описывается в виде микропрограмм, временных диаграмм, автоматов, булевых функций и электрических процессов. На конструкторском уровне вычислительная система описывается как совокупность конструктивных единиц - шкафов, секций и типовых элементов замены, связанных между собой кабельными, проводными и печатными соединениями. Многоуровневое представление структур и функционирования позволяет описать вычислительную систему с необходимой полнотой и одновременно в наиболее компактной лаконичной форме.

Вычислительные системы проектируются по схеме «сверху вниз» - от верхних уровней представления структуры и функционирования к нижним, т. е. сначала на системотехническом уровне и затем на схемотехническом и конструкторском. В связи с этим выделяются этапы системотехнического, схемотехнического и конструкторского проектирования вычислительных систем. По завершении системотехнического проектирования разрабатывается параллельно со схемотехническим и конструкторским проектированием программное обеспечение. Порядок разработки и состав программной документации определяется стандартами Единой системы программной документации (ЕСПД).

8.2. СИСТЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Цель системотехнического проектирования - определить следующие аспекты построения вычислительной системы:

1)структуру (конфигурацию) - состав технических средств (ЭВМ, устройства, каналы передачи данных) и связи между ними: (система интерфейсов);

2)режим функционирования - способы взаимодействия пользователей с системой и организацию вычислительных процессов (ввод, хранение, обработка и вывод данных);

3)состав лингвистического, информационного и программного обеспечения и порядок взаимодействия программ;

4)характеристики - производительность, время ответа, надежность, стоимость и др. Структура, режим функционирования, состав лингвистического, информационного и

программного обеспечения должны быть оптимально согласованы с назначением системы, определяемым техническим заданием, и в конечном итоге обеспечивать требуемые характеристики системы.

Современное состояние теории вычислительных систем не позволяет решать все задачи системотехнического проектирования формальными методами, устанавливающими последовательность действий для получения оптимального результата. Поэтому существенная роль отводится эвристическим методам решения, основанным на опыте и интуиции проектировщиков. На практике системотехническое проектирование сводится к решению трех основных задач: выбора и разработки базовой структуры, обеспечения требуемой производительности и надежности. Первая задача - главная, так как при ее решении учитывается назначение системы и требования к производительности и надежности. Задачи обеспечения требуемой производительности и надежности направлены на оптимизацию параметров, структуры системы и технических характеристик устройств и интерфейсов в рамках базовой структуры. При решении этих задач, широко используются модели и методы теории вычислительных систем и теории надежности.

Выбор и разработка базовой структуры. Существует широкая номенклатура систем обработки данных: системы централизованной обработки на основе одной или многих несвязанных ЭВМ, обеспеченных при необходимости средствами теледоступа; многомашинные и многопроцессорные комплексы; глобальные (региональные) и локальные вычислительные сети. Перечисленные системы существенно различаются по производительности и надежности, объему хранимых данных и сложности реализуемых алгоритмов, а также в отношении расширения функциональных возможностей, увеличения производительности и надежности. Если в техническом задании не определен тип вычислительной системы, то первая задача системотехнического проектирования - выбор

типа системы, наилучшим образом удовлетворяющего ее назначению. Основные факторы, влияющие на выбор типа системы, - рабочая нагрузка, режим взаимодействия пользователей с системой, требования к надежности и состояние производственно-технической базы, на основе которой предполагается создавать систему.

Рабочая нагрузка определяет потребность задач (пользователей) в ресурсах-памяти, процессорной обработки и ввода - вывода данных. На основе данных о рабочей нагрузке можно приближенно оценить минимальную необходимую емкость оперативной и внешней памяти и тип внешних запоминающих устройств, минимальную необходимую производительность процессоров и пропускную способность подсистемы ввода - вывода. Режим взаимодействия пользователей с системой - пакетная обработка, «запрос - ответ», диалоговый режим и обработка в реальном времени-влияет на уровень загрузки ресурсов системы, состав и число устройств ввода - вывода данных. При пакетной обработке: загрузка процессоров, памяти и системных устройств ввода - вывода оказывается наибольшей и составляет примерно 75-90 %. При обработке данных в режиме «запрос - ответ», диалоговом; режиме и реальном времени для уменьшения времени ответа создается запас производительности устройств обработки и ввода - вывода, а также запас емкости памяти, чтобы сохранить необходимое качество обслуживания при пульсациях нагрузки. За счет этого загрузка основных устройств и памяти системы составляет обычно не более 50-70 %. Таким образом, исходя из сведений о рабочей нагрузке и. достижимого уровня загрузки устройств определяется примерная потребность в емкости памяти, производительности процессоров и в средствах ввода - вывода. Кроме того, тип данных, обработка которых возлагается на систему, предопределяет тип операций над ними: целочисленной арифметики, с плавающей запятой, десятичной арифметики над полями переменной длины, обработки текстов, матриц и т. д. Эти факторы влияют на выбор типа процессоров и ЭВМ.

