WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |

На правах рукописи

Петрищев Дмитрий Вячеславович ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА СИСТЕМНОГО СОПРОВОЖДЕНИЯ ВЫЧИСЛЕНИЙ ДЛЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ С АВТОМАТИЧЕСКИМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ РЕСУРСОВ Специальность: 05.13.11 – “Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей”

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва – 2007 Диссертационная работа выполнена в Институте проблем информатики Российской академии наук.

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Владимир Павлович Торчигин

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Московского инженерно-физического института (государственного университета) Ярослав Афанасьевич Хетагуров кандидат технических наук, доцент Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана Александр Петрович Ковтушенко

Ведущая организация: ОАО «Научно-исследовательский институт супер ЭВМ»

Защита диссертации состоится “23” мая 2007 года в 16 часов на заседании диссертационного совета Д002.073.01 при Институте проблем информатики РАН по адресу: 119333, Москва, ул. Вавилова, д. 44, корп. 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем информатики РАН.

Автореферат разослан “20” апреля 2007 г.

Отзыв, заверенный печатью, просим отправлять в одном экземпляре по адресу:

119333, Москва, ул. Вавилова, д. 44, корп. 2.

Председатель диссертационного совета Д002.073.01, доктор технических наук И.А. Соколов 1

Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертации Современные высокопроизводительные вычислительные системы – суперЭВМ – играют значительную роль в ключевых областях науки и техники.

Для решения научных и технических задач создаются многопроцессорные суперкомпьютеры с производительностью 1012-1015 операций в секунду, которая достигается благодаря распараллеливанию вычислительных процессов.

Дальнейшее повышение производительности возможно как за счет увеличения количества содержащихся в вычислительной системе процессоров или машин, так и за счет поиска более эффективных методов распараллеливания вычислений.

В настоящее время во всем мире основное внимание уделяется созданию кластерных и массивно-параллельных систем на основе процессоров общего назначения. Производительность подобных систем сильно зависит от класса решаемых задач. Так, на задачах пакета LINPACK лучшие из современных суперЭВМ показывают максимальную производительность, равную 60-80% от пиковой производительности. Вместе с тем, на многих других задачах их производительность существенно ниже и может составлять 10-20% от пиковой производительности. Основными причинами этого являются сложность балансировки нагрузки на блоки вычислительной системы, высокие накладные расходы на синхронизацию вычислительных процессов и низкая эффективность механизмов кэширования данных при определенных схемах доступа к памяти (например, при нерегулярном доступе к данным или при частом доступе к глобальным данным из параллельно выполняющихся вычислительных процессов).

Чтобы обойти ограничения, присущие традиционным архитектурам высокопроизводительных вычислительных систем, во всем мире делаются попытки исследования и создания новых, нетрадиционных архитектур:

асинхронных, реляционных, рекурсивных, функциональных, потоковых и других. Весьма перспективными являются архитектуры, основанные на модели вычислений, управляемых потоком данных, работа над которыми проводится во многих странах мира, в том числе, в США, Японии, Великобритании и России. Одним из важнейших достоинств потоковых архитектур является возможность распараллеливания вычислений и балансировки загрузки процессоров на аппаратном уровне.

В отделе «Проблем построения информационно-вычислительных систем высокого параллелизма» Института проблем информатики Российской академии наук под руководством академика В.С. Бурцева были разработаны новые принципы организации вычислительного процесса и на их основе создана вычислительная система с автоматическим распределением ресурсов (ВСАРР), использующая гибридную модель вычислений, управляемых потоком данных, с динамически формируемым контекстом. Разработан инструментальный испытательный комплекс ВСАРР, включающий в себя имитационную модель системы, блочно-регистровую модель системы и макет системы на ПЛИС. Созданы инструментальные средства, позволяющие вести программирование для ВСАРР с использованием языка ассемблера и языка повышенного уровня. Таким образом, можно говорить о перспективах применения существующих моделей и макетов в качестве «испытательной лаборатории» для исследования различных научно-технических решений, отработки подходов к практическому применению ВСАРР.

