Лабораторная работа I. Конвейерная обработка информации общие сведения

Отличительной особенностью высокопроизводительных вычислительных систем является использование методов параллельной обработки информации, реализуемых на уровне архитектуры системы. Изучение различных архитектур высокопроизводительных вычислительных систем осуществляется студентами путем построения их имитационных моделей, что позволяет глубоко понять сущность процессов, происходящих при параллельной обработке информации и параллельных вычислениях.
Лабораторная работа I.

КОНВЕЙЕРНАЯ ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ

1. 
   Общие сведения.
   

Для повышения производительности вычислительных устройств широко используется конвейерная обработка информации. Если требуемый объем операций (микроопераций) при одном запросе можно разбить на отдельные части, которые выполняются последовательно на L разных устройствах и время их выполнения одинаково и равно t, то n запросов будет выполняться за время (L+n-1)t. При отсутствии конвейера время выполнения одного запроса будет Lt, а n запросов займет время ntL. Под эффективностью обработки понимают реальную производительность Е конвейерного устройства, равную отношению числа выполненных запросов n ко времени их выполнения E= n/[(L+n-1)t]. При росте n, реальная производительность стремится к пиковой производительности Епик=1/t.

2. 
   Содержание лабораторной работы.
   

Исследование конвейерных устройств осуществляется методами имитационного моделирования. Рассматриваются три модели:

а) отсутствие конвейера (одно устройство): задается время обработки одного запроса Т=cоnst, определяется минимальный интервал времени между запросами Тз=Т , исходя из условия стационарности. Число запросов к устройству равно: n1, n2, n3, n4. Вычисляется время выполнения n1, n2, n3, n4 запросов и сравнивается с результатами имитационного моделирования.

б) конвейер состоит из L устройств, время обработки запроса на одном устройстве t=T/L=const. Определяется минимальный интервал времени между запросами Тз=t, исходя из условия стационарности системы. Вычисляется время выполнения n1, n2, n3, n4 запросов и сравнивается с результатами имитационного моделирования.

в) конвейер состоит из L устройств, время обработки запроса на одном устройстве случайно и распределено по экспоненциальному закону со средним значением t=T/L. Определяется средний минимальный интервал времени между запросами Тз=t.

Время между запросами случайно и распределено по экспоненциальному закону.

Рассчитывается время выполнения n запросов для случая (а) и (б).

Требуется определить для каждой модели путем имитационного моделирования на языке GPSS:

• 
  время обработки n1, n2, n3, n4 запросов;
  
• 
  коэффициент загрузки устройства;
  
• 
  очередь к устройству.
  

3. 
   Содержание отчета.
   

Отчет по лабораторной работе содержит:

• 
  титульный лист с номером варианта;
  
• 
  задание на лабораторную работу;
  
• 
  расчет времени выполнения n запросов для случаев (а) и (б);
  
• 
  структурные схемы имитационных моделей;
  
• 
  тексты имитационных программ для каждой модели на языке GPSS;
  
• 
  результаты работы в 3-х таблицах, содержащих:
  

1. 
   время обработки запросов (расчетное и экспериментальное);
   
2. 
   коэффициент загрузки;
   

3) очередь к устройству.

Столбцы каждой таблицы соответствуют количеству запросов n1, n2, n3, n4, а строки соответствуют исследуемой модели (а,б,в);

• 
  краткие выводы.
  

4. 
   Варианты заданий к лабораторной работе I.
   

№ вар.	Т (нс)	L	n1	n2	n3	n4
1	100	6	10	100	1000	2000
2	200	5	9	90	1000	3000
3	300	4	5	500	1000	4000
4	400	3	6	60	600	4000
5	500	7	10	20	40	50
6	600	5	100	200	300	400
7	700	6	10	20	40	100
8	800	4	20	50	100	300
9	900	3	10	20	100	300
10	100	4	40	100	200	1000
11	200	6	20	50	100	200
12	300	6	30	60	70	100
13	400	7	60	100	200	300
14	440	2	10	30	60	100
15	500	3	30	70	100	200
16	600	4	20	40	80	100
17	700	5	5	10	30	100
18	800	6	10	20	80	200
19	900	7	10	50	100	300
20	100	3	5	20	30	100
21	200	4	8	16	32	64
22	300	5	10	15	20	60
23	400	6	30	100	200	300
24	440	7	20	40	100	200
25	500	2	5	10	20	30
26	600	3	7	10	20	40
27	700	4	50	60	80	100
28	800	5	100	200	300	400

