несколько задач, называется мультипрограммной обработкой или, кратко, мультипрограммированием. При этом процессы обработки, относящиеся к разным задачам, одновременно выполняются различными устройствами системы, способными функционировать параллельно. В этом случае говорят, что система обработки данных функционирует в мультипрограммном режиме4. Цель мультипрограммирования -увеличение производительности системы.

Число задач, находящихся в системе, называется уровнем мультипрограммирования. Уровень мультипрограммирования влияет на производительность и время ответа системы следующим образом. На рис. 1.13 штриховыми линиями показана зависимость производительности системы X, и среднего времени ответа U от уровня мультипрограммирования М. При изучении этих зависимостей удобно кривые Х(М) и U(M) представлять ломаными линиями, состоящими из двух прямых - асимптот и характеризующими верхнюю и нижнюю оценку: Х(М) и U(M) соответственно. В однопрограммном режиме (M=1) время ответа U = U1 = 3, где 3 определяется по формуле (1.7). При этом производительность Л = Л = 1/U1.

Рис. 1.13. Влияние уровня мультипрограммирования на производительность и время ответа

С увеличением уровня мультипрограммирования М увеличивается вероятность того, что большее число устройств одновременно занято выполнением задач. Но вместе с тем вероятность того, что несколько задач одновременно обращаются к одному устройству, достаточно мала, и поэтому время ожидания оказывается незначительным. Однако при уровне мультипрограммирования M = M* возникает ситуация, когда, по крайней мере, одно устройство оказывается полностью загруженным. Дальнейшее увеличение числа задач не приводит к росту производительности X, которая определяется производительностью X* этого устройства, но при М>М* начинает резко возрастать время ответа U, поскольку все большее число задач ожидает момента освобождения устройств5. Значение М* называется

В тех случаях, когда необходимо подчеркнуть, что параллелизм в работе системы достигается именно за счет одновременной обработки нескольких независимых задач, а не параллельных процессов решения одной задачи, вместо термина «мультипрограммный режим» используется термин «мультизадачный режим».

5 Полезно сопоставить характер изменения времени ответа на рис. 1.12 и 1.13. Ка рис. 1.12 при интенсивности входного потока задан А-+-Х* время от вета 1/-*-оо, а на рис, 1.13 при уровне мультипрограммирования М-*-М* время ответа {7-»>соп5{, хотя в обоих случаях производительность системы Х-»-ЯЛ Дело в том, что при Л>Х* система функционирует з нестационарном режиме, когда в единицу времени поступает (А-X*) заданий, которые не могут быть обработаны, если А>Я*. Поэтому теоретически число заданий в системе может оказаться сколь угодно большим и в пределе, при /->-<», - бесконечным. На рис, 1.13 система всегда Функционирует в стационарном режиме с постоянным числом задач М, находящихся и ней. Поэтому время ответа во всех случаях конечно.

точкой насыщения мультипрограммной смеси, а также точкой насыщения системы и зависит в первую очередь от числа устройств, которые в составе системы могут функционировать параллельно. Чем больше число устройств, тем больше М*. Кроме того, на значение М* существенно влияют свойства задач. Если задачи преимущественно используют одно устройство, то значение М* невелико и может быть равным единице. Если задачи загружают все устройства, то значение М* определяется числом устройств в системе.

Работа системы при уровне мультипрограммирования М>М* неэффективна, поскольку нет выигрыша в производительности и увеличивается время ответа.

Производительность X и среднее время ответа U связаны между собой зависимостью

X = M / U(1.9)

которая называется формулой Литтла и является фундаментальным законом теории массового обслуживания.