Эффективность практического применения высокопроизводительного вычислительного комплекса во многом зависит от его операционной системы.

Основными функциями операционной системы являются управление задачами, управление памятью, организация ввода-вывода, поддержка файловой системы.

Как правило, при выполнении своих функций операционная система полагается на имеющиеся в ее распоряжении аппаратные средства, так что структура и алгоритмы работы операционной системы в значительной степени зависят от структуры и алгоритмов работы аппаратных средств. Следует заметить, что модель вычислений, которая положена в основу ВСАРР, и архитектура ВСАРР обладают рядом принципиальных отличий от моделей вычислений и архитектур других вычислительных систем. Поэтому не представляется возможным использовать для организации вычислений в ВСАРР какую-либо из существующих операционных систем (пусть даже с некоторыми доработками).

С другой стороны, некоторые из функций операционной системы являются в значительной степени нейтральными по отношению к модели вычислений и архитектуре ВСАРР. Например, механизмы удаленного доступа к вычислительной системе, реализованные во всех современных операционных системах, лишь в малой своей части привязаны к конкретным аппаратным средствам.

В данной диссертационной работе решается проблема создания программного комплекса системного сопровождения вычислений для вычислительной системы с автоматическим распределением ресурсов.

Разрабатываемый программный комплекс предназначен для организации многозадачного многопользовательского режима работы ВСАРР с возможностью удаленного доступа к ВСАРР. Программный комплекс обеспечивает возможность одновременной работы с ВСАРР большого количества пользователей, которые могут запускать на ВСАРР различные вычислительные задачи. Программный комплекс выполняет те функции операционной системы, которые являются зависимыми от модели вычислений и архитектуры ВСАРР – управление задачами, управление памятью, вводвывод исходных данных и результатов вычислений. При этом остальные функции ввода-вывода и поддержка файловой системы возлагаются на обычную операционную систему – такую, как Windows или Linux, что позволяет существенно сократить размер и сроки создания программного комплекса.

Цель и задачи работы Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию и разработке принципов организации вычислений с использованием вычислительной системы с автоматическим распределением ресурсов и созданию программного комплекса системного сопровождения вычислений для ВСАРР, позволяющего организовать эффективное практическое применение ВСАРР в составе традиционной вычислительной среды.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие основные задачи:

1) Анализ различных вычислительных систем с моделью вычислений, управляемых потоком данных, с точки зрения роли системного программного обеспечения при организации вычислений.

2) Исследование модели вычислений и архитектуры вычислительной системы с автоматическим распределением ресурсов.

3) Разработка принципов функционирования и структуры программного комплекса системного сопровождения вычислений для ВСАРР.

4) Реализация компонентов программного комплекса системного сопровождения вычислений для ВСАРР.

5) Исследование выполнения различных программ на инструментальном испытательном комплексе ВСАРР с использованием программного комплекса системного сопровождения вычислений для ВСАРР.

Объект и предмет исследования Объектом исследования является вычислительная система новой нетрадиционной архитектуры – вычислительная система с автоматическим распределением ресурсов, а также ее математическое обеспечение. Предметом исследования является программный комплекс системного сопровождения вычислений для ВСАРР.

Методы исследования Исследования проводились с использованием основных положений теории параллельных вычислений, теории высокопроизводительных вычислений и теории построения операционных систем. Реализация программного комплекса системного сопровождения вычислений для ВСАРР велась с применением компонентного подхода.

Научная новизна Впервые предложены программные средства, позволяющие организовать эффективное практическое применение ВСАРР в составе традиционной вычислительной среды.

Основные научные результаты работы таковы:

1) Предложены принципы функционирования программного комплекса системного сопровождения вычислений для ВСАРР, в том числе, принципы планирования задач в многозадачном режиме работы ВСАРР и принципы организации программной поддержки виртуальной памяти ВСАРР.

