WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     ||
|

В работе проведено исследование проблемы использования при построении ТС специализированной ВС с SMP-архитектурой в части рационального выбора количества ПБ, обеспечивающих выполнение всех функциональных задач за выбранный в тренажере такт моделирования. При этом увеличение количества ПБ и модулей ввода-вывода вызывает дополнительные непроизводительные затраты времени, связанные с возникновением очереди на доступ к СШ, причем арбитр СШ каждый раз тратит время на реализацию алгоритма выбора следующего ПБ из образовавшейся очереди. Данная проблема должна быть проработана и учтена на начальных этапах проектирования с целью определения путей ее решения. Поэтому одной из задач, решаемых в работе, является определение рациональности применения метода предобслуживания в специализированных ВС с SMP-архитектурой. В работе реализовано два подхода для проверки конкретных технических решений – с использованием аналитического и имитационного моделирования. Технология оценки выбранного технического решения состоит в применении аналитических моделей на этапе концептуального проектирования ПАК, разработке предварительных архитектурных решений и определении перечня основных функциональных задач. На этапе проверки функциональных возможностей специализированной ВС, когда полностью определены все функциональные задачи, плановое время их выполнения, используются имитационные модели, позволяющие получить более точные оценки ее технических характеристик.

Выбор наиболее рациональной структуры ВС осуществляется путем сравнения условий их работоспособности, которые для j-го варианта реализации ВС описываются неравенством:

; (1)

где ; – среднее фактическое время выполнения всех функциональных задач в ВС; – фактическое время выполнения функциональных задач в i-том ПБ специализированной ВС мобильного тренажера; – такт моделирования тренажера; – количество ПБ в системе в j-ом варианте ВС; N – количество вариантов построения специализированной ВС на этапе эскизного проектирования.

Функциональные задачи, как правило, состоят из команд, время выполнения которых зависит не только от типа самой команды, но и от ее местоположения в микроархитектуре ВС. Так, если команда находится в кэш-памяти микропроцессора, то время ее выполнения составляет, где – паспортное время выполнения данной команды. Для микропроцессоров с RISC-архитектурой. Для микропроцессоров с CISC – архитектурой ограничим систему команд операциями АЛУ с временем выполнения и вероятностью генерации данной команды, FPU с временем выполнения и соответствующей вероятностью и регистровыми командами с временем выполнения и вероятностью, при условии, что, тогда.

Если команда отсутствует в кэш-памяти, то время выполнения команды определяется по формуле:

, (2)

где ; l – количество команд в кэш-памяти; - количество команд в функциональной задаче; – время ожидания обмена по СШ; – время доступа к блоку ОП; - количество пересылок в пакетном режиме обмена с ОП; – время переориентации в каждом цикле обмена по СШ. При выполнении команды, находящейся в кэш-памяти и требующей обращения к модулям УСО определим время выполнения по формуле:

, (3)

где ; z – количество команд в кэш-памяти. При отсутствии той же команды в кэш-памяти время выполнения определяется по формуле:

. (4)

где ; - количество команд в функциональной задаче.

Фактическое время выполнения функциональной задачи состоит из времени выполнения команд, размещенных в кэш-памяти с вероятностью и отсутствующих в ней с вероятностью, поэтому среднее время выполнения команды при отработке любой функциональной задачи определяется по формуле:

, (5)

где - среднее время выполнения команд размещенных в кэш-памяти; - среднее время выполнения команд отсутствующих в кэш-памяти.

При определении данного параметра необходимо сделать предварительную оценку времени ожидания и времени переориентации, используя соответствующую имитационную модель, выполнив ограниченное число команд – d. Затем в формулах (2) – (4) расчетные значения и заменяются на их средние значения и, которые определяется по формулам:

,.

Тогда для функциональных задач, в которых отсутствуют циклы обмена с УСО,, а. Для функциональных задач управления имитаторами, а.

Фактическое время выполнения f функциональных задач, в которых отсутствуют циклы обмена с модулями УСО, в i –том ПБ j-го варианта реализации определяется равенством:

, (6)

где – количество команд, обеспечивающих выполнение k-той функциональной задачи.

, (7)

где – плановое время выполнения функциональной задачи, при ; V – коэффициент параллельного выполнения команд; l – количество команд в кэш-памяти;.

Фактическое время выполнения h задач управления имитаторами определяется соотношением:

, (8)

где ;

,

где – количество команд, обеспечивающих выполнение s-той прикладной задачи управления имитаторами.

