автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.13, диссертация на тему:Разработка и исследование методов организации измерительных аппаратных мониторов в стандарте КАМАК

Введение.

ГЛАВА I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АППАРАТНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ МОНИТОРОВ

1.1. Проблемы проектирования аппаратных мониторов.

1.2. Типы подключения аппаратных мониторов к ЭВМ

1.2.1. Мониторы, подключаемые к исследуемой ЭВМ посредством зонда

1.2.2. Мониторы, подключаемые к исследуемой ЭВМ через интерфейсные блоки.

1.2.3. Встроенные аппаратные мониторы

1.3. Измерений в сетях ЭВМ

Выводы

ГЛАВА 2. ОЦЕНКА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ КАНАЛОВ ЦП И ВС С ПОМОЩЬЮ МОНИТОРОВ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ВЫБОРКИ

2.1. Требования, предъявляемые мониторам периодической выборки.

2.2. Организация измерений на канале прямого управления

2 2Д.Структура программно-аппаратного комплекса

ПАИК ЕС.

2.3. Организация измерений на канале ввода-вывода.

2.4. Вопросы реализации модульных аппаратных мониторов с изменяемой программой измерений

2.5. Оценка мертвого времени аппаратных мониторов с изменяемой программой измерений

Выводы

3 Стр.

ГЛАВА 3. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И ВОПРОСЫ ОРГАНИЗАЦИИ ДВУХУРОВНЕВОЙ ПАМЯТИ

3.1. Проблемы проектирования мониторов трассирующего типа

3.2. Оценка алгоритмов замещения двухуровневой памяти на детерминированных циклических и стохастических моделях.

3.3. Проблемы аппаратной реализации многоуровневых алгоритмов замещения.

3.4. Принципы построения мониторов для проведения аппаратного моделирования.

3.5. Структура аппаратного монитора ВИКАМ.

3.6. Результаты экспериментов на аппаратном мониторе ВИКАМ.

3.7. Вариант организации адаптируемого алгоритма замещения для кэш-памяти.

Выводы

ГЛАВА 4. ОСОБЕННОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ АППАРАТНЫХ МОНИТОРОВ И АДАПТИВНЫХ АЛГОРИТМОВ ЗАМЕЩЕНИЯ КЭШ-ПАМЯТИ

4.1. Организация аппаратной компоненты монитора ПАИК ЕС ид

4.2. Организация моделирующего блока монитора ВШШ

4.3. Организация смены реализуемых алгоритмов для адаптивных алгоритмов замещения кэш-памяти . . . 140 Выводы 145 Заключение 146 Список литературы 148 Приложение I. Архитектура системы КАМАК

Интенсивное развитие вычислительных систем существенно увеличивает роль работ по оценке их производительности. Такие работы проводятся с целью выбора вычислительной системы, усовершенствования использующихся и разработки новых вычислительных систем (ВС). Необходимость проведения таких работ, их потребность для народного хозяйства подчеркивается высокой стоимостью и сложностью разработки, изготовления и наладки ВС. Методы исследования и оценки производительности ВС распадаются на теоретические и экспериментальные. К теоретическим относятся методы исследования с помощью аналитических и имитационных моделей [1,2,20,28,32]. К экспериментальным относятся методы измерения характеристик ВС в реальном времени с использованием для этого дополнительных аппаратных и программных средств, называемых мониторами [2,3,16,19,37,61] .

Работы по экспериментальной оценке ВС можно подразделить на три этапа: выбор области измеряемых параметров ВС, выбор типа и конфигурации монитора, планирование эксперимента.

Мониторы традиционно делятся на аппаратные [3,12,16,37, 39,40, 42-46,48,50-58,61,60], программные [з,16,37,58], а в последние годы и микропрограммные [35,42,4б]. Однако, с появлением гибридных мониторов, совмещающих в себе аппаратные и программные средства, четкая граница типов мониторов все более размывается. Анализ ВС с использованием аппаратных мониторов позволяет определить ее временные и частотные характеристики с высокой степенью точности, не расходуя на эти работы ее ресурсов. В дополнение к этому аппаратные мониторы в отличие от программных позволяют снимать трассы31 событий ВС без наложения на них собственной трассы монитора. Такие измерения необходимы, например, для исследования характеристик и оценки производительности оперативной и кэш-памяти.

Широкому применению аппаратных мониторов препятствует многообразие разработок, отсутствие единого механического стандарта с источником питания для размещения их измерительной и выходной логики. Эти причины обуславливают наличие единичных авторских разработок и трудность их практического тиражирования.

