Разработка вычислительной системы заданного типа

 

Исходные данные для системы

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ СИСТЕМЫ, ВАРИАНТ 251. Ограничение на 2. Тип системы 3. Тип ЭВМ 4. Тип ВЗУ 5. Тип памяти 6. Исследуемое устройство (п.2.1 основного задания) 7. Тип каналов 8. Средняя длина пакета 9. Количество абонентоввремя, 36с ВСТД IBM PC винчестер; flash любая линия связи телефон, цифровой 3 Кбит 7

Параметры задач, решаемых системой

Таблица 1. Параметры задач, решаемых системой

Задача 1Задача 2Задача 3Задача 4Задача 5№ задачиИнтенсив-ность ?m№ задачиИнтенсив-ность ?m№ задачиИнтенсив-ность ?m№ задачиИнтенсив-ность ?m№ задачиИнтенсив-ность ?m150.0670.0990.04200.0550.06

Параметры файлов

Таблица 2. Параметры файлов

Номер файла kФайлы FkF1F2F3F4F5F6F7F8F9F10Длина файла Gk, Гбайт56688854564535688862Длина блока записей lk, Кбайт300400500500300400400300500200Трудоемкости задач и число обращений к файлам

Таблица 3. Трудоемкости задач и число обращений к файлам

№ задачиТрудо-емкость ?m, млн операцийЧисло обращений удаленных пользователей к задачам qmЧисло обращений к файлам dmkF1F2F3F4F5F6F7F8F9F105160000322201508022071200002816025020018091000002222018015020015220000321802001502018000040220180150200

1. Определение вычислительной нагрузки, создаваемой набором задач

Для получения однородного описания рабочей нагрузки определяют следующие характеристики средней задачи:

1) интенсивность поступления:

L =

L=0,3

) (Доля задач класса m в смеси)

3) трудоемкость процессорных операций:

Q =

Q =

) среднее число обращений к файлу Fk:

Dk =

(F1)= 180*0,2=36(F2)= 220*0,2 + 220 * 0,13333=73,333(F3)= 220*0,16666=36,6666(F4)= 160*0,3=48(F5)= 200*0,2=40(F6)= 150*0,2+250*0,3+180*0,13333+180*0,166666=159(F7)= 0(F8)= 80*0,2+200*0,3+150*0,133333+150*0,2+150*0,16666=151(F9)= 0(F10)=220*0,2+180*0,3+200*0,1333+200*0,16666=158

5) общее число обращений к файлам:

D =

= 702

) средняя длина блока записей файлов:

ср бл = ()/D

ср бл = 334,71 ? 335 Кбайта

) среднее число обращений источников информации к задаче:

Q =

= 30,8

) среднее количество прерываний ВЭ определяется с учетом того, что любая операция обращения к файлу Fk вызывает прерывание ВЭ:

ВЭ = D + Q + 1ВЭ = 733,8

) средняя трудоемкость (количество операций) непрерывного счета на ВЭ:

Q0 = Q / HВЭ

Q0 = 211,68 млн. операций

2. Эскизный проект

На стадии эскизного проекта необходимо определить структуру ВС и приблизительно оценить ее характеристики.

.1 Выбор базовой конфигурации ВС

Базовую конфигурацию еще называют минимальной. Она должна, во-первых, содержать устройства, номенклатура которых определяется потребностями задач и архитектурой базовой ЭВМ, и, во-вторых, обеспечивать обработку этих задач за конечное время, т. е. функционировать в стационарном режиме.

Для построения ВСТД на базе IBM PC необходимо использовать следующий стандартный набор модулей:

1. центральный процессор;
2. накопитель на жестком диске (большой емкости или винчестер);
3. контроллер;
4. системная шина (канал);
5. терминалы;
6. мультиплексоры (концентраторы, хабы);
7. сетевые адаптеры (контроллеры, карты);
8. каналы (линии связи).

.2 Определение параметров устройств минимальной конфигурации

.2.1 Выбор центрального процессора

Условие для определения минимального быстродействия процессора:

ВЦПр > L * Q

ВЦПр > 0,3* 155333,3= 46600,00 млн. оп.

Выберем центральный процессор Intel i3-2100 3.3 ГГц

.2.2 Выбор контроллеров

Обычно эти устройства имеют стандартные характеристики, одинаковые для всех ЭВМ семейства. Поэтому необходимо определить минимальное количество таких устройств из условия

Kконтр > lконтр * vконтр

lконтр = L * D = 210,6 - интенсивность потока запросов на обмен с файлами.

vконтр = lср. бл / Вконтр = 0,00471423 с

контр > 210,6 * 0, 00471423 = 0,9928 Þ Kконтр = 1.

