Джозеф Фокс - Программное обеспечение и его разработка

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 .

«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.

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.

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.