В связи с изложенным целью настоящего исследования является выявление и обоснование возможности общего подхода к ап- ; паратному анализу производительности ВС. Такой подход опреде- , лил структуру и выявил основные задачи исследования:

- исследование проблем проектирования аппаратных мониторов ;

- разработка и исследование возможностей общей структуры аппаратных мониторов периодической выборки;

- разработка методики оценки производительности каналов вводаяывода ЕС ЭВМ;

- разработка принципов проектирования аппаратных мониторов трассирующего типа на основе использования блоков моделирования для исследования производительности двухуровневой памяти;

- экспериментальное исследование производительности ВС к Трасса - поток событий, имеющих место при работе ВС, которые регистрируются в хронологическом порядке [2]. мониторами периодической выборки и трассирующего типа.

В процессе исследований мониторов периодической выборки была создана их структура, позволяющая собирать различные по измерительным возможностям конфигурации мониторов из серийно -выпускаемых блоков. Разработка и экспериментальное исследование моделирующего блока для мониторов трассирующего типа привели к созданию общей структуры для воспроизведения адаптируемых алгоритмов замещения кэш-памяти и формулированию требований к ее аппаратной реализации.

Актуальность предлагаемого исследования обуславливается отсутствием общего подхода к аппаратному анализу ВС, затрудняющему его широкое распространение. Внедрение предлагаемых методов построения мониторов позволит сократить до минимума объем разрабатываемых блоков при их проектировании, обеспечит возможность их укомплектования стандартными блоками и, следовательно, широкого тиражирования.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые был предложен общий подход к построению аппаратных мондторов: периодической выборки, подключаемых к каналам прямого управления и ввода-вывода и предложена методика измерения производительности последних этими мониторами; сформулированы общие принципы построения и предложена общая структура блоков моделирования мониторов для измерения производительности и моделирования алгоритмов замещэния двухуровневой памяти. На основе высокоскоростной параллельной универсальной структуры, лежащей в основе моделирующих блоков, предложен вариант структуры для реализации адаптируемых алгоритмов кэш-памяти.

Задачи, поставленные в диссертационной работе, решались с использованием аналитических и экспериментальных методов исследования. Теоретической основой исследования явилось применение методов теории массового обслуживания к исследованию производительности мониторов периодической выборки и алгоритмов замещения двухуровневой памяти. При экспериментальном исследовании производительности ВС использовались аппаратный монитор ШКАМ и программно-аппаратный комплекс ПАИК ЕС, примененные соответственно для исследования ЭВМ ЭКЛИПС и ЕС ЭВМ.

Практическая ценность исследования заключается в том, что с помощью разработанных мониторов ВИКАМ и ПАИК ЕС, а также предложенной методики измерения на канале ввода-вывода можно измерять производительность каналов и двухуровневой памяти ЭС ЭВМ и ЭВМ ЭКЛИПС.

Результаты научных исследований, проведенных в диссертационной работе, апробированы на вычислительных центрах Института проблем управления и Московского института электронного машиностроения, а также на кафедре экспериментальной физики Московского инженерно-физического института.

Выводы к гл. 4

1. Разработана структура аппаратной компоненты монитора ПАИК ЕС, обеспечивающая возможность двойного управления монитором: по каналу прямого управления и по магистрали КАМАК.

2. Предложена структура, объединяющая несколько блоков, реализующих пассивный и активный режимы измерений. Опираясь на нее как на базовую, можно создавать различные варианты мониторов.

3. Разработано аппаратное решение моделирующего блока, позволяющее реализовывать различные варианты многоуровневых алгоритмов, а также алгоритмы ЩИ и РПРУ.

4. Разработаны алгоритмы управления сменой алгоритмов в адаптируемом алгоритме замещения и предложена их аппаратная реализация.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе проведенных исследований измерительных аппаратных мониторов выявлена необходимость использования единого модульного стандарта со встроенным источником питания для их построения.

2. Предложена общая структура модульных мониторов периодической выборки с изменяемой программой измерений в стандарте КАМАК, подключаемых к исследуемой ВС с помощью интерфейсных блоков.

3. Разработана методика проведения измерений производительности каналов ввода-вывода мониторами периодической выборки с изменяемой программой измерений.

4. Предложена структура аппаратных составляющих гибридных мониторов, подключаемых на канал прямого управления, на основе которой разработана аппаратная часть программно-аппаратного комплекса ПАЖ ЕС. Проведены измерения динамического профиля ЦП и каналов ввода-вывода ЕС ЭВМ с помощью комплекса ПАЖ ЕС, выявившие низкий процент совмещения работы ЦП и каналов.

5. Проведен аналитический анализ алгоритмов замещения двухуровневой памяти, показавший преимущества многоуровневых алгоритмов.