В системе, состоящей из N устройств, загрузка которых равна р,..., pN , среднее число

задач m, выполняемых одновременно в мультипрограммном режиме, равно суммарной загрузке устройств:

N

m=

i =1

N

(НО)

Остальные M - m задач находятся в состоянии ожидания. Число одновременно выполняемых задач, определяемое (110), называется коэффициентом мультипрограммирования и равно отношению производительности системы в мультипрограммном режиме X к производительности в однопрограммном режиме X = 1/ 0, если затраты ресурсов на организацию мультипрограммирования возрастают пропорционально числу одновременно выполняемых задач, т. е.

m = X/ X(1.11)

Таким образом, коэффициент мультипрограммирования m является показателем увеличения производительности системы за счет мультипрограммирования. Из (1.10) следует, что коэффициент мультипрограммирования

1 < m < N(1.12)

где N - число устройств системы, способных функционировать параллельно с каждым из N-1 остальных устройств. При этом предполагается, что система работает без отказов.

Оперативная и пакетная обработка данных. Применительно к СОД, предназначенным для информационного обслуживания пользователей (но не технических объектов и систем), принято выделять два режима обработки данных: оперативную и пакетную обработку. Оперативная обработка данных характеризуется: 1) малым объемом вводимых - выводимых данных и вычислений, приходящимся на одно взаимодействие пользователя с системой (на одну задачу); 2) высокой интенсивностью взаимодействия и вытекающим отсюда требованием уменьшения времени ответа. Оперативная обработка необходима в системах банковских, резервирования билетов, справочных и др. Пакетная обработка данных характеризуется: 1) большим объемом вводимых - выводимых данных и вычислений, приходящимся на одно взаимодействие пользователя с системой (на одну задачу); 2) низкой интенсивностью взаимодействия и допустимостью большого времена ответа. Пакетная обработка типична для вычислительных центров научно-технического профиля, систем обработки учетно-статистических данных, результатов геофизических измерений и т. д.

0,1с

0,01 0,1110100 1000 1/ч

Рис. 1.14. Время ответа и интенсивность взаимодействия пользователей с системой для разных

режимов обработки

Области типичных значений времени ответа U и интенсивности X0 взаимодействия пользователя с системой, соответствующие оперативной и пакетной обработке, представлены на рис. 1.14. Произведение p0 = Л0и определяет нагрузку, создаваемую

пользователем. Значение p0 можно рассматривать, во-первых, как долю времени, в течение

которого пользователь обслуживается системой, и, во-вторых, как вероятность того, что в произвольный момент времени система инициирована пользователем, т. е. обслуживает его. Значение 1 - p0 определяет долю времени, в течение которого пользователь не взаимодействует с системой, и одновременно вероятность этого состояния. Так, для пакетной обработки (Л0 = 0,2ч - и U = 0,15ч) типичная нагрузка, создаваемая одним пользователем, p0 = 0,2 • 0,15 = 0,03.

В рамках оперативной обработки выделяют два режима: запрос - ответ и диалоговый. Режим запрос - ответ характеризуется меньшей интенсивностью и большей продолжительностью взаимодействия по сравнению с диалоговым режимом. Типичный пример использования режима запрос-ответ - справочная служба на основе ЭВМ. При этом пользователь формирует текст запроса, который вводится в ЭВМ, и ответ должен быть получен за несколько десятков секунд. Работа в диалоговом режиме предполагает практически мгновенный контакт пользователя с системой, при котором система реагирует на действия пользователя с задержкой в несколько секунд или доли секунды. Наиболее жесткие ограничения возникают, когда система должна обслуживать элементарные манипуляции пользователя, работающего за терминалом: например, реагировать на нажатие каждой клавиши. В этом случае время ответа не должно превышать 0,1 с. Менее жестким является режим, когда система должна реагировать только на моменты окончания набора строк, обеспечивая время ответа, равное нескольким секундам. Быстрота реакции системы на действия пользователя является непременным условием диалогового режима.

Диалоговый режим создает максимальные удобства для пользователя, обеспечивая постоянный контроль вводимых данных (программ и исходных данных), минимальное время ответа, возможность оперативного вмешательства пользователя в процесс решения задачи и оперативный доступ пользователя к системе. За счет этого минимизируются потери из-за простоя пользователей в ожидании результатов, некорректных действий пользователей; или «неожиданного» поведения программ. Однако диалоговый режим обеспечивается за счет использования системы с большой производительностью, что требует больших капитальных