3.Проводятся измерения процесса функционирования объекта в реальных или специально создаваемых условиях.

4.Измерительные данные обрабатываются и соответствующим образом интерпретируются.

Экспериментальные, методы обеспечивают получение наиболее достоверных данных о вычислительных системах, в чем их преимущество по сравнению с аналитическими и имитационными методами, основанными на использовании моделей. Во многих случаях экспериментальные методы являются единственным источником информации о функционировании и свойствах вычислительных систем. Например, количественная оценка параметров рабочей нагрузки систем общего назначения производятся в основном экспериментальными методами. Особенно велико значение экспериментального метода при решении задач эксплуатации, так как совершенствование конфигурации и режима функционирования систем не мыслимо без использования измерительных данных, представляющих конкретные условия работы системы. Недостатки экспериментальных методов - большие затраты труда и времени на проведение экспериментальных исследований, а также частный характер получаемых результатов, распространение которых на системы с другой конфигурацией и режимом функционирования требует достаточно сложной работы.

7.3. ПРИНЦИПЫ АНАЛИЗА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ

Производительность вычислительных систем общего назначения оценивается в зависимости от области применения номинальной, комплексной, системной производительностью и производительностью на рабочей нагрузке (см. § 1.3). Номинальная производительность характеризует только быстродействие, или производительность устройств, входящих в состав системы. Комплексная производительность учитывает не только быстродействие устройств, но и структуру системы - ее влияние на быстродействие совместно функционирующих устройств. Системная производительность учитывает как вышеназванные факторы - быстро действие устройств и структуру связей между ними, так и влияние операционной системы. Производительность на рабочей нагрузке (кратко -производительность) отображает все факторы, влияющие на системную производительность, и, кроме того, свойства рабочей нагрузки - задач, решаемых вычислительной системой. С производительностью тесно связана такая характеристика качества обслуживания пользователей, как время ответа, т. е. время пребывания задач в системе. Поэтому при оценке производительности определяется не только количество работы, выполняемое системой в единицу времени, но и время ответа для всего множества задач и отдельных классов задач.

Производительность вычислительной системы проявляется, с одной стороны, в скорости обработки задач, а с другой - в степени использования ресурсов системы. Чем больше загружены ресурсы, тем выше производительность системы, и недогрузка ресурсов свидетельствует о наличии резервов для повышения производительности. Поэтому при анализе производительности системы оцениваются не только показатели производительности, но и показатели, характеризующие использование ресурсов.

Производительность вычислительной системы связана с продолжительностью процессов обработки задач, которая зависит от трех факторов: 1) рабочей нагрузки; 2) конфигурации системы; 3) режима обработки задач. Эти три фактора в совокупности определяют порядок развития вычислительных процессов во времени, и первая задача анализа производительности сводится к порску компактных и информативных форм представления вычислительных процессов. Эти формы создают концептуальную (понятийную) основу для оценки функционирования вычислительных систем в процессе эксплуатации и при исследовании с помощью моделей производительности. Вторая задача анализа - создание моделей, позволяющих прогнозировать производительность систем для различной конфигурации, режимов обработки и, возможно, разной рабочей нагрузки.

Способы описания процессов функционирования. Применительно к задачам анализа производительности функционирование вычислительной системы рассматривается как совокупность процессов, связанных с использованием ресурсов системы. К ресурсам R = (Rj,...,Rn+P} относятся устройства R13...,RN, разделяемые между процессами во времени,

а также устройства памяти (память) RNRN+P, разделяемые во времени и по емкости. Процесс характеризуется тройкой параметров: J =< t, A, T >, где t - момент начала процесса; А - атрибуты, устанавливающие имя источника процесса (пользователя, программы и т.п.), и факторы, влияющие на режим обработки (имя класса, приоритет и др.); Т- трасса процесса. Трасса характеризует порядок использования ресурсов и представляется последовательностью событий T = (1з...,SK}, связанных с изменением состояния процесса.

Событие Sk характеризуется моментом его возникновения tk, именем ресурса, с которым

связано событие, и параметрами, определяющими использование ресурса (занятие или освобождение, тип операции, выполняемой устройством, емкость выделяемой памяти и т. д.). В трассе фиксируется весь объем данных, отображающих взаимодействие процесса с ресурсами и позволяющих установить порядок обращения к ресурсам и объем их использования. Трасса представляет процесс наиболее полно. Однако у этой характеристики существенный недостаток - большой объем данных. Так, обычно на одну реализацию вычислительного процесса приходится 103-106 обращений к периферийным устройствам, что составляет 103-106 смен состояний процесса или 105-107 байт данных.