базовая структура вычислительной системы

С централизованной обработкой

С распределенной обработкой

й ы н д о р о н д

О

й ы н д о р о н д

О

й ы н д о р о н д

О

Рис. 8.1. Варианты базовой структуры вычислительных систем

При выборе базовой структуры наиболее сложный момент - анализ состояния производственно-технической базы и возможности использования в проектируемой системе серийно выпускаемых технических средств (ЭВМ, процессоры, внешние запоминающие устройства, устройства ввода-вывода, аппаратура передачи данных и сопряжения каналов с

ЭВМ) и существующего программного обеспечения. При проектировании вычислительных систем, за исключением принципиально новых, стремятся в максимальной степени использовать серийно выпускаемые устройства и существующее программное обеспечение, ориентируясь на средства ЕС ЭВМ, СМ ЭВМ или совместное применение этих средств.

В результате оценки потребностей в ресурсах и анализа состояния производственно-технической базы выбирается и обосновывается базовая структура проектируемой системы. При этом различные варианты построения систем (рис. 8.1) выравниваются по степени соответствия заданной рабочей нагрузке, требованиям к производительности и надежности с учетом состояния производственно-технической базы. В рамках выбранною варианта детализируются существенные моменты структурной организации и функционирования вычислительной системы: для многомашинных комплексов выбираются способы комплектования ЭВМ. разделения, рабочей нагрузки между ЭВМ и управления процессами, для многопроцессорных комплексов - способ доступа к общей памяти и периферийным устройствам, для вычислительных сетей - способ передачи данных и состав функций. В результате исследований, проводимых на стадиях технического предложения и эскизного проекта, формируется базовая структура вычислительной системы, обеспечивающая необходимую производительность процессорной обработки, надежность, а также режимы обслуживания пользователей.

Обеспечение требуемой производительности. Производительность вычислительной системы зависит от следующих основных факторов: 1) структуры системы; 2) режима функционирования; 3) характеристик рабочей нагрузки. Кроме того, на производительность существенно влияет надежность системы, поскольку в результате отказов часть ресурсов или вся система теряет работоспособность на время восстановления системы.

Обеспечение требуемой производительности в процессе системотехнического проектирования сводится к оценке производительности исследуемых вариантов построения системы, а также к оптимизации структуры и режима функционирования для достижения заданной производительности при минимальной стоимости системы.

Основным инструментом при исследовании производительности являются модели производительности вычислительных систем. Создаваемые модели базируются на эмпирических представлениях о процессе функционирования проектируемой системы и, естественно, не могут превосходить их по сложности. Структура проектируемой системы достаточно полно и точно задается выбранной базовой структурой и воспроизводится в модели с любой необходимой степенью подробности. Однако, формирование представлений о рабочей нагрузке (создаваемой потоками обрабатываемых задач) и системной нагрузке (порождаемой операционной системой при заданном режиме обработки задач и составе рабочей нагрузки) вызывает существенные трудности, обусловленные следующими причинами.

Сведения о рабочей и системной нагрузке проектируемых систем, за исключением специализированных систем с ограниченным и фиксированным набором функций, обычно получают путем измерения нагрузки систем, находящихся в эксплуатации и обрабатывающих задачи подобного типа. Но даже при наличии представительной статистики, о работе существующих систем перенос имеющихся данных на систему с другой структурой и операционной системой приводит к значительным погрешностям в прогнозировании нагрузки, что связано со следующими обстоятельствами. Во-первых, при различии структуры и характеристик могут измениться принципы обработки данных и режим взаимодействия пользователей с проектируемой системой и, как следствие, характеристики рабочей нагрузки. Так, использование в проектируемой системе оперативной памяти большой емкости может привести к изменению структуры программ и перемещению в оперативную память значительной части операционной системы и данных, в результате чего уменьшится интенсивность обращений к внешней памяти. Использование во внешней памяти проектируемой системы накопителей большой емкости изменяет порядок размещения наборов данных по накопителям и интенсивность обращения к ним. Увеличение