Предмет і задачі теорії комп'ютерних систем

Предмет і задачі ТЕОРІЇ Комп'ютерних Систем

ПРЕДМЕТ теорії

Теорія обчислювальних систем — інженерна дисципліна, що поєднує методи вирішення задач проектування й експлуатації ЕОМ, обчислювальних комплексів, систем і мереж.

Предмет теорії. Предметом дослідження в теорії обчислювальних систем є обчислювальні системи в аспектах їхньої продуктивності, надійності і вартості. У системі виділяються наступні складові:

технічні засоби, обумовлені конфігурацією системи — складом пристроїв і структурою зв’язків між ними;

режим обробки, що визначає порядок функціонування системи;

робоче навантаження, що характеризує клас оброблюваних задач і порядок їхнього надходження в систему.

Коли ЕОМ, обчислювальний комплекс, система чи мережа досліджується в цілому, як органічна єдність складових у взаємодії з навколишнім середовищем, і при цьому виявляються загальносистемні властивості і характеристики, говорять, що дослідження проводиться на системному рівні. Представлення досліджуваних об'єктів (ЕОМ, комплекси, системи і мережі) на системному рівні — найбільш характерна риса теорії обчислювальних систем.

Предметом дослідження може бути функціонування процесора, зовнішнього запам’ятовуючого пристрою і каналу введення — виведення, обмін даними між рівнями пам’яті, планування, обробка, системне введення вивід і ін. При цьому властивості елементів і підсистем вивчаються стосовно до цілям дослідження всієї системи, наприклад до оцінки продуктивності, і розглядаються як частини системи, що функціонують у взаємодії з іншими частинами.

Задачі аналізу

Задачі аналізу. Аналіз обчислювальних систем — визначення властивостей, властивій чи системі класу систем. Типова задача аналізу — оцінка продуктивності і надійності систем із заданою конфігурацією, режимом функціонування і робочим навантаженням Інші приклади задач визначення (оцінка) імовірності конфлікту при доступі до загальної шини, розподілу тривалості зайнятості процесора, завантаження каналу введення — виведення

У загальному випадку задача аналізу формулюється в такий спосіб. Виходячи з мети дослідження призначається набір характеристик Y={y1, …, yM1} досліджуваного об'єкта (обчислювальна система, її елемент, підсистема, деякий процес і ін.) і точність? = {??, ., ?м}, з яким вони повинні бути визначені. Потрібно знайти спосіб оцінки характеристик? об'єкта з заданою точністю? і на основі цього способу визначити характеристики.

При аналізі систем у процесі експлуатації оцінка характеристик? здійснюється, як правило, виміром параметрів функціонування з обробкою вимірювальних даних. У цьому випадку використовується методика, що встановлює склад вимірюваних параметрів, періодичність і тривалість вимірів, а також вимірювальні засоби і засоби обробки даних З метою скорочення витрат на аналіз прагнуть вимірювати по можливості менше число найбільш просто вимірюваних параметрів X={x1,…, x?}, а необхідний набір характеристик визначати непрямим методом — обчисленням з використанням залежностей yт= ?т (Х), т=1, …, М. Ці залежності, або мають статистичну природу, або створюються на основі фундаментальних закономірностей теорії обчислювальних систем.

При аналізі проектованих систем для оцінки характеристик? необхідно володіти моделлю F, що встановлює залежність Y=F (X) характеристик від параметрів системи X, що визначають її конфігурацію, режим функціонування, робоче навантаження. У цьому випадку розв’язок задачі зводиться до проведення на моделі експериментів, що дозволяють дати відповіді на цікавлячі питання. Точність оцінки характеристик проектованої системи залежить від адекватності моделі і похибки виміру параметрів X.

Задачі ідентифікації

Задачі ідентифікації. При експлуатації обчислювальних систем виникає необхідність у підвищенні їхньої ефективності шляхом підбору конфігурації і режиму функціонування, що відповідають класу розв’язуваних задач і вимогам до якості обслуговування користувачів. У зв’язку з зростанням навантаження на систему і переходом на нову технологію обробки даних може знадобитися зміна конфігурації системи, використовування більш сучасних операційних систем і реалізованих ними режимів обробки. У цих випадках варто оцінити можливий ефект, для чого необхідні моделі продуктивності і надійності системи. Побудова моделі системи на основі апріорних даних про її організацію до даних вимірів називається ідентифікацією системи.