6. Предложена общая структура мониторов для аппаратного моделирования алгоритмов замещения двухуровневой памяти, явившихся одним из решений проблемы вывода для мониторов трассирующего типа.

7. Предложена высокоэффективная параллельная структура, позволяющая реализовывать адаптивные алгоритмы замещения.

Одна из ее модификаций реализована в моделирующем блоке аппаратного монитора ВИКАМ.

8. Проведено экспериментальное исследование ЭВМ ЭКЛИПС с помощью аппаратного монитора ВИКАМ, которое позволило выявить преимущества многоуровневых алгоритмов замещения.

9. Разработанные алгоритмы эксплуатировались на вычислительных центрах Института проблем управления и МИШ, а также на кафедре экспериментальной физики в МИФИ.

1. Авен О.И., Коган Я.А., Управление вычислительным процессом в ЭВМ (Алгоритмы и модели). М.: Энергия, 1978, 240 с.

2. Авен О.И., ГУрин H.H., Коган H.A. Оценка качества я оптимизация вычислительных систем. М.: Наука, 1982, 464 с.

3. Авен О.И., Коган Я.И., Файнштейн И.А. Экспериментальное исследование вычислительных систем. Автоматика и вычислительная техника, 1974, №3, с. I-I4.

4. Аксенов В.П., Бочков С.Б. Элементная база ассоциативных ЗУ. Зарубежная радиоэлектроника, 1980, Л 5, с. 3-28.

5. Аналоговые и цифровые интегральные схемы / под ред. Якубовского. М.: Сов.радио, 1976 , 336 с.

6. Белобородская Т.В., Солодянников Ю.В. Организация измерений в сетях ЭВМ с коммутацией пакетов и сообщений. Зарубежная радиоэлектроника, 1978, 13, с. I38-I5I.

7. Бобков С.Г., Канцеров В.А. и др. Система съема и фильтрации информации с вершинного детектора на основе дрейфовых камер. Препринт ИФВЭ 83-34, Серпухов, 1983, 14 с»

8. Борисенко A.B., Гербек Э.Э. Программирование и макетирование микросхем постоянных запоминающих устройств. Препринт ИАПУ ДВНЦ АН СССР, Владивосток, 1982, 13 о.

9. Бронштейн И.И., Меликян A.A., Трахтенгерц Э.А. Факторы, влияющие на эффективность работы вычислительных систем. -Препринт Института проблем управления, М., 1981 ^ 46Q.

10. Грузинова Е.В. Аппаратный монитор ВИКАМ. В сб. Структура и организация систем реального времени. Иркутск, Сиб. ИЗМИР, 1983, с. 13-14.

11. II. Грузинова Е.В., Коган Я. А., Марон М.Е. Организация измерительной системы для ЕС ЭВМ. В сб. "Повышение эффективности ЕС ЭВМ и СМ ЭВМ в АСУ, М.: МДНТП им.Ф.Э.Дзержинского, 1982, с.54-56.

12. Грузинова Е.В. Современное состояние проектирования измерительных аппаратных мониторов. Измерение, контроль, автоматизация, 1983, Л 4, с.64-73.

13. Джермейн К. Программирование на 1ВМ 360. М.: Мир, 1971, 870 с.

14. Дедов Ю.А. и др. Малые ЭВМ и их применение. М.: Статистика, 1980, 231 с.

15. Донькин И.И., Беликова 1.Ф., Клейменов В.И. Модуль к ЭВМ СМ-1, СМ-2 для занесения информации в ППЗУ. Управляющие системы и машины, 1983, № 5, с,113-115•

16. Драммонд М. Методы оценки и измерений дискретных вычислительных' систем. М.: Мир, 1977, 381 с.

17. Дроздов Е.А., Комарницкии В.А., Пятибратов А.П. Электронные вычислительные машины Единой системы. М.: Машиностроение, 1981, 648 с.

18. Журавлев Н.И., Ли Зу Эк, Гнуен Мань Шат, Петров А.Г. Цифровые блоки в стандарте КАМАК, разработанные для исследований на синхроциклотроне. Препринт ОИЯИ 10-9479, Дубна, 1976, 30 с.

19. Карнаух В.Г., Гольдгабер Е.М., Горячкина З.В. Оцена производительности и контроль за функционированием вычислительных систем (обзор зарубежной литературы). Управляющие системы и машины, 1975, № I, с.71-79.

20. Клейнрок Л. Вычислительные системы с очередями. М.: Мир, 1979, 600 с.

21. Колпаков И.Ф. Электронная аппаратура на линии с ЭВМ в физическом эксперименте. М.: Атомиздат, 1974, 231 с.

22. Каган Б.М. Электронные вычислительные машины и системы. -М.: Энергия, 1979, 528 с.

