Разработка вычислительной системы заданного типа

Исходные данные для системы

Параметры задач, решаемых системой Таблица 1. Параметры задач, решаемых системой

Параметры файлов Таблица 2. Параметры файлов

Трудоемкости задач и число обращений к файлам Таблица 3. Трудоемкости задач и число обращений к файлам

1. Определение вычислительной нагрузки, создаваемой набором задач Для получения однородного описания рабочей нагрузки определяют следующие характеристики средней задачи:

1) интенсивность поступления:

=

=0,3

2) (Доля задач класса m в смеси)

3) трудоемкость процессорных операций:

=

=

4) среднее число обращений к файлу Fk:

Dk =

D (F1)= 180*0,2=36

D (F2)= 220*0,2 + 220 * 0,13 333=73,333

D (F3)= 220*0,16 666=36,6666

D (F4)= 160*0,3=48

D (F5)= 200*0,2=40

D (F6)= 150*0,2+250*0,3+180*0,13 333+180*0,166 666=159

D (F7)= 0

D (F8)= 80*0,2+200*0,3+150*0,133 333+150*0,2+150*0,16 666=151

D (F9)= 0

D (F10)=220*0,2+180*0,3+200*0,1333+200*0,16 666=158

5) общее число обращений к файлам:

D =

D = 702

6) средняя длина блока записей файлов:

l ср бл = ()/D

l ср бл = 334,71? 335 Кбайта

7) среднее число обращений источников информации к задаче:

Q =

Q = 30,8

8) среднее количество прерываний ВЭ определяется с учетом того, что любая операция обращения к файлу Fk вызывает прерывание ВЭ:

HВЭ = D + Q + 1

HВЭ = 733,8

9) средняя трудоемкость (количество операций) непрерывного счета на ВЭ:

0 = / HВЭ

0 = 211,68 млн. операций

2. Эскизный проект

На стадии эскизного проекта необходимо определить структуру ВС и приблизительно оценить ее характеристики.

2.1 Выбор базовой конфигурации ВС Базовую конфигурацию еще называют минимальной. Она должна, во-первых, содержать устройства, номенклатура которых определяется потребностями задач и архитектурой базовой ЭВМ, и, во-вторых, обеспечивать обработку этих задач за конечное время, т. е. функционировать в стационарном режиме.

Для построения ВСТД на базе IBM PC необходимо использовать следующий стандартный набор модулей:

центральный процессор;

накопитель на жестком диске (большой емкости или винчестер);

контроллер;

системная шина (канал);

терминалы;

мультиплексоры (концентраторы, хабы);

сетевые адаптеры (контроллеры, карты);

каналы (линии связи).

2.2 Определение параметров устройств минимальной конфигурации

2.2.1 Выбор центрального процессора Условие для определения минимального быстродействия процессора:

ВЦПр > *

ВЦПр > 0,3* 155 333,3= 46 600,00 млн. оп.

Выберем центральный процессор Intel i3−2100 3.3 ГГц

2.2.2 Выбор контроллеров Обычно эти устройства имеют стандартные характеристики, одинаковые для всех ЭВМ семейства. Поэтому необходимо определить минимальное количество таких устройств из условия

Kконтр > контр * vконтр контр = * D = 210,6 — интенсивность потока запросов на обмен с файлами.

vконтр = lср. бл / Вконтр = 0,471 423 с

Kконтр > 210,6 * 0, 471 423 = 0,9928 Kконтр = 1.

2.2.3 Выбор накопителей При выборе накопителей и определении их количества необходимо выполнить два условия: обеспечение стационарного режима и наличие емкости, необходимой для размещения файлов.

Стационарный режим устанавливается при коэффициенте загрузки

или .

Коэффициент загрузки определяется по формуле

где — среднее время доступа к накопителю

где — количество обращений к файлам, назначенным на данное ВЗУ.

Для одного винчестера DВЗУ = D = 702 следовательно:

= 0,3 * 702 = 210,6

Для проверки наличия стационарного режима можно записать следующее ограничение:

где: = 1/(0,3*0,471) = 793,65 вышеописанное условие не выполняется и нужно назначить файлы на несколько накопителей.

Назначаем файлы на 2 накопителя:

DВЗУ1=D1 + D2 + D4 + D8 = 308,333

DВЗУ2=D3 + D5 + D6 + D10 = 393,6667

Определим емкость накопителей, необходимую для размещения файлов:

GВЗУ1 = 56 + 68 + 54 +68 = 246Gb

GВЗУ2 = 88 + 56 + 45 + 62 = 251Gb

Проверим наличие стационарного режима

793,65 > 308,333 и

793,65 > 393,6667 все файлы назначаются на 2 накопителя

= 0,3 * 308,333 = 92,4999

= 0,3 * 393,6667= 118,1

вычислительный нагрузка процессор накопитель

= 92,4999 * 0,471= 0,42 018

= 118,1* 0,471= 0,5364

Поскольку = 0,42 018< 1 и = 0,5364< 1, следовательно, стационарный режим обеспечен.

