Выбор уровня детализации

Тема : «Выбор уровня детализации»

Уровни детализации  ВС.

Вопросы технологии построения моделей ВС решены в настоящее  время лишь частично. Процесс создания моделей вообще не подлежит полной формализации. Это объясняется в  первую очередь чрезвычайным многообразием  систем и целей моделирования.

На начальных стадиях  разработки необходимо конкретизировать цели моделирования и последовательно  выполнить ориентацию, стратификацию, детализацию и локализацию. По результатам  конкретизации цели моделирования  выявляются характеристики и зависимости, которые должны быть определены с  помощью моделирования. Подавляющее  число моделей ориентируется  на анализ ВС при их использовании  по прямому назначению, то есть в  качестве средств обработки и  хранения данных.

При разработке модели ВС ключевой проблемой является правильный выбор  уровня детализации. Можно всю ВС представить в виде одного элемента или дифференцировать на отдельные  функциональные блоки, узлы, устройства и так далее. В вычислительной технике в качестве систем рассматриваются  на нижнем уровне логические элементы, такие как схемы дизъюнкции, конъюнкции и другие.

На следующем уровне в  роли систем выступают цифровые устройства – регистры, сумматоры. Дешифраторы  и другие комбинационные схемы, которые  образуются путем определенных соединений логических элементов. На очередном  уровне системами являются отдельные  функциональные устройства – процессоры, контроллеры, накопители и так далее.

Наиболее широко исследуется  системный уровень, на котором в  качестве системы рассматривается  ВС, а ее элементами считаются функциональные устройства.

На более высокий уровень  поднимается модель сети ЭВМ. Здесь  в качестве элементов могут выступать  отдельные машины. Наконец, к самому высокому уровню можно отнести модели совокупностей сетей ЭВМ.

В модель ВС могут включаться средства, не имеющие физической  связи с основными устройствами, а также люди, принимающие непосредственное участие в технологическом процессе обработки данных. Именно при моделировании  ни системном уровне под заявкой  целесообразно понимать требование на выполнение одной программы, одного цикла выполнения программы по обработке  запроса пользователя или определенного  количества исходных данных.

Последовательности  моделей.

При решении вопроса о  конкретизации понятия заявки и  выборе уровня детализации следует  рассмотреть возможность разработки последовательности моделей. Это означает, сто вначале проектируется и  используется для решения задачи модель первого порядка сложности. На основе опыта ее исследования строится модель второго порядка сложности, которая обладает более глубоким уровнем детализации, большим числом составляющих и параметров. Вторая модель может быть модификацией первой или полностью отличается от нее по своему решению.

В случае необходимости создается  модель третьего порядка сложности. Этот процесс продолжается до тех  пор, пока не будет получена модель. Которую можно считать наиболее подходящей для достижения поставленных целей. Принцип создания итерационной последовательности моделей наиболее целесообразен при проектировании новых ВС.

Изложенный принцип предполагает продвижение по стратам сверху вниз. В противоположность этому принципу можно использовать продвижение  снизу вверх: для функционального  устройства, у которого слабо изучены  зависимости выходных параметров от входных воздействий, сначала строятся модели его элементов, после их анализа  строится модель устройства, с помощью  которой определяют те зависимости, которые в последствии используют для определения в качестве элемента исследуемой системы.

Декомпозиция  системы.

После решения вопроса  об уровне детализации надо изучить  возможность расчленения ВС на подсистемы и создания самостоятельных моделей  отдельных подсистем.

Задача декомпозиции системы  в общем случае не является тривиальной. Разделение системы можно произвести по функциональной обособленности подсистем  или по минимуму функциональных связей. В последнем случае имеется в  виду не только количество, но  направленность и мощность связей. Например, можно  расчленить две подсистемы, связанные  прямой связью, но нельзя членить подсистемы, имеющие как прямые, так и обратные связи. Мощность информационной связи  можно оценить пропускной способностью. При декомпозиции не должно быть потеряно свойство системы -  ее целостность.

Применение принципа декомпозиции системы позволяет распараллелить процесс моделирования. При использовании  принципов последовательности и  декомпозиции моделей следует руководствоваться  критерием: чем меньше составляющих имеет модель, тем проще ее исследование.