, (9)

где – плановое время выполнения функциональной задачи обмена с модулями УСО, при ; z – количество команд в кэш-памяти;.

Условие работоспособности каждого ПБ при выполнении функциональных задач определим из соотношения:

, (10)

где ;.

Из приведенных формул следует, что существенно зависит от и, причем изменить фактическое время выполнения функциональных задач в вычислительной структуре можно, совершенствуя методы обслуживания заявок, используя для этого дополнительно методы предобслуживания так, чтобы исключить из цикла обмена время переориентации, что в целом приводит к изменению.

Коэффициент эффективности j-го варианта ВС, размещенной в одном крейте, определяется соотношением:

, при ; (11)

,

где – количество слотов к крейте; – количество слотов, занимаемых модулями УСО. Для выбора наиболее рационального варианта предлагается использовать критерий:

(12)

В главе 2 «Определение основных временных характеристик многопроцессорных специализированных вычислительных систем в тренажерных системах методом имитационного моделирования» определяются основные временные характеристики многопроцессорных специализированных ВС с SMP-архитектурой, которые могут быть получены методом имитационного моделирования. В качестве вариантов реализации рассматриваются вычислительные структуры, в которых общими вычислительными ресурсами являются:

  • блоки УСО и общей ОП, при условии, что ПБ имеют собственную локальную оперативную память (ЛОП);
  • блоки УСО и общей ОП, в случае, когда ЛОП у ПБ отсутствует;
  • общая ОП, а ПБ имеют ЛОП и автономные модули УСО.

Арбитр СШ может реализовывать различные алгоритмы выбора ПБ из очереди в том числе FIFO - «первый пришел – первый обслужился»; RAN – «случайный выбор»; R-R – «циклический опрос»; PRI – «относительный приоритет».

Выбор одной из трех описанных выше вычислительных структур осуществляется в соответствии с вероятностью появления заявки на СШ. Данный параметр для второй ВС равен = 0,02 и определяется на основании обобщенной характеристики, которая учитывает объем ЛОП, интенсивность междупроцессорного обмена и вывода данных в блоки УСО. Например, в современных ВС вероятность нахождения команды в кэш-памяти ПБ составляет 0,98. Для информационно слабо связанных ПБ вероятность появления заявки на СШ принята = 0,005. Для первой вычислительной структуры, имеющей ЛОП, значение выбирается в пределах.

В предложенной имитационной модели специализированной ВС с SMP-архитектурой каждое состояние характеризуется количеством заявок в системе, при этом время моделирования считается непрерывным, что позволяет отнести ее к классу дискретно-непрерывных систем. Модель выполнена на базе алгоритмического подхода. Внешние воздействия и параметры системы определяются методом статистических испытаний с продвижением модельного времени с использованием метода особых состояний, что позволяет уменьшать время моделирования. Все требования на доступ к СШ, поступившие за все время работы системы Т0, представим в виде очереди, в которой моменты времени поступления заявок образуют случайную последовательность T =, где i – номер ПБ, j – номер заявки в очереди, s – состояние заявки в текущий момент времени t[0,T0], причем значение s соответствует: 0 – обслуживание заявки окончено, 1 – заявка находится в очереди на обслуживание, 2 – заявка еще не поступила в очередь на обслуживание.

В момент времени t[0,T0] в системе будет сформировано заявок от ПБ, причем и s=1: T(t) =.

В общем случае Tожij – время ожидания ij-той заявки - является случайной величиной и функционально зависит от переменных m – количества ПБ, d – дисциплины арбитража СШ и интенсивности поступления заявок, причем:

Tожij =frandom (m,d;), где

Переменная Тз принимает значение равное среднему времени поступления заявок в систему. Время переориентации Tперij зависит от используемых алгоритмов предобслуживания, которые могут быть приоритетными и равноправными. При реализации приоритетного алгоритма арбитр СШ при отсутствии заявок в системе подключает СШ только к наиболее приоритетному ПБ, в случае «правильного» выбора ПБ параметр Tперij=0 в цикле обмена.

К равноправным алгоритмам предобслуживания относятся:

  • случайный выбор ПБ;
  • выбор ПБ, который дольше всех не выставлял требований на доступ к общим вычислительным ресурсам;
  • выбор ПБ, обращавшегося к СШ последним.

При этом среднее время переориентации системы, определяется равенством:

,

а среднее время ожидания заявки в системе задается формулой

.

