Оценка производительности ВС

5. Оценка производительности ВС В начале проектирования любой сложной системы разработчики пытаются выделить основное свойство системы, которое необходимо обеспечить в результате еѐ создания. Таким свойством является полное соответствие системы своему назначению. Степень соответствия системы своему назначению называется эффективностью системы. Обычно эффективность не удаѐтся определить одной величиной, и поэтому еѐ представляют набором величин, называемых характеристиками системы. Естественно, этот набор должен наиболее полно отображать основное свойство системы. Если это свойство мы определим, как способность системы выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения своих параметров в заданных пределах, то основными характеристиками системы должны быть следующие:  производительность  надѐжность  стоимость Для того чтобы характеристику, а, следовательно, и эффективность системы оценить количественно, вводится понятие показателя характеристики. С точки зрения оценки эффективности вычислительных систем, еѐ показатели определяются параметрами системы, в качестве которых выступают величины определяющие, например, число процессоров, ѐмкость памяти, быстродействие основных компонент ВС. Таким образом, последовательность объектов, с помощью которых осуществляется оценка эффективности ВС, может быть представлена следующим образом: свойство – характеристика – показатель – параметр Как было уже определено выше, производительность это характеристика вычислительной мощности системы, определяющая количество вычислительной работы, выполняемой системой в единицу времени (другими словами, количество прикладных задач, выполненных системой в единицу времени). В настоящее время существует большое количество различных способов, методов и методик оценки производительности ВС и это связано не только с существованием огромного количества видов ВС, но и с тем, что производительность определяется большим числом параметров, как самой вычислительной системы, так и прикладных задач. Поэтому существует довольно сложная проблема выделения частных показателей производительности ВС и параметров, оказывающих наиболее сильное влияние на значения этих показателей. Среди частных показателей можно отметить следующие:  номинальная производительность   комплексная производительность 33  системная производительность. Номинальную производительность (НП) ВС можно определить как совокупность таких параметров системы как быстродействия устройств, входящих в еѐ состав (процессора, памяти, канала обмена): НП = {БПР, БП, БК}, где БПР - быстродействие процессора БП - быстродействие памяти БК быстродействие системы коммутации Например, если БПР=2ГГц, БК=133МГц, то Pentium 4 будет работать как Pentium II. Таким образом, номинальная производительность характеризует только потенциальные возможности вычислительной системы, которые не могут быть достигнуты в реальной обстановке решения конкретной прикладной задачи. Следует отметить, что довольно часто номинальная производительность оценивается только одним параметром быстродействием основного элемента системы - процессора, а в случае нескольких процессоров - суммарным их быстродействием. Для того, чтобы оценить влияние на производительность таких факторов как конфликты при обращении процессора к памяти, каналам ввода-вывода и другим общим ресурсам системы, используется другой показатель - комплексная производительность (КП). Комплексная производительность, так же как и НП определяется совокупностью тех же параметров, однако, их значения вычисляются как произведения значений быстродействий в формуле для НП на некоторые коэффициенты Кi, принимающие значения меньшие единицы: КП ={БПР·K1, БП·K2, БК·K3}, где К1 - коэффициент, указывающий на простои процессора из-за конфликтов при обращении к разделяемым ресурсам, К2 - коэффициент, указывающий на простои памяти, например, из-за занятости канала связи при обращении к ней процессора, К3 - коэффициент, указывающий на то, что по каналу связи кроме основной информации передаѐтся и так называемая служебная информация, например, контрольные биты, которые «съедают» часть быстродействия системы коммутации. К1, К2, К3 < 1, т.е. реально на прикладных задачах максимальное быстродействие не достигается, т.к. процессор иногда простаивает из-за памяти; канал обмена передает не только данные, но и служебную информацию. При оценке системной производительности (СП) необходимо ещѐ учитывать и то, что на тех же ресурсах, которые заняты для выполнения прикладных задач, реализуются компоненты системного программного обеспечения. Наиболее точной оценкой СП является статистическая оценка при выполнении системой на длительном интервале времени случайного 34 потока задач, приближенного к реальному режиму функционирования вычислительной системы. В этом случае число задач n, выполненных системой за время T, является случайной величиной и тогда: n СП = T Другим способом определения системной производительности является еѐ вычисление через среднее значение tср интервала между моментами окончания обработки задач tj, поступающих на вход системы в случайные моменты времени, тогда: 1 СП = t ÑÐ СП = {БПР·K1·K1', БП·K2·K2', БК·K3·K3'}, где К1', К2', К3' < 1, т.к. выполнение функций операционной системы (ОС) тоже занимает ресурсы процессора. Пусть задачи в систему поступают в случайные моменты времени 1з( момент поступления задачи 1), 2з …, а результаты обработки выдаются в моменты Р1з( момент выдачи результата задачи 1), Р2з…, как это показано на рис . 1 2 з 3 з U1 з 4з U2 U3 P2з 2 5з U4 P1з t1 P3з t2 P4з P5з t3 t4 1 Рис.5.1 Временная диаграмма выполнения потока задач Анализируя временную диаграмму можно получить n1  T 1 - интенсивность входного потока и T ÑÐÏ 3 ÑÐÏ3 Ui  i1 – среднее время n 1 между моментами поступления задач, где ( n 1) – число интервалов, Ui – интервал между моментами поступления задач Определим  как интервал времени между моментом поступления задачи и моментом выдачи результата еѐ выполнения, назовѐм его временем отклика на задание, а через tСР – среднее время выдачи результатов, тогда 1  - интенсивность выходного потока (число задач, выполненных t ÑÐ системой в единицу времени). Таким образом,  является оценкой системной производительности (СП). 35 n1 t i t ÑÐ  i1 n 1   ср *  * Рис.5.2 Зависимость интенсивности выходного потока и времени отклика от интенсивности входного потока *,  * - критические значения, т.е. выше  * входной поток делать не имеет смысла.  n  ÑÐ  i1 n i - среднее время отклика (решения задачи) При проектировании вычислительных систем по критерию производительности у еѐ разработчиков возникает сложная проблема так организовать вычислительный процесс, чтобы входящие в еѐ состав аппаратные средства были бы максимально загружены. Показателем эффективного использования этих средств в процессе функционирования системы является коэффициент их загрузки КЗ. Он определяется как отношение времени Ti, в течение которого i-ое рассматриваемое устройство занято выполнением непосредственно своих функций, ко всему времени наблюдения cистемы T: T КЗ= Ti Таким образом, рассмотрены способы оценки производительности через применение по существу тактовой частоты работы основных устройств системы (либо длительности цикла) и статистических методов. Однако, существуют и другие методы оценки производительности вычислительных систем, которые широко применяются на практике как разработчиками так и их пользователями. Рассмотрим их более подробно.