23. Каналы ввода-вывода ЭВМ EC-I020 / под ред. Ларионова A.M. -М.: Статистика, 1976, 272 с.

24. Катцан Г. Вычислительные машины системы 370. М.: Мир, 1974, 508 с.

25. КемениД.Д., Снелл Д.Л. Конечные цепи Маркова. М.: Наука, 1970, 271 с.

26. Корнейчук В.й. Запоминающие устройства ЦВМ. К.: Техника, 1876, 158 с.

27. Мартин Д. Организация баз данных в вычислительных системах. М. :Шр., I960, 662 с.

28. Мачулин В.В., Пятибратов А.П. Эффективность системы обработки информации. МЛ Сов .Радио, 1972, 280 с.

29. НауманГ., Майлинг В., Щербина А. Стандартные интерфейсы для измерительной техники. М.: Мир, 1982 , 304 с.

30. Оганян Р.В., Овакимян С.А. Об одном способе подсчета вероятностей замещения информации в сверхбыстродействующей буферной памяти. Вопросы радиоэлектроники. Серия ЭВТ., 1983, вып. 8, с. 15-18.

31. Полупроводниковые запоминающие устройства и их применение, / под ред. Гордонова А.Ю. М.: Радио и связь, 1981, 344 с.

32. Поспелов Д.А. Введение в теорию вычислительных систем. -М.: Сов.Радио, 1972, 280 с.

33. Приблуда А. А. Программно-управляемое устройство для исследования работы вычислительных систем. Информационный листок, Л. : ЛЦНТИ, Ji 1298-80, 1980, 4 с.

34. Рыбаков В.Г. Современные магистрально-модульные системы. Характеристики и тенденции развития. Приборы и техника эксперимента. 1983, J& 4, с. 7-29.

35. Система документации Единой системы ЭВМ. /Под ред. Ларионова A.M./ M.: Статистика, 1976, 238 с.

36. Системы МИКРО-КАМАК-ЛАБ. Новосибирск, Институт автоматики и электрометрии СО АН СССР, 1982, 34 с.

37. Феррари Д. Оценка производительности вычислительных систем. М.: Мир, 1981, 576 с.

38. Черных Е.В. Стандартные интерфейсы для модульных многопроцессорных систем. Приборы и техника эксперимента, 1982, & 4, с. 5-36.

39. Эрглис К.Э. Магистрально-модульные измерительные управляющие системы. Приборы ж техника эксперимента, 1983, Jê I, с. 7-20.

40. Bernard J.С. T-SCAH: The use of microcomputer for responce time measurement. Performance Evaluation Rev., 1980,vol.9» N 4, p. 39-51.

41. Babaoglu Oz. Hierarchical replacement decisions in hierarchical storages. Performance Evaluation Hev., 1982, vol.11, К 4, p. 11-19.

42. Chroust G., Kreuzer A*, Stadler K. A microprogrammed page fault monitor. Microprocessors and microprogr.- 1981^о1*6, N 3, p. 247-256.

43. Gratch W., Kastner H. Firmware monitoring history and perspective. - Microprocessors and microprogr., 1981, vol.8,1. H 3, p. 237-246.

44. Goodman , Smith A study of instruction each organizations and replacement politicies. Sigarch Newsletter, 1983, vol. 11, 3J 3, p. 132-137.

45. Jenings R.A. High speed multiple event timer. Патент t Ji I60I54, кл. 235/92EA (HO 3K2I/08), CIA.

46. Johnson C.R. Microsystem exploit mainframe methods. Electronics, 1981, vol. 11, H 8, p. 119-127.

47. Olmstead E. Computer performance measurement device and process. патент В 4187726, кл. 73/600 (G 01 28/00), США.

48. Olmstead E. Computer performance measurement device and process. Патент № 4217636, кл. 364/200 (G 06 11/00), США.

49. Paulson В., West D.G. ICE development heats up to hanclle new processors. Electron Des., 1981, v. 29, ÏÏ 18, p.125-130.

50. Pirson D.L. Performance evaluation of a minicomputer ? "bused, data collection system. Performance Evaluation Rev., 1980, vol. 8, N 4, p. 37-45.

51. Seligman D.R. On the performance evaluation of DECNET. -Performance Evaluation Rev., 1981, vol.10, N 2, p.484-496.59» Smith A.J. Cache memories. Computing Sjirv., 1982, vol.14, N 3, p. 473-530.

52. Stocesberry D., Rosental R. The design and engineering ofa performance measurement center for a local area network.-Comp. Network Symp. Proc., Gaithersburg. M-d, 1980, N 4, p. 110-115.

53. Terplan K. Network performance reporting. Performance Evar luation Rev., 1982, vol. 11, N 1, p. 156-170.