(Dp

Ввод

о5

S И и§5§Уgo

l*s Is J£

ао

Вывод

Рис. 7.8. Профиль вычислительного процесса

Более компактная форма представления процесса - профиль процесса (рис. 7.8). Для построения профиля выделяются фазы процесса: ввод, ожидание во входной очереди, ожидание памяти и т. д. Реализация процесса представляется в виде последовательности фаз, продолжительность пребывания в которых характеризуется значениями rt (время

использования устройств) и mt (время ожидания). Сумма этих значений составляет время

пребывания задания в системе. Профиль процесса дает наглядное представление о продолжительности каждой фазы и соотношении длительности фаз. Для повышения информативности профиль снабжается данными о числе обращений к устройствам, а также о емкости используемой памяти, в том числе о минимальной, средней и максимальной требуемой емкости. Таким образом, профиль определяет времяtn использования

устройств R1,...,RN и число обращенийnN к каждому из устройств, а также

потребность в памяти.

Профиль процесса отображает свойства программы и одновременно режима обработки. Свойства программы проявляются в объеме использования ресурсов - времени использования устройств и емкости памяти. Режим обработки сказывается на времени ожидания. В однопрограммном режиме состояние ожидания отсутствует. С увеличением уровня мультипррграммирования время ожидания возрастает, особенно для низкоприоритетных процессов. На время ожидания влияет уровень загрузки системы, который возрастает с интенсивностью поступления заданий на обработку и приводит к увеличению времени пребывания заданий в очередях.

Процессы в вычислительных системах разделяются на два класса: прикладные и системные. Прикладной процесс связан с актом обслуживания пользователя и представляет собой некоторую единицу работы - выполнение задания. Прикладные процессы поддерживаются системными процессами, порождаемым управляющими программами операционной системы. К системным относятся процессы системного ввода - вывода и супервизорные Системные процессы, как и прикладные; потребляют ресурсы системы -оперативную и внешнюю память, процессорное время каналы ввода-вывода и НМД. Объем использования ресурса зависит от режима обработки (уровень мультипрограммирования число инициированных процессов системного ввода - вывод и т. д.), а также от параметров заданий (число шагов и описаний наборов данных, число обращений к наборам данных и т. д.). Путем измерений определяется загрузка ресурсов со стороны системных процессов. Потребность системных процессов в ресурса: обычно выражается в виде уравнений регрессии, аргументами которых являются параметры прикладных процессов.

Способы описания загрузки ресурсов. Производительность системы непосредственно связана с загрузкой устройств. Загрузка устройства - время, в течение которого устройство занято работой, т. е. не простаивает. Если тх,...тк - длительность

рабочих интервалов и Т - время работы системы, то загрузка устройств; на отрезке времени Т.

Р = T* 1(7.10)

Если номинальное быстродействие устройства равно V операций в секунду, то фактическое быстродействие с учетом простоев устройства из-за недогрузки составляет рУ

операций в секунду. Если 3 - среднее число операций, выполняемых устройством при обработке одного задания, то производительность системы, исчисляемая в обрабатываемых за секунду заданиях,

Л = рУ/3(7.11)

Следовательно, загрузка устройства характеризует производительность системы с точностью до коэффициента пропорциональности.

При анализе производительности большую роль играет не только значение, но и структура загрузки - составляющие, из которых складывается значение р. Типичная структура представлена на рис. 7.9. В данном случае выделено три класса процессов (видов нагрузки): системные процессы, пакетная и оперативная обработка. Два последних относятся к прикладным процессам. Указанные классы процессов создают загрузку рс, рп и р0 соответственно.; Эти значения характеризуют время работы устройства, используемое для реализации соответствующих функций. Сумма p = pc + pn + po равна загрузке устройства, а значение = 1 - Р характеризует простой. Простой обусловлен двумя факторами. Во-первых, для компенсации пульсаций нагрузки, связанной с оперативной обработкой данных, выделяется резерв, за счет чего обеспечивается приемлемое время ответа при пиковых нагрузках, во-вторых, возможна нехватка других ресурсов, из-за чего рассматриваемое устройство не может быть загружено полностью в рамках данной конфигурации, режима функционирования системы и текущей нагрузки.

Структуру загрузки можно представить более детально, если, например, в составе системных процессов выделить ввод - вывод, пакетную обработку разделить на несколько классов задач и т.д. Структура загрузки всех ресурсов системы дает представление о распределении ресурсов между процессами и о резервах для увеличения производительности и улучшения качества обслуживания пользователей.