Лабораторная работа II.
МУЛЬТИПРОЦЕССОРНАЯ СИСТЕМА С ОБЩЕЙ ШИНОЙ.

1. 
   Общие сведения.
   

Один из самых простых способов организации мультипроцессорных систем – это использование общей шины к которой подключаются как процессоры так и память ( Рис. 1 ). Сама шина состоит из какого-то числа линий, необходимых для передачи адресов, данных и управляющих сигналов между процессорами и памятью. Чтобы предотвратить одновременное обращение нескольких процессоров к памяти используется та или иная схема арбитража, гарантирующая монопольное владение шиной захватившим ее устройством. Основная проблема таких систем заключается в том, что увеличение числа устройств, подключенных к шине, очень быстро делает ее узким местом, вызывающим значительные задержки при обмене с памятью.

Процессор

Процессор

Процессор

Память




Общая шина (ОШ)
Рис. 1.

2. 
   Содержание лабораторной работы.
   

В работе исследуется зависимость времени запроса процессора к памяти в зависимости от общего числа процессоров.

Время запроса to складывается из:

• 
  t01 – ожидание запроса от процессора в очереди к общей шине;
  
• 
  tш – время передачи запроса по общей шине;
  
• 
  t02 – ожидание запроса в очереди из ОШ к памяти;
  
• 
  tm – время обработки запроса в памяти;
  
• 
  t03– ожидание в очереди к общей шине;
  
• 
  tш – время передачи ответа по общей шине.
  

Исследование осуществляется методом имитационного моделирования. В ходе исследования определяется среднее время запроса к памяти в зависимости от числа процессоров, подключенных к общей шине: n1, n2, n3, n4. Каждый процессор генерирует заявки с интервалами времени между заявкам, распределенными по экспоненциальному закону со средним значением времени Тз. Задержки в ОШ tш и в памяти tm – считаются детерминированными.

3. 
   Содержание отчета.
   

Отчет по лабораторной работе содержит:

• 
  титульный лист с номером варианта;
  
• 
  задание на лабораторную работу;
  
• 
  структурные схемы имитационных моделей;
  
• 
  тексты программ;
  
• 
  результаты моделирования в виде 4-х гистограмм (зависимость времени запроса to от числа процессоров;
  
• 
  краткие выводы.
  

4. Варианты заданий к лабораторной работе II.

№ вар.	Тз (нс)	tш (нс)	tm (нс)	n1	n2	n3	n4
1	17	2	4	1	2	3	4
2	13	1	2	1	3	5	6
3	21	2	3	1	2	4	5
4	31	3	4	1	3	4	5
5	51	5	5	1	3	4	5
6	73	6	5	1	4	5	6
7	29	3	7	1	2	3	4
8	16	1	3	1	3	4	5
9	65	8	9	1	2	3	4
10	101	10	10	1	3	4	5
11	65	8	11	1	2	3	4
12	31	2	5	1	3	4	6
13	37	3	3	1	2	4	6
14	43	3	6	1	3	6	7
15	37	3	4	1	2	5	6
16	81	10	12	1	2	3	4
17	101	10	17	1	2	4	5
18	110	9	9	1	3	4	6
19	90	10	1	2	3	4	5
20	102	10	20	1	3	4	5
21	200	11	11	1	3	4	6
22	121	10	9	1	3	5	6
23	80	9	11	1	2	3	4
24	100	8	9	1	3	4	6
25	51	5	6	1	2	3	5
26	101	10	15	1	2	4	5
27	111	11	13	1	3	4	5
28	124	10	12	1	2	3	6

Лабораторная работа III.