Программное обеспечение и его разработка - Фокс Джозеф М.

Рис. 2.9 Доля программного обеспечения в общей стоимости системы

Эта характеристика не отражает стоимости продукции, мы просто тиражируем программу.

Таким образом, программа, заложенная в телевизионный приемник, имеет пренебрежимо малую стоимость — одна программа на 500 000 кристаллов, т. е. на 500 000 телевизоров! Программное обеспечение может составлять основную долю в стоимости системы управления спутниками, где одна вычислительная машина управляет и спутником, и линией связи (см. рис. 2.9).

Глава 3

Понятие производительности

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».

Научная смесь Коммерческая смесь 15 умножений 5 умножений 12 делений 2 деления 25 сложений 25 сложений 22 вычитания 18 вычитаний 12 записей в память 14 записей в память 2 ввода 8 вводов 2 команды печати 8 команд печати 8 условных переходов 14 условных переходов 2 безусловных перехода 6 безусловных переходов 100 команд 100 команд

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.

Научная смесь Коммерческая смесь Машина А 0.0028 0.0024 Машина В 0.0054 0.0018

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.