.2.3 Выбор накопителей

При выборе накопителей и определении их количества необходимо выполнить два условия: обеспечение стационарного режима и наличие емкости, необходимой для размещения файлов.

Стационарный режим устанавливается при коэффициенте загрузки

или .

Коэффициент загрузки определяется по формуле

,

где - среднее время доступа к накопителю

,

где - количество обращений к файлам, назначенным на данное ВЗУ.

Для одного винчестера DВЗУ = D = 702 следовательно:

= 0,3 * 702 = 210,6

Для проверки наличия стационарного режима можно записать следующее ограничение:

,

где: = 1/(0,3*0,00471) = 793,65 Þ вышеописанное условие не выполняется и нужно назначить файлы на несколько накопителей.

Назначаем файлы на 2 накопителя:

ВЗУ1=D1 + D2 + D4 + D8 = 308,333ВЗУ2=D3 + D5 + D6 + D10 = 393,6667

Определим емкость накопителей, необходимую для размещения файлов:

GВЗУ1 = 56 + 68 + 54 +68 = 246Gb

GВЗУ2 = 88 + 56 + 45 + 62 = 251Gb

Проверим наличие стационарного режима

,65 > 308,333 и

,65 > 393,6667Þ все файлы назначаются на 2 накопителя

= 0,3 * 308,333 = 92,4999

= 0,3 * 393,6667= 118,1

вычислительный нагрузка процессор накопитель

= 92,4999 * 0,00471= 0,42018

= 118,1* 0,00471= 0,5364

Поскольку = 0,42018< 1 и = 0,5364< 1 , следовательно, стационарный режим обеспечен.

В качестве накопителей выберем жесткие диски 320Gb Seagate(Maxtor) 7200 Barracuda со средним временем доступа 4,2 мс.

.2.4 Выбор числа терминалов

Это число определяется количеством рабочих мест (источников информации), оговоренных в техническом задании (Количество абонентов = 7).

.2.5 Выбор числа линий связи

Определим число линий связи:

rЛС = lЛС * vЛС

lЛС = L * Q = 0,3 * 30,8 = 9,24 - потока запросов от удаленных пользователейЛС = Z / ВЛС = 3000 / 10000 = 0,3

rЛС = 9,24 * 0,3 = 2,772 » 3 линий связи, что целесообразно.

Число линий определяет количество сетевых адаптеров (контроллеров):

КСА = 2 * КЛС = 2 * 1 = 2 сетевых адаптера.

Мультиплексоры (хабы) обеспечивают подключение линий к ЭВМ или удаленных терминалов - к линии. Количество мультиплексоров:

КМПД ³ КЛС / К вх. МПД = 1/7 » 1 мультиплексор.

.3 Проверка корректности ограничения на время

При решении задачи посчитаем времена обслуживания на узлах:

ЦП0,004268контроллер3,30939ВЗУ5,8968ЛС9,24мин время18,45046

Ограничение на время U* больше Umin, т.е. оно задано корректно.

Спецификация базовой конфигурации ВСТД на IBM PC

№НаименованиеМаркаКоличествоЦенаСумма1Центральный процессорi3-2120 3,3GHz13 5503 5502материнская платаПлата Gigabyte LGA1155 GA-P61A-D3 H61 2xDDR3-1333 1xPCI-E 8ch 4xSATA 2xSATA3 2xUSB3 COM LPT GLAN ATX1199019903оперативная памятьПамять DIMM DDR3 2048MB PC10666 1333Mhz Hynix orig.23607204винчестерЖесткий диск SATA-3 320Gb Seagate 7200 Barracuda [ST3320413AS/ST320DM000] Cache 16MB21 99039805мониторМонитор DNS 15.6" G161 [LCD, 1366x768, 1000:1, 5 мс, 160гор/160вер, D-Sub, DVI]12 79027906клавиатураКлавиатура DNS OFFICE KB-005BK Black USB13103107мышьМышь проводная DNS OFFICE WRD-039BS Black USB12202208корпусКорпус Miditower ATX AirTone GM-7006 400W (DNP-450)1199019909сетевой адаптер82558 UTP 10/100 adapter6275165010коммутаторКоммутатор D-Link DES-1024D117501750Итого18950