Порядок ідентифікації обчислювальної системи ілюструється рис. 3.1. Відповідно до природи досліджуваних явищ для їхнього представлення пропонується функціональна модель, що описує явища з точністю до значень параметрів функцій. Процес створення такої моделі називається функціональною ідентифікацією системи. Як функціональні моделі можуть використовуватися різні математичні системи — диференціальні й алгебраїчні рівняння, мережі масового обслуговування й ін., що адекватно представляють досліджувані аспекти.

Рис. 3.1. Схема ідентифікації обчислювальної системи.

обчислювальний система задача ідентифікація

Після того як обрана функціональна модель, необхідно визначити її параметри. Цей процес називається параметричною ідентифікацією. Для параметричної ідентифікації до обчислювальної системи підключаються необхідні вимірювальні засоби.

Одержувані дані використовуються системою оцінки параметрів і характеристик для обчислення параметрів X* і характеристик Y* системи, а також параметрів моделі А={ап}. Система оцінки являє собою набір програм для обробки вимірювальних даних, що реалізує набір методів оцінки параметрів і характеристик. Обчислені значення параметрів, А вводяться в модель, цілком визначаючи неї. Значення параметрів X* і характеристик Y* системи використовуються для перевірки адекватності моделі, тобто оцінки похибки? відтворення моделлю характеристик системи. Оцінка здійснюється шляхом порівняння значень характеристик Y=F (X*), породжуваних моделлю, із зареєстрованими характеристиками Y* системи. Якщо модель адекватна системі, то використовується для прогнозування властивостей системи, що зводиться до обчислення на основі моделі характеристик Y=F (X), що відповідають новим значенням X параметрів системи.

Задачі синтезу

Задачі синтезу. Синтез — процес створення обчислювальної системи, що щонайкраще відповідає своєму призначенню. Вихідними в задачі синтезу є наступні дані, що характеризують призначення системи: 1) функція системи (клас розв’язуваних задач); 2) обмеження на характеристики системи, наприклад на продуктивність, час відповіді, надійність і ін.; 3) критерій ефективності, що встановлює спосіб оцінки якості системи в цілому. Необхідно вибрати конфігурацію системи і режим обробки даних, що задовольняють заданим обмеженням і оптимальні за критерієм ефективності. Типова постановка задачі синтезу: спроектувати систему, що забезпечує розв’язок заданого класу задач A із продуктивністю не менш? задач на годину, середньою наробітком на відмовлення не менш Т0 і мінімальною вартістю.

Математично задача синтезу обчислювальної системи формулюється в такий спосіб. Нехай — вектор параметрів, що характеризують клас задач A, розв’язок яких є функцією системи; S=(s1,…, sp) — вектор параметрів, що характеризує конфігурацію (структуру) системи; С = (с1, …, сr) вектор параметрів режиму обробки; Y=(y1 ,…, yM) — вектор характеристик системи, зв’язаний з параметрами задач ?, конфігурації S і режиму обробки З залежністю Y=F (?, S, З); S={Si} - множина можливих конфігурацій обчислювальних систем; С = {СJ} — множина можливих режимів обробки. Обмеження на характеристики і параметри системи будемо представляти у виді де — області припустимих значень відповідних характеристик і параметрів. Критерій ефективності системи представляється заданою функцією Е = Ф (Y), що залежить від характеристик системи, що у свою чергу визначаються її параметрами Y=F (?, S, C). У встановлених позначеннях задача синтезу обчислювальної системи формулюється так: визначити конфігурацію 5 і режим обробки C, що максимізує ефективність системи

(7.1)

при виконанні обмежень

(7.2)

На відміну від задачі аналізу, спрямованої на визначення характеристик системи? по заданих параметрах X, завдання синтезу полягає у визначенні параметрів конфігурації S і режиму обробки C, що відповідають параметрам робочого навантаження? і характеристикам системи ?, заданим у виді (7.1), (7.2). Для задач синтезу характерні два наступних моменти. По-перше, передбачається наявність моделі Y=F (?, S, C), що встановлює залежність характеристик системи від її параметрів. По-друге, задача синтезу являє собою оптимізаційну задачу і припускає використання методу оптимізації, що відповідає виду цільової функції (7.1) і обмеженням (7.2). Метод оптимізації повинний гарантувати визначення глобального оптимуму цільової функції? = ?(?), визначеної на множині конфігурацій S і режимів обробки С.