 

Тема: « Преобразование алгоритмов»

Представление алгоритмов.

Общий поток поступающих  в ВС заявок целесообразно подразделить на однородные потоки. Одним из основных критериев дифференцирования потоков  является характер технологического процесса обработки данных по заявке – это, в первую очередь, последовательность использования ресурсов ВС по обслуживанию заявки, то есть маршрут заявки. Дополнительными критериями могут служить любые другие параметры заявок: интенсивность поступления заявок в систему, количество обрабатываемых данных, приоритеты и так далее.

При анализе маршрутов  заявок для всех автономных устройств  следует руководствоваться организацией технологического процесса, установленного для данной ВС, а для всех комплексных устройств — программами. Программа является наиболее полным и точным предписанием любых операций по вводу-выводу и обработке данных для всех устройств ВС, работающих в комплексном режиме.

Для построения модели вместо программ следует использовать их алгоритмы с той или другой степенью детализации.

 При выборе уровня  детализации алгоритма следует  выделить операции обработки, ввода-вывода, команды перехода, обеспечивающие разветвление алгоритма, и операции обращения к другим программам, в том числе и к программам операционной системы. Алгоритм удобно изображать в виде блок-схемы или графа. Далее необходимо определить трудоемкости выполнения отдельных блоков и вероятности разветвления алгоритма.

В реальных программах условия перехода по той или другой ветви алгоритма определяются по результатам предшествующей обработки данных. При моделировании обработка данных не производится, а отмечается только сам факт обработки и фиксируется ее длительность. Поэтому в алгоритме, подготовленном для моделирования, следует задать для всех точек разветвления вероятность перехода по каждому из возможных направлений.

Точное определение трудоемкостей  выполнения отдельных блоков алгоритма  и вероятностей переходов путем  специальных многократных испытаний  алгоритма в однопрограммном  режиме работы ЭВМ.

Необходимые сведения получают путем анализа программ и обрабатываемых данных. Если программы представлены на алгоритмическом языке, то для определения трудоемкости выполнения процессорных блоков можно воспользоваться статистическими сведениями о зависимостях между операторами языка и количеством машинных команд.

Упрощение алгоритмов. На следующем шаге подготовки алгоритма надо попытаться укрупнить (интегрировать) его для уменьшения числа блоков, а следовательно, и числа моделируемых операций. Это можно сделать в результате преобразований алгоритма или исключения второстепенных блоков.

Для дальнейшего можно  включить вызываемую подпрограмму в  соответствующий блок для обработки  данных процессором; заменить циклически повторяемые участки с известным  числом циклов одним блоком процессорной обработки с пропорциональным увеличением  длительности обслуживания; объединить в одной операции несколько последовательных обращений к одному и тому же устройству ввода-вывода; исключить из алгоритма  несущественные операции, длительности которых много меньше длительности других операций.

При всех преобразованиях  алгоритма следует учитывать, как  эти преобразования отразятся на результатах моделирования. Изложенные преобразования должны быть проведены  для всех программ, включаемых в  модель. Из управляющих программ операционной системы или специальных программ управления телеобработки и сетевой  обработки данных в модель могут  войти в виде соответствующих  укрупненных алгоритмов программы  задач и сообщений, управления вводом-выводом, обработки прерываний, распределения  ресурсов и так далее. Совокупность всех алгоритмов достаточно однозначно определяет все функциональные устройства ВС, которые должны быть включены в  модель.

 

 

 

Тема: «Разработка  модели рабочей нагрузки»

Выделение составляющих модели рабочей нагрузки. Модель рабочей нагрузки ВС представляет собой совокупность потоков заявок:

X={X1,…,Xm},  M-число потоков.

Каждый поток характеризуется  приоритетом К, правилами и параметрами для определения времен поступления заявок Тз, последовательности В и величин С использования ресурсов:

Хм={К,Тз,В,С}

Приоритет указывает статус заявок данного потока среди других потоков. Если имеется только один поток  или все потоки равноправны, приоритет  может отсутствовать. Приоритет  зачастую определяет степень срочности  заявок. Он может иметь разные значения по функциям ввода Квв, обработки Ко, хранения Кr и вывода Кв или по видам ресурса одного класса:

К={Квв,Ко,Кr,Кв}

Приоритет обычно задается числовым или символичным кодом.