2.4 Структурная схема базовой конфигурации проектируемой ВС

Рисунок 2.1 Структура базовой конфигурации

3. Модель базовой конфигурации ВС

Рисунок 3.1 Модель базовой ВСТД на базе IBM PC

4. Оценка характеристик ВС с помощью моделей

4.1 Параметры модели

Модель задана, если заданы ее параметры:

) количество узлов (СМО) - N ;

N = 5

) число каналов K1, ..., KN в СМО S1, ..., SN;

S1 : K1 = 2;: K2 = 1;: K3 = 1;4 : K4 = 1;

S5 : K5 = 3;

) интенсивность источника заявок (задач) L;

L = 0,3

) средние длительности обслуживания в узлах v1, ...,vN;

v10,004267812v2=v30,0042v40,00471423v5=v6=v70,3

) связи между СМО, которые представляются в виде матрицы вероятностей передач P = p[i,j]. Элемент рij этой матрицы задает вероятность перехода заявки из СМО Si в СМО Sj в процессе решения задачи. Матрица имеет размерность (N+1)*(N+1), так как в сети используется дополнительная (фиктивная) СМО S0 - источник заявок.

. рВЭ0 - вероятность окончания счета,

рВЭ,0 = 1/Н ВЭ = 1/733,8 = 0,0013,

где Н ЦПР - количество прерываний центрального процессора.

. рВЗУ - вероятность обращения к НМД с номером k,

рВЗУ1 = DВЗУ1/Нцпр = 308,33/733,8 = 0,42,

рВЗУ2 = DВЗУ2/Нцпр = 393,666/733,8 = 0,5364,

где DВЗУ - количество обращений к НМДk.

. рЛС - вероятность обращения к линии связи,

ЛС = Q / Hцпр= 30,8/733,8= 0,041973

где Q - количество обращений удаленных пользователей к задачам.

Матрица имеет размерность (N+1)*(N+1), так как в сети используется дополнительная (фиктивная) СМО S0 - источник заявок.

Таблица 4.1 Параметры модели

S0S1S2S3S4S5S0010000S10,00136276900,4201871540,53647700,041973S2000010S3000010S4010000S5010000

Таблица 4.2 Параметры СМО

СМОВремя обслуживанияЧисло каналовСМО10,0042678122СМО20,00421СМО30,00421СМО40,004714231СМО50,33

4.2 Определение характеристик ВС с помощью модели

Таблица 4.3 Полученные характеристики ВСТД

Имя СМОИнтен-ть входного потокаКоэф-т загрузкиСреднее число занятых каналовКоэф-т передачиСредняя длина очередиСреднее число заявок в СМОСреднее время ожидания в очередиСреднее время пребывания в СМОs1214,28570,45720,9145714,28570,24171,15630,00110,0053s290,04280,37810,3781300,14280,230,60810,00250,0067s3114,94280,48270,4827383,14280,45050,93330,00390,0081s4204,98570,96630,9663683,285727,751128,7170,13530,14s590,92,7307,353510,05350,81701,117

Среднее число заявок, ожидающих обслуживания в сети: 36,0270

Среднее число заявок пребывающих в сети: 41,4688

Среднее время обслуживания в сети: 18,1394

Среднее время ожидания в сети: 120,0902

Среднее время пребывания в сети: 138,2296

5. Оптимизация структуры ВС

Основной прием оптимизации разгрузка узких мест . Если некоторый коэффициент rn > 0.5 для одноканальной СМО (или коэффициент загрузки канала многоканальной СМО rn канала >0.5), то соответствующее устройство можно считать «узким местом» системы.

В данной системе «узкими местами» являются узлы СМО4, СМО5. Для разгрузки системы меняем структуру - СМО4 становится СМО3 с 2мя контроллерами, добавляем СМО5 с 2мя контроллерами. Так же, по условию задания нам доступны цифровые линии связи, используем их вместо телефонных, в 2 канала. Пропускную способность цифровых линий берём чуть выше средней, в 30кбод\сек.