2) Предложена структура программного комплекса системного сопровождения вычислений для ВСАРР, позволяющая организовать многозадачный многопользовательский режим работы ВСАРР.

3) Созданы программные интерфейсы доступа к ВСАРР, позволяющие обеспечить удаленный доступ к ВСАРР и упростить интеграцию ВСАРР в традиционную вычислительную среду.

4) Исследовано выполнение различных программ на инструментальном испытательном комплексе ВСАРР с использованием программного комплекса системного сопровождения вычислений для ВСАРР, подтверждена работоспособность программного комплекса и получены оценки его эффективности.

Практическая значимость Практическая значимость работы заключается в следующем:

1) Реализован программный комплекс системного сопровождения вычислений для ВСАРР.

2) Разработаны и апробированы различные способы доступа пользователей к программному комплексу системного сопровождения вычислений для ВСАРР.

3) Создана интегрированная среда разработки программ для ВСАРР.

4) Создан ряд прикладных программ для ВСАРР.

Положения, выносимые на защиту 1) Разработанные методы планирования задач в многозадачном режиме работы ВСАРР и программные механизмы поддержки виртуальной памяти ВСАРР.

2) Разработанная структура программного комплекса системного сопровождения вычислений для ВСАРР.

3) Разработанные программные интерфейсы доступа к ВСАРР.

4) Исследование выполнения различных программ на инструментальном испытательном комплексе ВСАРР с использованием программного комплекса системного сопровождения вычислений для ВСАРР.

Реализация результатов работы Разработанные научно-технические решения были реализованы в Институте проблем информатики РАН в ходе исследования и разработки вычислительной системы с автоматическим распределением ресурсов, прошли апробацию на инструментальном испытательном комплексе ВСАРР и вошли в состав инструментального испытательного комплекса.

Апробация работы Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах в ИПИ РАН в 2003-2007 гг., а также на конференциях и научных форумах: на международной научной конференции «Искусственный интеллект – 2004. Интеллектуальные и многопроцессорные системы – 2004» (пос. Кацивели, Крым, 2004), на «II Научной сессии Института проблем информатики Российской академии наук: Проблемы и методы информатики» (Москва, 2005), на международной научно-технической конференции «Интеллектуальные и многопроцессорные системы – 2005» (пос.

Дивноморское, 2005), на научно-практическом семинаре «Новые информационные технологии в автоматизированных системах» (Москва, 2006).

Исследование разработанных методик, алгоритмов и программных решений проводилось в Институте проблем информатики РАН на инструментальном испытательном комплексе ВСАРР.

Публикации По материалам диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, список которых приводится в конце автореферата. Кроме того, по теме диссертации опубликованы материалы в научно-технических отчетах ИПИ РАН за 2003-2006 гг.

Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 138 страниц.

Содержание работы Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы цель и основные задачи исследований, приведено краткое описание структуры диссертации.

В первой главе диссертационной работы приведен обзор различных вычислительных систем с моделью вычислений, управляемых потоком данных, рассмотрена роль системного программного обеспечения при организации вычислений.

Основные принципы модели вычислений, управляемых потоком данных (dataflow), были сформулированы в 1974-1975 годах Джеком Деннисом (США).

Главная особенность этой модели вычислений заключается в том, что команда программы поступает на исполнение тогда, когда доступны (вычислены) все ее операнды. Для сравнения, традиционная модель вычислений фон-Неймана основывается на том, что команда программы поступает на исполнение тогда, когда на нее указывает счетчик команд.

По сравнению с традиционной моделью вычислений, модель вычислений, управляемых потоком данных, обладает рядом преимуществ. В частности, выявление параллелизма программ на уровне команд существенно упрощает решение проблемы балансировки нагрузки на процессоры вычислительной системы. Вместе с тем, для модели вычислений, управляемых потоком данных, характерен собственный набор проблем, которые необходимо учитывать при разработке системного программного обеспечения.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |






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