По способу задания  последовательности использования  ресурсов, т. е. по маршрутизации заявок, модели потоков разделяются на трассировочные и вероятностные. В трассировочных моделях последовательность использования ресурсов указывается в явном виде. Маршрут заявок полностью определяется алгоритмом обработки данных. В вероятностных моделях задаются вероятности перехода заявки к одному из следующих ресурсов или к завершению обработки.

Модель потока заявок должна содержать алгоритм и параметры, позволяющие определять величины использования  каждого ресурса во времени и в пространстве (для накопителей и коммуникаторов).

Все параметры модели потоков  заявок определяются по результатам статистической обработки измерений или оценок экспертиз рабочей нагрузки. При подготовке исходных данных сложнее всего определять параметры внешних воздействий для проектируемых систем. Успешно решить данную задачу можно несколькими путями; один из них — моделирование тех объектов или процессов, которые являются источниками нагрузки проектируемой ВС.

Выбор режима функционирования. На следующем шаге необходимо выбрать режим или режимы функционирования ВС, которые подлежат анализу путем моделирования. При этом надо иметь в виду, что аналитические формулы для вычисления выходных характеристик зачастую выведены из условия установившегося (стационарного) режима функционирования системы. Практически все средства статистического моделирования рассчитаны на исследование моделей, имитирующих стационарный режим работы ВС. Это означает, что все параметры системы и потока заявок остаются неизменными в ходе одного эксперимента. В частности, у параметров, задаваемых случайными величинами, сохраняются постоянными функции распределения и, кроме того, вероятностные характеристики функционирования системы не зависят от времени.

Однако режим работы ВС далеко не всегда может быть стационарным из-за нестационарности рабочей нагрузки. При скачкообразном изменении нагрузки ВС некоторое время работает в переходном режиме до момента входа в установившийся режим. Очевидно, что стационарный режим может устанавливаться только в том случае, когда производительность ВС достаточна для обслуживания заявок.

В простых случаях производится кусочно-линейная аппроксимация параметров нагрузки, и для моделирования выбирается один из характерных режимов функционирования ВС: типичный, пиковый, наименее напряженный и т. п. В выбранном режиме параметры системы и нагрузки принимаются неизменными.

Однако при нескольких потоках заявок, поступающих в  ВС, далеко не всегда можно выделить характерные режимы по векторам параметров потоков: минимумы и максимумы интенсивностей поступления заявок и трудоемкостей использования ресурсов могут приходиться на разные интервалы исследуемого периода функционирования системы. Часто оказывается, что в наиболее важный пиковый режим работы интенсивность поступления заявок превышает интенсивность их обслуживания,  хотя в целом система справляется с обслуживанием за счет кратковременности пикового режима. Если выбрать для анализа только пиковый режим, то работа системы будет характеризоваться неограниченным возрастанием очередей заявок. В подобных ситуациях нельзя рассматривать систему как стационарную. Появляется необходимость использования методов исследования нестационарных систем.

 

Тема: « Упрощение  модели»

Слияние потоков. После окончательной подготовки алгоритмов обработки данных, выделения технологических цепочек обслуживания заявок, обработки исходных данных и определения параметров следует рассмотреть возможности слияния двух или более потоков заявок в один поток с интегральными параметрами. При этом в одном потоке могут оказаться заявки, имитирующие требования  на решение совершенно не схожих по содержанию задач, но имеющие одинаковые маршруты обслуживания, приоритеты, объемы обрабатываемых данных и другие параметры. Чем меньше потоков заявок, тем проще составить модель и тем быстрее можно провести моделирование.

В модель ВС включаются функциональные устройства, задействованные в технологических цепочках обслуживания всех потоков заявок, а также средства, которые обеспечивают взаимосвязь выбранных устройств. Таким образом, в модель не входят те устройства, которые реально имеются в ВС, но не используются для обслуживания заявок в избранном режиме функционирования системы.

При составлении структурной схемы  модели следует иметь в виду, что  некоторые конструктивно законченные (обособленные) устройства могут состоят  из нескольких функционально независимых устройств. B модели такие устройства должны быть представлены соответствующим числом функциональных устройств.