Рисунок 5.1 Оптимизированная структурная схема

Рисунок 5.2 Оптимизированная модель ВСТД

Таблица 5.1 Характеристики оптимизированной модели ВСТД

Имя СМОИнтен-ть входного потокаКоэф-т загрузкиСреднее число занятых каналовКоэф-т передачиСредняя длина очередиСреднее число заявок в СМОСреднее время ожидания в очередиСреднее время пребывания в СМОs1214,28570,45720,9145714,28570,241771,15630,00090,0011s290,04280,37810,3781300,14280,230,60810,00040,0025s390,04280,21220,4244300,14280,020020,44450,00080,0002s4114,94280,48270,4827383,14280,450570,93330,00050,0039s5114,94280,27090,5418383,14280,04290,58470,000080,0003s690,02530,9300,22851,12851*10-80,0253

Среднее число заявок, ожидающих обслуживания в сети : 1,2138316553423

Среднее число заявок пребывающих в сети : 4,85565260205659

Среднее время обслуживания в сети : 12,1394031557143

Среднее время ожидания в сети : 4,04610551780767

Среднее время пребывания в сети : 16,185508673522

В оптимизированной системе значительно уменьшились времена пребывания заявок в системе.

6/ Технический проект ВС

.1 Исследование влияния накопителей другого типа на характеристики ВС

К полученной базовой конфигурации подключим накопитель Твердотельный накопитель SSD 2.5" SATA-3 60Gb Corsair со средним временем доступа 1,5 мс. На этот накопитель назначим файл F6 длиной 45 Гбайт и проведем исследование полученной модели (рисунок 6.1).

Рисунок 6.1 Базовая модель ВСТД + Flash накопитель

Перераспределим файлы на накопителе ВЗУ2:

DВЗУ1 = 393,6667 - 159 = 234,6667

Параметры модели:

) количество узлов (СМО) - N = 6 ;

) интенсивность источника заявок (задач) L=0.3;

) средние длительности обслуживания в узлах v1, ...,vN;

v flash = 0,0015 c.

) рВЗУ - вероятность обращения к НМД с номером k,

рВЗУ1 = DВЗУ1/Нцпр = 0,420187

рВЗУ2 = DВЗУ2/Нцпр = 0,319796

рflash = D1/Нцпр = 0,21668

Остальные параметры возьмем из пункта 4.1.

Таблица 6.1 Параметры модели

S0S1S2S3S4S5S6S00100000S10,00136300,4201870,31979600,0419730,21668S20000100S30000100S40100000S50100000S60100000

Таблица 6.2 Параметры СМО

СМОВремя обслуживанияЧисло каналовСМО10,0042678122СМО20,00421СМО30,00421СМО40,004714231СМО50,33СМО60,00151

Таблица 6.3 Характеристики ВС с Flash - накопителем

Имя СМОИнтен-ть входного потокаКоэф-т загрузкиСреднее число занятых каналовКоэф-т передачиСредняя дина очередиСреднее число заявок в СМОСреднее время ожидания в очередиСреднее время пребывания в СМОs1214,28570,45720,9145714,2850,24171,15630,00110,0053s2900,3780,3783000,22970,60770,00250,0067s368,57140,2880,288228,57140,11640,40440,00160,0058s4158,57140,74750,7475528,57142,21352,96100,01390,0186s590,92,7307,353510,0530,81701,1170s646,41420,000110,0696154,7140,00520,07480,000110,0016

Среднее число заявок, ожидающих обслуживания в сети: 10,1602600195451

Среднее число заявок пребывающих в сети : 15,257954776688

Среднее время обслуживания в сети : 16,9923158571429

Среднее время ожидания в сети : 33,8675333984838

Среднее время пребывания в сети : 50,8598492556266

При переносе файла F6 происходит разгрузка контролера ВЗУ2. Уменьшается среднее время пребывания в сети, среднее число заявок находящихся в сети и находящихся на обслуживании, а так же среднее время ожидания в сети.

.2 Исследование влияния количества устройств (линий связи)

Выполняем расчеты, на модели минимальной конфигурации изменяя число линий связи (т.е. изменяя число каналов) от 4 до 8.

При 4 каналах.

Имя СМОИнтен-ть входного потокаКоэф-т загрузкиСреднее число занятых каналовКоэф-т передачиСредняя дина очередиСреднее число заявок в СМОСреднее время ожидания в очередиСреднее время пребывания в СМОs1214,28570,45720,9145714,28570,24171,15630,00110,0053s290,04280,37810,3781300,14280,23000,60810,00250,0067s3114,94280,48270,4827383,14280,45050,93330,00390,0081s4204,98570,96630,9663683,285727,751128,71750,13530,14s590,6752,7300,81143,51140,09010,3901

Среднее число заявок, ожидающих обслуживания в сети: 29,4849663564516

Среднее число заявок пребывающих в сети : 34,9267873031658

Среднее время обслуживания в сети : 18,1394031557143

Среднее время ожидания в сети : 98,2832211881719

Среднее время пребывания в сети : 116,422624343886

При 5 каналах.