Складність задачі синтезу обчислювальної системи обумовлена числом варійованих параметрів, що описують конфігурацію і режим функціонування системи, і областю варіювання параметрів. При загальній постановці задачі синтезу, коли множині конфігурацій S і режимів обробки C містять у собі всі мислимі варіанти побудови систем (одномашинні і багатомашинні, мультіпроцесорні і мережні) і різні способи керування задачами, даними і завданнями, складність задачі синтезу перевершує можливості методів моделювання й оптимізації. Тому в загальній постановці задача синтезу обчислювальних систем виявляється нерозв’язною. Для рішення задачі синтезу її спрощують поділом на послідовність етапів, на кожнім з який виявляються окремі аспекти організації системи.

Виходячи з призначення системи (клас розв’язуваних задач, технологія обробки даних, вимоги до продуктивності й умови роботи) і стану елементної бази визначається клас обчислювальної системи: одномашинна система, мультипроцессорний комплекс, локальна мережа й ін. При цьому аналізується ефективність систем різних класів і вибирається клас, що щонайкраще задовольняє призначенню системи.

В обраному класі систем синтезується архітектура системи: визначається склад пристроїв, їхні функціональні можливості і технічні характеристики, типи інтерфейсів і структура зв’язків між пристроями, щонайкраще відповідають призначенню системи.

Визначається режим обробки даних і його параметри (склад і функції системних процесів, алгоритми розподілу ресурсів між завданнями і задачами, типи і діапазони пріоритетів і ін.). Цим установлюються функції керуючих програм операційної системи і склад системного програмного забезпечення.

Навіть при поділі задачі синтезу на три чи більші числа етапів синтез, зв’язаний з кожним етапом, не вдається звести до єдиної математичної процедури — задачі математичного програмування. Це обумовлено двома основними причинами. По-перше, синтез зв’язаний з різнотипними параметрами: одні є кількісними, а інші — якісними, тобто ознаками типу структури, пристроїв, пам’яті, інтерфейсів, способів керування процесами й ін. Тому синтез зводиться до задач чисельного математичного програмування, а також до комбінаторних задач на сполученнях, відносинах і т.д. Об'єднання різнотипних задач в одну задачу оптимізації виявляється не результативним через різнотипність обчислювальних процедур, що повинні використовуватися в процесі оптимізації. По-друге моделі, що маються в розпорядженні дослідників носять, як правило, локальний характер, відтворюючи властивості досить вузького класу структурних рішень і режимів функціонування. Об'єднання простих моделей у складну приводить до розривів функцій, не опуклим залежностям, що не тільки утрудняє, але практично виключає можливість застосування методів оптимізації.

З цих причин при синтезі систем прагнуть по можливості зменшувати розмірність задач шляхом поділу задачі синтезу на послідовність етапів, що зводяться до чисто комбінаторних, чи задачам чисельної оптимізації. При цьому проектування системи ведеться зверху вниз — від найбільш загальних рішень, зв’язаних із системою в цілому, до часткових рішень, що відноситься до окремих підсистем і їхніх частин. При розвязку багатьох задач синтезу приходиться використовувати дуже прості моделі функціонування системи і її складових, що приблизно представляють залежності між характеристиками і параметрами. У цих умовах вибір проектних рішень здійснюється на основі досвіду й інтуїції розроблювачів. Таким чином, синтез обчислювальних систем зводиться до розв’язку значного числа взаємозалежних задач вибору способів організації і визначення параметрів проектованої системи в різних аспектах її організації й у відношенні до різних підсистем і елементів. При цьому використовуються як формальні, так і евристичні методи, причому на останні приходиться значне число проектних задач, що виходять за рамки можливостей відомих методів теорії обчислювальних систем.