Для проведения имитационного эксперимента была разработана модель рабочей нагрузки ВС, которая описывает совокупность всей входной информации (функциональных задач, данных, команд), поступающей в систему извне. Для построения базовых аналитических моделей специализированной ВС с SMP-архитектурой было проведено исследование потока заявок и времени обслуживания на СШ с использованием исходных данных, полученных в результате функционирования ряда реальных тренажеров. Полигон частот входного потока заявок для ВС с арбитром СШ –FIFO; m = 2; Рсш =0,02 приведен на рис.1, где сплошная линия описывает теоретическую кривую, а прерывистая соответственно эмпирическую.

Рис. 1 Арбитр СШ – FIFO; m = 2; Рсш =0,02; k = 2; = 0,05;

M(X) = 36,7; D(X) = 636,11; = 25,22; =17,79

При рассмотрении работы специализированной ВС с SMP-архитектурой тренажеров в условиях тренировки было установлено, что поток заявок, возникающих на СШ при выполнении функциональных задач, обладает свойствами стационарности, отсутствия последействия и ординарности. Это позволило предположить, что данный поток является простейшим. С помощью имитационного эксперимента было установлено, что закон распределения времени поступления заявок на СШ зависит от количества ПБ и с увеличением числа ПБ повышается вероятность возникновения очереди к общим информационным ресурсам. Закон распределения заявок изменяется от потока Эрланга 2-го порядка до потока Пуассона, причем интенсивность потока равна = 0,05 мкc-1. Результаты эксперимента также показали, что в специализированных ВС обслуживание заявок происходит в соответствии с законом Эрланга. В зависимости от быстродействия ОП и архитектуры ВС порядок закона Эрланга может изменяться от k = 1 до k = 3. Интенсивность обслуживания заявок для рассмотренных случаев изменяется в пределах = 0,09 – 1,02 мкc-1.

Полученные статистические гипотезы и оценки были проверены с помощью критерия Пирсона (), кроме этого, последовательности интервалов, полученных при исследовании входного потока, также оценивались на наличие корреляции между ними и присутствие тренда в интенсивности потока. Для проверки использовался критерий оценки того, что при фиксированном числе событий пуассоновского процесса они независимо и равномерно распределяются по рассматриваемому периоду наблюдения. Полученные результаты позволили использовать для разработки базовых аналитических моделей аппарат марковских случайных процессов.

В главе 3 «Аналитическое описание специализированных вычислительных систем на базе SMP-архитектуры с алгоритмом доступа к общим вычислительным ресурсам FIFO, RAN, PRI, R-R» представлены математические модели, предназначенные для аналитического описания исследуемых специализированных ВС с SMP-архитектурой и предобслуживанием ПБ. При рассмотрении ВС как СМО приняты обозначения, предложенные Кендаллом, включающие четыре переменные, описывающие СМО, а также дополнительно введенная информация об алгоритме выбора заявок из очереди. Первая переменная описывает характеристики входящего потока и может принимать значения М, Ек, D, G, где М – закон Пуассона; Еk – закон Эрланга k-го порядка; D – детерминированный поток; G – произвольное распределение. Вторая переменная описывает характеристики времени обслуживания и принимает такие же буквенные обозначения, как и при описании входящего потока. Третья компонента принимает значение, равное числу обслуживающих устройств. Четвертая задает алгоритм выбора заявки из очереди.

Рассмотрим следующие варианты выбора заявки: FIFO, PRI, R-R. Тогда, классификационное представление Е2/G/1/m/FIFO описывает СМО с одним обслуживающим устройством и очередью ограниченной емкости m, эрланговским входящим потоком второго порядка и произвольным распределением времени обслуживания с дисциплиной доступа к СШ «первый пришел – первый обслужился». В работе рассмотрим следующие базовые математические модели ВС с SMP-архитектурой: Е2/Е2/1/m/FIFO, Е2/Е2/1/m/PRI, Е2/Е2/1/m/R-R; Е2/M/1/m/FIFO, Е2/M/1/m/PRI, Е2/M/1/m/R-R; M/Е2/1/m/FIFO, M/Е2/1/m/PRI, M/Е2/1/m/R-R.

Для каждой модели определены следующие характеристики: среднее время нахождения заявки в системе; среднее время нахождения заявки в очереди. Для оценки использования предобслуживания в специализированных ВС с SMP-архитектурой на основе перечисленных моделей дополнительно разработаны новые аналитические модели, учитывающие механизм предобслуживания, которые позволяют определить среднее время переориентации системы с использованием равноправного и приоритетного предобслуживания.

Pages:     ||
|



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.