В качестве накопителей выберем жесткие диски 320Gb Seagate (Maxtor) 7200 Barracuda со средним временем доступа 4,2 мс.

2.2.4 Выбор числа терминалов Это число определяется количеством рабочих мест (источников информации), оговоренных в техническом задании (Количество абонентов = 7).

2.2.5 Выбор числа линий связи Определим число линий связи:

ЛС = ЛС * vЛС ЛС = * Q = 0,3 * 30,8 = 9,24 — потока запросов от удаленных пользователей

vЛС = Z / ВЛС = 3000 / 10 000 = 0,3

ЛС = 9,24 * 0,3 = 2,772 3 линий связи, что целесообразно.

Число линий определяет количество сетевых адаптеров (контроллеров):

КСА = 2 * КЛС = 2 * 1 = 2 сетевых адаптера.

Мультиплексоры (хабы) обеспечивают подключение линий к ЭВМ или удаленных терминалов — к линии. Количество мультиплексоров:

КМПД КЛС / К вх. МПД = 1/7 1 мультиплексор.

2.3 Проверка корректности ограничения на время При решении задачи посчитаем времена обслуживания на узлах:

Ограничение на время U* больше Umin, т. е. оно задано корректно.

Спецификация базовой конфигурации ВСТД на IBM PC

2.4 Структурная схема базовой конфигурации проектируемой ВС

Рисунок 2.1 Структура базовой конфигурации

3. Модель базовой конфигурации ВС

Рисунок 3.1 Модель базовой ВСТД на базе IBM PC

4. Оценка характеристик ВС с помощью моделей

4.1 Параметры модели

Модель задана, если заданы ее параметры:

1) количество узлов (СМО) — N ;

N = 5

2) число каналов K1, …, KN в СМО S1, …, SN;

S1: K1 = 2;

S2: K2 = 1;

S3: K3 = 1;

S4: K4 = 1;

S5: K5 = 3;

3) интенсивность источника заявок (задач) ;

= 0,3

4) средние длительности обслуживания в узлах v1, …, vN;

5) связи между СМО, которые представляются в виде матрицы вероятностей передач P = p[i, j]. Элемент рij этой матрицы задает вероятность перехода заявки из СМО Si в СМО Sj в процессе решения задачи. Матрица имеет размерность (N+1)*(N+1), так как в сети используется дополнительная (фиктивная) СМО S0 — источник заявок.

1. рВЭ0 — вероятность окончания счета, рВЭ, 0 = 1/Н ВЭ = 1/733,8 = 0,0013,

где Н ЦПР — количество прерываний центрального процессора.

2. рВЗУ — вероятность обращения к НМД с номером k,

рВЗУ1 = DВЗУ1/Нцпр = 308,33/733,8 = 0,42,

рВЗУ2 = DВЗУ2/Нцпр = 393,666/733,8 = 0,5364,

где DВЗУ — количество обращений к НМДk.

3. рЛС — вероятность обращения к линии связи,

pЛС = Q / Hцпр= 30,8/733,8= 0,41 973

где Q — количество обращений удаленных пользователей к задачам.

Матрица имеет размерность (N+1)*(N+1), так как в сети используется дополнительная (фиктивная) СМО S0 — источник заявок.

Таблица 4.1 Параметры модели

Таблица 4.2 Параметры СМО

4.2 Определение характеристик ВС с помощью модели

Таблица 4.3 Полученные характеристики ВСТД

Среднее число заявок, ожидающих обслуживания в сети: 36,0270

Среднее число заявок пребывающих в сети: 41,4688

Среднее время обслуживания в сети: 18,1394

Среднее время ожидания в сети: 120,0902

Среднее время пребывания в сети: 138,2296

5. Оптимизация структуры ВС

Основной прием оптимизации разгрузка «узких мест «. Если некоторый коэффициент n > 0.5 для одноканальной СМО (или коэффициент загрузки канала многоканальной СМО n канала >0.5), то соответствующее устройство можно считать «узким местом» системы.

В данной системе «узкими местами» являются узлы СМО4, СМО5. Для разгрузки системы меняем структуру — СМО4 становится СМО3 с 2мя контроллерами, добавляем СМО5 с 2мя контроллерами. Так же, по условию задания нам доступны цифровые линии связи, используем их вместо телефонных, в 2 канала. Пропускную способность цифровых линий берём чуть выше средней, в 30кбодсек.