Имя СМОИнтен-ть входного потокаКоэф-т загрузкиСреднее число занятых каналовКоэф-т передачиСредняя дина очередиСреднее число заявок в СМОСреднее время ожидания в очередиСреднее время пребывания в СМОs1214,28570,45720,9145714,28570,24171,15630,00110,0053s290,04280,37810,378300,14280,23000,60810,00250,0067s3114,94280,48270,4827383,14280,45050,93330,00390,0081s4204,98570,96630,9663683,285727,751128,71750,13530,14s590,542,7300,19762,89760,02190,3219

Среднее число заявок, ожидающих обслуживания в сети: 28,8711601334256

Среднее число заявок пребывающих в сети : 34,3129810801399

Среднее время обслуживания в сети : 18,1394031557143

Среднее время ожидания в сети : 96,2372004447521

Среднее время пребывания в сети : 114,376603600466

При 6 каналах.

Имя СМОИнтен-ть входного потокаКоэф-т загрузкиСреднее число занятых каналовКоэф-т передачиСредняя дина очередиСреднее число заявок в СМОСреднее время ожидания в очередиСреднее время пребывания в СМОs1214,28570,45720,9145714,28570,24171,15630,00110,0053s290,04280,37810,378300,14280,23000,60810,00250,0067s3114,94280,48270,4827383,14280,45050,93330,00390,0081s4204,98570,96630,9663683,285727,751128,71750,13530,14s590,452,7300,05332,75330,00590,3059

Среднее число заявок, ожидающих обслуживания в сети: 28,7268280732423

Среднее число заявок пребывающих в сети : 34,1686490199566

Среднее время обслуживания в сети : 18,1394031557143

Среднее время ожидания в сети : 95,7560935774745

Среднее время пребывания в сети : 113,895496733189

При 7 каналах.

Имя СМОИнтен-ть входного потокаКоэф-т загрузкиСреднее число занятых каналовКоэф-т передачиСредняя дина очередиСреднее число заявок в СМОСреднее время ожидания в очередиСреднее время пребывания в СМОs1214,28570,45720,9145714,28570,24171,15630,00110,0053s290,04280,37810,378300,14280,23000,60810,00250,0067s3114,94280,48270,4827383,14280,45050,93330,00390,0081s4204,98570,96630,9663683,285727,751128,71750,13530,14s590,38572,7300,01422,71420,00150,3015

Среднее число заявок, ожидающих обслуживания в сети : 28,6877409937894

Среднее число заявок пребывающих в сети : 34,1295619405036

Среднее время обслуживания в сети : 18,1394031557143

Среднее время ожидания в сети : 95,6258033126312

Среднее время пребывания в сети : 113,765206468345

При 8 каналах.

Имя СМОИнтен-ть входного потокаКоэф-т загрузкиСреднее число занятых каналовКоэф-т передачиСредняя дина очередиСреднее число заявок в СМОСреднее время ожидания в очередиСреднее время пребывания в СМОs1214,28570,45720,9145714,28570,24171,15630,00110,0053s290,04280,37810,378300,14280,23000,60810,00250,0067s3114,94280,48270,4827383,14280,45050,93330,00390,0081s4204,98570,96630,9663683,285727,751128,71750,13530,14s590,33752,7300,00362,70360,00040,3004

Среднее число заявок, ожидающих обслуживания в сети: 28,6771319711516

Среднее число заявок пребывающих в сети : 34,1189529178659

Среднее время обслуживания в сети : 18,1394031557143

Среднее время ожидания в сети : 95,5904399038387

Среднее время пребывания в сети : 113,729843059553

Вывод: При увеличении числа линий связи происходит снижение коэффициента загрузки СМО линий связи, времени ожидания в очереди, а также среднее время пребывания в сети. Среднее время обслуживания в сети не изменяется.

Список используемых источников

1. Проектирование вычислительных систем. Методические указания к курсовому проектированию, 2002.
2. Конспект лекций по проектированию ВС.

Исходные данные для системы ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ СИСТЕМЫ, ВАРИАНТ 251. Ограничение на 2. Тип системы 3. Тип ЭВМ 4. Тип ВЗУ 5. Тип памяти 6. Исследуемое ус

Больше работ по теме: