкиваются практически все специалисты, имеющие дело с вычислительной техникой. Приступая ли к проектированию ВС, занимаясь ли ее эксплуатацией или думая о предстоящей модернизации системы, специалисты оценивают производительность ВС. 

Казалось бы, что более чем сорокалетняя история развития 
теории вычислительных систем должна была привести к созданию стройной и достаточно полной системы взглядов на показатели производительности, методы и методики их оценки применительно ко всем этапам жизненного цикла ВС. Однако этого не произошло по ряду причин, и в первую очередь из-за 
сложной зависимости между параметрами и характеристиками 
ВС, их влияния на производительность ВС. 

В общем случае производительность ВС, являющаяся характеристикой вычислительной мощности системы, определяется количеством вычислительной работы, выполняемой системой 
за единицу времени [25, 31, 32, 35, 38, 71]. Такое определение 
при всей его универсальности несет в себе известную долю 
неопределенности, что связано 
с 
отсутствием общепринятых 
единиц измерения вычислительной работы. В зависимости от 
системы и ее рабочей нагрузки (под рабочей нагрузкой понимается весь объем поступающей на ВС информации) [31] для 
измерения вычислительной работы могут использоваться такие 
единицы, как задача, задание, операция, команда и т. д. Однако 
следует учитывать, что все они в той или иной степени зависят 
от характера задач, реализуемых ВС, и архитектуры системы, 
т. е. они не обладают свойством независимости от оцениваемой 
системы и ее нагрузки и не могут быть универсальной мерой 
вычислительной работы. Для количественной оценки производительности используется ряд величин — показателей 
(индексов) 
производительности. Их выбор зависит от целей исследования, 
имеющейся информации о системе и ее рабочей нагрузки. Классификация 
показателей 
производительности 
приведена 
на 
рис. 
1.1. Наибольшее распространение получили 
показатели, 
характеризующие продуктивность системы [94]. К ним относят
7 

Рис. 1.1. Классификация показателей производительности ВС 

ся номинальное и среднее быстродействие процессора, номинальная и системная производительность ВС. Реже в качестве показателей производительности используются величины, характеризующие реактивность системы (время ответа, время прохождения, время реакции), и коэффициенты использования компонентов системы (коэффициенты использования различного оборудования ВС, например процессора, каналов ввода — вывода 
и т. п., коэффициенты использования операционной системы, базы данных, отдельных модулей общего программного обеспечения). Следует учитывать, что ни один из перечисленных показателей в отдельности не может в полной мере определить производительность ВС, каждый из них отражает одну из сторон этой 
характеристики.В совокупности показатели дают наиболее полное представление о производительности системы. Так, группа 
показателей, связанных с продуктивностью системы, как правило, характеризует 
потенциальную 
возможность ВС по обработке информации и не учитывает потери из-за отказов, профилактического обслуживания и т. п. Дополнение этой группы 
показателями использования системы позволяет оценить реаль8 

ную производительность системы в конкретных условиях ее работы. 

Рассмотрим 
основные показатели производительности 
ВС. 
Простейшим из них является быстродействие процессора, определяемое как скорость выполнения операции в центральном процессоре, включающем устройство управления, 
арифметико-логическое устройство и сверхоперативную память. При этом различаются номинальное и среднее быстродействие [30]. 
Номинальное 
быстродействие 
является технической характеристикой 
процессора и задается как количество стандартных операций, 
выполняемых процессором в единицу времени: 

£„=1/т/ст, 
• 
(1.1) 

где Тгст — время выполнения i-й стандартной операции. В каче^ 
стве стандартных операций, как правило, используются короткие (сложение, вычитание) или длинные (умножение, деление) 
операции. Среднее быстродействие й с т определяется как среднестатистическое 
число 
операций, 
выполняемых 
процессором 
в единицу времени: 

S c p = l / 2 Р i - i , 
(1.2) 

где р< — частота 
использования 
(вес) 
операции 
t'-ro типа, 

п 
2 
р г = 1 ; тг — время выполнения операции t'-ro типа. 

« = 1 

Среднее быстродействие зависит не только от архитектуры 
процессора ВС, но и от параметров нагрузки, которые задаются 
перечнем (составом) операций, выполняемых при решении конкретной задачи, и частотой их использования. При этом состав 
и частоты использования операций принято называть 
смесью 
операций. 
Очевидно, что каждая задача, реализуемая на одной 
ВС, будет характеризоваться своей смесью операций. Так же 
и одна задача, решаемая на различных ВС, отличающихся составом выполняемых операций, будет давать различные смеси 
операций. Для уменьшения зависимости оценки показателя производительности от состава выполняемых процессором ВС операций операции объединяются в классы, имеющиеся в большинстве ВС и представляющие, скорее, логические, чем ф.изические 
процессы, 
например 
«индексная 
арифметика», 
«загрузка», 
«ветвление» и т. п. Частоты использования операций pi измеряются при реализации на ВС реальной (или искусственно соз-. 
даваемой) нагрузки. В практике, когда нагрузка не известна, 
широко применяются стандартные смеси операций 
(например 
смеси Г'ибсона, Найта, Флинна [81]), полученные в результате 

9 

анализа реализации на ВС большого числа типовых задач. Детально 1\юдели смесей описаны в [30, 38]. 

Более сложными, чем быстродействие, показателями производительности, оценивающими всю ВС, являются 
показатели 
номинальной и системной производительности [31]. 
Номинальная 
производительность 
вычисляется как величина, обратная 
среднестатистическому 
времени 
выполнения алгоритмических 
действий центральным узлом обработки данных ВС (центральным процессором и оперативной памятью) при решении достаточно большого количества задач: 

где tCT— среднестатистическое время выполнения алгоритмиче^ 
ских действий; а;— вероятность выбора (вес) г-го алгоритмиче
ского действия; ti— £bijtj 
— время выполнения г-го алгоритми
ческого действия. Здесь Ьц — повторяемость операции /-го типа 
в f-M алгоритмическом действии; tj — время выполнения операции j-го типа. 

Алгоритмическое действие представляет собой элементарную 
работу, с которой наиболее часто приходится встречаться при 
решении на ВС задач заданного класса. Алгоритмическое действие может быть интерпретировано ВС в одну или несколько 
операций (машинных команд). Использование в качестве единиц измерения работы алгоритмических действий в отличие от 
введенных ранее операций позволяет обеспечить известную независимость от систем команд конкретной ВС и дает возможность сравнить ВС различных типов. Становится возможным 
получать сопоставимые оценки производительности и для ВС 
с различными системами команд, если они имеют уровень не 
выЩе уровня выбранных алгоритмических действий. В связи 
с этим при оценке и сравнении номинальных производительностей ВС различных типов в качестве базового набора алгоритмических действий целесообразно 
принимать 
набор действий 
соответствующих ВС с более мощной системой команд [65]. Номинальная производительность определяется скоростью выполнения алгоритмических действий наиболее дорогостоящим ресурсом ВС — центральным узлом обработки данных, но не учитывает затрат времени на 
перемещение 
.информации между 
основной и внешней памятью, организацию мультипрограммного 
режима работы и выполнение процедур ОС. Для их учета вводится понятие системной 
производительности: 

(1.3) 

m 

PRc=MtKj 
(1.4) 

10