Программное обеспечение и аппаратура

Цель программного обеспечения — заставить работать аппаратуру. Программы без аппаратуры невыполнимы, но и аппаратура без программ не работает. Ограниченность возможностей аппаратуры может удвоить затраты на разработку программного обеспечения.

Некоторые понятия и предварительные определения, связанные с аппаратурой и производительностью, могут помочь нам выделить нюансы отношений между более сложными понятиями, например между мультипроцессорностью и мульти-программностью, между сетями и распределенной обработкой. По мере развития вычислительной машины термин производительность становится более сложным. Часто для достижения максимальной производительности нашего двигателя, вычислительной машины, нам приходится привлекать программистов.

Однажды из-за того, что высшее руководство проекта не смогло понять, как оптимизировать вычислительную систему (аппаратуру и программное обеспечение), разработка большой системы зашла в тупик (стоимость оборудования около 40 млн. долларов). Были спутаны две различные меры производительности: скорость решения задачи и время ожидания решения.

Когда мы говорим о производительности вычислительных систем, то должны отдавать себе ясный отчет в том, что и как мы измеряем.

Это чрезвычайно важно. Проявлению превосходных качеств аппаратуры порой мешает плохое программное обеспечение, и наоборот. Неэффективные операционные системы (см. с.70–71) свели на нет работу многих великолепных высокопроизводительных машин. Задачей руководителей разработкой программного обеспечения является объединение аппаратуры и программ в одну эффективную систему.

Стремление к высокой производительности сильно усложняет разработку программного обеспечения. Если наша аппаратура недостаточно хорошо подходит для решения поставленной задачи, разработчикам программ придется предельно использовать все ее возможности, что приведет к значительному росту стоимости разработки программного обеспечения.

Различные способы измерения производительности вычислительных машин

«Что лучше, вычислительная машина А или вычислительная машина В? …что быстрее, вычислительная машина А или вычислительная машина В?». Это все равно что спросить: «Что лучше, модель X автомобиля Шевроле, или модель Y автомобиля форд?». Единственное, что можно на это ответить: «В каком отношении? В смысле элегантности? Стоимости? Производительности в смысле пробега в милях? В смысле удобства управления? Комфортабельности? Размера? Срока службы? Надежности?».

Автомобиль как система состоит из нескольких тысяч частей, каждая из которых выполняет определенную функцию. Автомобиль может быть сделан так, что некоторые из них будут идеально подходить для своей службы, но только за счет каких-то других. То же самое можно сказать и о вычислительных машинах.

Измерение внутренней скорости

Если мы начнем рассматривать внутреннюю скорость вычислительных машин, мы обнаружим, что время, необходимое для выполнения каждой команды, является одной из основных характеристик машины. Каждая команда выполняется в течение некоторого отрезка времени. Умножение длится гораздо дольше, чем сложение. Эти команды часто объединяются в «смеси», что дает возможность получить приближенную оценку внутренней скорости. Существуют различные смеси, обычно используются «научные смеси» и «коммерческие смеси».

Заметьте, что в моей научной смеси в три раза больше умножений и в четыре раза меньше команд ввода и печати.

Машина может иметь преимущество перед своим конкурентом по одной смеси, но не иметь преимущества по другой (см. рис. 3.1).

ТКС и МКС ТКС означает тысячу команд в секунду, МКС — это 1 млн. команд в секунду. Машина в два МКС может выполнять 2 млн. команд некоторой определенной смеси в секунду. На научных смесях коэффициенты МКС обычно оказываются более низкими, чем на коммерческих смесях.

Мы называем ТКС и МКС внутренними характеристиками, поскольку они вовсе не затрагивают возможностей ввода/вывода вычислительной машины, а также не учитывают эффектов, зависящих от объема памяти или размеров слова машины. Время выполнения команды имеет смысл измерять даже для самых параллельных машин.

Рис. 3.1. Пример разных по производительности машин — на научной и коммерческой смеси команд. Время в секундах

Когда в 1964 г. появилась серия машин IBM 360, модель 70 (она существовала короткое время, пока ее не сменила модель 75) была самой крупной (самой мощной) моделью: модель 30 была самой маленькой.

Фред Брукс, архитектор серии 360, в статье для журнала «IBM System Journal» писал:

Центральные процессоры различных моделей существенно разнятся по производительности. По отношению к самой маленькой модели (модель 30) внутренняя производительность самой большой (модель 70) составляет примерно 50:1 для научных расчетов и 15:1 для обработки данных в коммерческих приложениях.

Обратите внимание на значительную разницу в сравнении при использовании коммерческих программ. Эти внутренние характеристики вычислительных машин не слишком точны, но все же широко используются как средство приблизительной оценки мощности ЭВМ.