Рисунок 5.1 Оптимизированная структурная схема Рисунок 5.2 Оптимизированная модель ВСТД Таблица 5.1 Характеристики оптимизированной модели ВСТД

Среднее число заявок, ожидающих обслуживания в сети: 1,2 138 316 553 423

Среднее число заявок пребывающих в сети: 4,85 565 260 205 659

Среднее время обслуживания в сети: 12,1 394 031 557 143

Среднее время ожидания в сети: 4,4 610 551 780 767

Среднее время пребывания в сети: 16,185 508 673 522

В оптимизированной системе значительно уменьшились времена пребывания заявок в системе.

6/ Технический проект ВС

6.1 Исследование влияния накопителей другого типа на характеристики ВС К полученной базовой конфигурации подключим накопитель Твердотельный накопитель SSD 2.5″ SATA-3 60Gb Corsair со средним временем доступа 1,5 мс. На этот накопитель назначим файл F6 длиной 45 Гбайт и проведем исследование полученной модели (рисунок 6.1).

Рисунок 6.1 Базовая модель ВСТД + Flash накопитель Перераспределим файлы на накопителе ВЗУ2:

DВЗУ1 = 393,6667 — 159 = 234,6667

Параметры модели:

1) количество узлов (СМО) — N = 6 ;

2) интенсивность источника заявок (задач) =0.3;

3) средние длительности обслуживания в узлах v1, …, vN;

v flash = 0,0015 c.

4) рВЗУ — вероятность обращения к НМД с номером k,

рВЗУ1 = DВЗУ1/Нцпр = 0,420 187

рВЗУ2 = DВЗУ2/Нцпр = 0,319 796

рflash = D1/Нцпр = 0,21 668

Остальные параметры возьмем из пункта 4.1.

Таблица 6.1 Параметры модели

Таблица 6.2 Параметры СМО

Таблица 6.3 Характеристики ВС с Flash — накопителем

Среднее число заявок, ожидающих обслуживания в сети: 10,1 602 600 195 451

Среднее число заявок пребывающих в сети: 15,257 954 776 688

Среднее время обслуживания в сети: 16,9 923 158 571 429

Среднее время ожидания в сети: 33,8 675 333 984 838

Среднее время пребывания в сети: 50,8 598 492 556 266

При переносе файла F6 происходит разгрузка контролера ВЗУ2. Уменьшается среднее время пребывания в сети, среднее число заявок находящихся в сети и находящихся на обслуживании, а так же среднее время ожидания в сети.

6.2 Исследование влияния количества устройств (линий связи) Выполняем расчеты, на модели минимальной конфигурации изменяя число линий связи (т.е. изменяя число каналов) от 4 до 8.

При 4 каналах.

Среднее число заявок, ожидающих обслуживания в сети: 29,4 849 663 564 516

Среднее число заявок пребывающих в сети: 34,9 267 873 031 658

Среднее время обслуживания в сети: 18,1 394 031 557 143

Среднее время ожидания в сети: 98,2 832 211 881 719

Среднее время пребывания в сети: 116,422 624 343 886

При 5 каналах.

Среднее число заявок, ожидающих обслуживания в сети: 28,8 711 601 334 256

Среднее число заявок пребывающих в сети: 34,3 129 810 801 399

Среднее время обслуживания в сети: 18,1 394 031 557 143

Среднее время ожидания в сети: 96,2 372 004 447 521

Среднее время пребывания в сети: 114,376 603 600 466

При 6 каналах.

Среднее число заявок, ожидающих обслуживания в сети: 28,7 268 280 732 423

Среднее число заявок пребывающих в сети: 34,1 686 490 199 566

Среднее время обслуживания в сети: 18,1 394 031 557 143

Среднее время ожидания в сети: 95,7 560 935 774 745

Среднее время пребывания в сети: 113,895 496 733 189

При 7 каналах.

Среднее число заявок, ожидающих обслуживания в сети: 28,6 877 409 937 894

Среднее число заявок пребывающих в сети: 34,1 295 619 405 036

Среднее время обслуживания в сети: 18,1 394 031 557 143

Среднее время ожидания в сети: 95,6 258 033 126 312

Среднее время пребывания в сети: 113,765 206 468 345

При 8 каналах.

Среднее число заявок, ожидающих обслуживания в сети: 28,6 771 319 711 516

Среднее число заявок пребывающих в сети: 34,1 189 529 178 659

Среднее время обслуживания в сети: 18,1 394 031 557 143

Среднее время ожидания в сети: 95,5 904 399 038 387

Среднее время пребывания в сети: 113,729 843 059 553

Вывод: При увеличении числа линий связи происходит снижение коэффициента загрузки СМО линий связи, времени ожидания в очереди, а также среднее время пребывания в сети. Среднее время обслуживания в сети не изменяется.

Список используемых источников

Проектирование вычислительных систем. Методические указания к курсовому проектированию, 2002.

Конспект лекций по проектированию ВС.