Внешние характеристики

Понятиями более полезными, чем МКС, являются пропускная способность системы и время ожидания решения. Эти характеристики используются для оценки машины в целом, а не только ее возможностей в выполнении команд. Здесь становится существенным соотношение ввода и вывода с мощностью центрального процессора. Слишком медленный ввод/вывод поставит процессор на «голодный паек»; слишком медленный процессор заставит устройства ввода/вывода постоянно ожидать, когда можно будет заслать данные в отведенные им места.

Пропускная способность системы. Пропускная способность системы определяет то количество работы, которое может быть выполнено на машине за данное время.

Пусть, например, мы имеем 400 программ, написанных на Фортране. Мы пропускаем их на машине А, и у нас уходит на это 10 ч. На машине В то же самое заняло бы у нас всего 8 ч. Машина В на 20 % лучше машины А в смысле пропускной способности.

Пропускная способность системы зависит от многого.

1. Аппаратура. Конфигурация машины, мощность ЦП, размер и скорость работы памяти, количество каналов, магнитофонов, дисководов, система команд.

2. Программное обеспечение. Управляет ресурсами системы операционная система. Если она работает эффективно, пропускная способность системы должна быть хорошей. Неэффективная система может свести на нет все прекрасные качества даже великолепной машины.

Значительное влияние на пропускную способность оказывает размер памяти. Если память мала, то и память, и ЦП должны периодически отвлекаться от настоящей работы и перемещать данные между различными уровнями памяти (дисками и т. д.).

Без внесения каких-либо исправлений в другие части машины увеличение основной памяти уменьшает это перемещение и, следовательно, освобождает время для настоящей работы. Память всегда будет служить ключом к производительности машины. Фон Нейман установил это в своем меморандуме в 1946 г.; это верно и сейчас.

Предсказать пропускную способность очень трудно. Слишком много здесь неизвестных!

Эталонов для измерения пропускной способности не существует; можно измерить только относительную пропускную способность. Ее можно измерять только по отношению к конкретному набору задач. При отсутствии такого набора ее можно лишь приблизительно оценивать.

Пропускная способность характеризует всю систему в целом: ЦП, память, магнитофоны, программное обеспечение и операторов. Она является мерой количества работ, проходящих через вычислительную систему.

Сравнение двух характеристик: пропускной способности и МКС. МКС является мерой внутренней скорости вычислительной аппаратуры, т. е. ЦП и памяти. С помощью МКС определяется время, потребное на выполнение команд, в него не входит время работы магнитофонов, каналов, программного обеспечения.

Пропускная способность оценивает всю вычислительную систему и ее компоненты, а также все программное обеспечение, работающее на данной аппаратуре.

Профессионалы, работающие с вычислительными машинами, должны быть осторожны, чтобы не путать эти два понятия. Рассматривать МКС как время решения просто НЕВЕРНО, так как 16-разрядная машина в 1.2 МКС может обладать значительно более высокой пропускной способностью, чем 8-разрядная машина в 1.2 МКС, предполагая, конечно, что ввод/вывод и программное обеспечение остаются без изменения.

Время ожидания решения. Существует и другая характеристика вычислительных систем — время ожидания решения.

Временем ожидания решения называется время, которое проходит от того момента, когда программист отдает свою программу на счет, до момента получения им результатов этого счета. Чем меньше проходит времени, тем лучше. Время ожидания не следует смешивать с пропускной способностью.

Уменьшение времени ожидания, т. е. достижение желаемого результата, может привести к снижению пропускной способности, что нежелательно. Пакетная обработка увеличивает пропускную способность, но заодно увеличивает и время ожидания.

Уделяя внимание времени ожидания решения, мы тем самым заботимся об экономии времени инженера или программиста. Если же мы хотим снизить стоимость решения задач на данной машине, значит, нам нужно обратить особое внимание на пропускную способность.

«Отсутствие» ожидания достигается в большинстве систем разделением времени. Пользователь, сидящий за пультом устройства ввода/вывода, вводит приказы и данные. Вычислительная машина, обслуживающая сотни таких пользователей, достаточно быстро работает, чтобы при переключении с одного пользователя на другой им казалось, что в их распоряжении находится вся машина целиком. Машине приходится все время «изворачиваться»: ввести данные для пользователя № 10; обработать программу программиста № 47; отпечатать для девятого, вывести данные для № 197; № 177 хочет продолжить свою работу, и т. д., и т. п. Эти увертки не являются настоящей работой и составляют только накладные расходы.

В системах без разделения времени время ожидания обычно измеряется часами. Сколько времени пройдет с того момента, когда я «запущу» мою программу, до того момента, когда я получу мои результаты? Иногда это время может достигать 24 ч., если в машине оптимизируется пропускная способность.

Время ответа. Понятие времени ответа близко по смыслу понятию времени ожидания, но не эквивалентно ему. Это время, нужное вычислительной машине для ответа именно мне как пользователю терминального устройства, работающего в истинном масштабе времени. В этот момент я являюсь не программистом, а пользователем. Я использую машину для решения своей задачи. Время ответа обычно измеряется как время, проходящее от момента нажатия кнопки ввода до момента начала вывода на экран моего дисплея или на мое печатающее устройство.

Моей группой в отделении федеральных систем в IBM была успешно запрограммирована система диспетчерской службы нью-йоркской полиции (телефон вызова полиции 911), которая называлась «SPRINT». Мы просто измучились, так как корпорация не смогла отбиться от требования гарантировать время ответа не более 3 с. Нам надо было обслуживать 96 диспетчерских (телевизионных) пунктов, на которых находились полицейские. Модель IBM/50, которая нами использовалась, обслуживала такое множество экранов с большим трудом. Чтобы достичь этих трех секунд, нашим программистам приходилось творить чудеса. Из 2 млн. долларов, затраченных на всю разработку, на это ушло более 200 тыс. Разработчики программного обеспечения понимали, что предсказать время ответа для такой сложной системы заранее невозможно. Они отказались подписывать контракт, в котором были оговорены эти три секунды. Но руководство настояло на своем.

Такие «дополнительные пробежки» обычны для разработчиков программного обеспечения. Если системе не хватает ресурсов ЦП или памяти, разработчикам приходится работать с большей нагрузкой и намного дольше — и как следствие растет стоимость обеспечения. Им приходится отыскивать пути обхода слабых мест аппаратуры. Иногда приходится и переделывать программы.

Система команд и их влияние на производительность. Машина Тьюринга имела всего шесть команд. Она могла выполнять любые задания, но такой ограниченный набор используемых команд сильно затрудняет работу программиста. Одно из важных экономических решений, которое принимает каждый производитель электронных машин, это — сколько различных команд должна распознавать и выполнять машина, которую он строит. Множество распознаваемых вычислительной машиной команд будет служить ее «репертуаром» и называться системой команд (СК).

Современные большие машины распознают и выполняют более чем 300 разных команд. Овладеть таким «словарем» для программиста достаточно сложно. Изучение этих команд и способов их эффективного использования может потребовать от программиста месяцы, а то и годы. Только половина набора команд машины IBM 7090 использовалась регулярно.

Невозможно ответить на вопрос о том, на какой машине (большой, с богатым выбором команд, или маленькой, с ограниченным набором) легче программировать. Как и для многих других вопросов из области вычислительной техники, ответ «зависит» от множества деталей. Маленькую, простую задачу может оказаться легче программировать на маленькой машине с небольшим набором команд. Большие, сложные задачи, возможно, легче решать на машине с «богатым» словарем. К тому же все зависит от того, на машинах какого типа привыкли работать программисты. Однажды в Хьюстоне нам пришлось с помощью группы, имевшей огромный опыт работы на большой машине IBM 360 модели 75, разрабатывать обеспечение для маленькой IBM системы 7. Это было ужасно! Они не понимали ограничений этой машины, неправильно подходили к решению задачи, использовали неверные методы. Они ухлопали целый год — и чертову уйму денег, — прежде чем разобрались, в чем дело. А это были хорошие опытные разработчики.

Случается и наоборот. Перевод группы, привыкшей работать на ограниченных системах команд, на программирование с использованием «богатых» систем так же может привести к ужасающим результатам. Прежде всего, они не справляются с богатством, как и повсюду, где оно достается людям. Продуктивность их работы чрезвычайно низка.

Теоретически большие системы команд можно использовать более эффективно, это относится и к стадии разработки. Не надо только думать, что это всегда так.

Замеры времени

Наилучшим способом замерять производительность машины было пропустить на ней именно Вашу программу, определив время ее обработки прямо по секундомеру.

Такой способ труден и дорог. Некоторые еще не запрограммированные задачи приходится программировать специально для подобных замеров. Для замеров нужно использовать задачи, которые могут быть просчитаны на разных машинах. Такие задачи называются эталонными пакетами.

Что же можно охарактеризовать с помощью эталонных пакетов и замеров времени? Все, что имеется в вычислительной системе — аппаратуру, отдельные программы (а следовательно, и умение тех, кто занимался их программированием), трансляторы, программное обеспечение, устройства ввода/вывода, размер машинного слова, систему команд, операционную систему, действия операторов.

Из того, что машина А выигрывает у машины В, нельзя делать вывод о том, что ее аппаратура работает быстрее. Плохое программное обеспечение могло свести на нет все хорошее, что имеется в машине В.

Балансировка системы

Чтобы вычислительная система работала эффективно, необходимо так ее сбалансировать, чтобы она подходила для решения поставленных перед ней задач, чтобы процессор был загружен в равной мере с устройствами ввода/вывода, не опережал их работу, но и не отставал от них. Кроме того, система должна включать в себя высококачественное программное обеспечение. В хорошо сбалансированной системе одновременно работают почти все устройства.

Рис. 3.2. Пропускная способность системы и МКС как средства оценки производительности вычислительной машины.

На рис. 3.2 наглядно подытоживаются наши рассуждения о производительности.