Реализация компонентов ОС управления реконфигурируемой вычислительной системой на уровне фрагментов базового модуля
В статье рассматривается реализация операционной системы управления вычислительным ресурсом базового модуля в многозадачном режиме. Данная система позволяет обрабатывать поток масштабируемых параллельных заданий, решаемых на базовом модуле реконфигурируемой вычислительной системы. Приведена струк...
Saved in:
| Date: | 2009 |
|---|---|
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут проблем штучного інтелекту МОН України та НАН України
2009
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/8063 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Реализация компонентов ОС управления реконфигурируемой вычислительной системой на уровне фрагментов базового модуля / З.В. Каляев // Штучний інтелект. — 2009. — № 3. — С. 210-217. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859722494000234496 |
|---|---|
| author | Каляев, З.В. |
| author_facet | Каляев, З.В. |
| citation_txt | Реализация компонентов ОС управления реконфигурируемой вычислительной системой на уровне фрагментов базового модуля / З.В. Каляев // Штучний інтелект. — 2009. — № 3. — С. 210-217. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | В статье рассматривается реализация операционной системы управления вычислительным ресурсом
базового модуля в многозадачном режиме. Данная система позволяет обрабатывать поток масштабируемых
параллельных заданий, решаемых на базовом модуле реконфигурируемой вычислительной системы.
Приведена структура операционной системы, описаны эксперименты, приведены экранные формы
разработанных программ.
У статті розглядається реалізація операційної системи керування обчислювальним ресурсом базового модуля
у багатозадачному режимі. Дана система дозволяє обробляти потік масштабованих паралельних завдань,
які вирішуються на базовому модулі реконфігурованої обчислювальної системи. Наведено структуру
операційної системи, описано експерименти, наведено екранні форми розроблених програм.
|
| first_indexed | 2025-12-01T10:34:40Z |
| format | Article |
| fulltext |
«Искусственный интеллект» 3’2009 210
5К
УДК 004.272.43
З.В. Каляев
НИИ многопроцессорных вычислительных систем им. акад. А.В. Каляева
Южного федерального университета, г. Таганрог, Россия
zakhar@mvs.tsure.ru
Реализация компонентов ОС управления
реконфигурируемой вычислительной системой
на уровне фрагментов базового модуля
В статье рассматривается реализация операционной системы управления вычислительным ресурсом
базового модуля в многозадачном режиме. Данная система позволяет обрабатывать поток масштабируемых
параллельных заданий, решаемых на базовом модуле реконфигурируемой вычислительной системы.
Приведена структура операционной системы, описаны эксперименты, приведены экранные формы
разработанных программ.
Многозадачный режим функционирования многопроцессорных вычислительных
систем характеризуется в первую очередь заранее неизвестным потоком входных
заданий. Невозможно заранее спланировать, какое количество ресурса будет выделено
тому или иному заданию для решения. В связи с этим основным условием существования
многозадачного режима для многопроцессорной вычислительной системы является масш-
табируемость прикладного программного обеспечения.
С целью обеспечения функционирования реконфигурируемых вычислительных
систем [1] (РВС) в многозадачном режиме была предложена структура ОС [2], [3], пред-
ставленная на рис. 1.
В состав ОС должны входить следующие компоненты [4], [5]: подсистема
удаленного многопользовательского доступа к базовым модулям (СМД), планировщик
заданий, подсистема посттрансляции, загрузчик исполняемых модулей параллельных
программ в память вычислительной системы, монитор состояния базовых модулей,
система обработки нештатных ситуаций, драйверы и низкоуровневые библиотеки,
система тестирования БМ. Каждый из этих компонентов решает отдельную задачу, а их
совокупность решает задачу многозадачной ОС РВС.
СМД предназначена для обеспечения обработки удаленных запросов пользователей
на использование вычислительного ресурса. Подсистема реализует протоколы при-
кладного уровня удаленного вызова процедур обращения к вычислительному ресурсу.
Подсистема состоит из серверной части, являющейся необходимым компонентом ОС, и
клиентской части, исполняемой на машинах-клиентах.
Планировщик заданий предназначен для выделения ресурсов вычислительной
системы заданиям из входного потока. Алгоритм планировщика в первую очередь
основывается на данных от монитора. Монитор ОС сообщает планировщику текущую
карту состояний всех базовых модулей. На основе анализа данной карты планировщик
принимает решение о том, сколько базовых модулей и какой задаче выделить для ее ре-
шения. Решение также может основываться на приоритете задачи, ее положении во вход-
ной очереди, на требовании задачи к минимальному набору ресурсов. Стратегия, алго-
Реализация компонентов ОС управления...
«Штучний інтелект» 3’2009 211
5К
ритм и критерии планирования могут как оптимизироваться, так и модернизироваться в
зависимости от области применения вычислительной системы с целью повышения
пропускной способности потока задач.
Рисунок 1 – Структурная схема многозадачной ОС РВС
Компонентом ОС, влияющим на решения планировщика заданий, является под-
система обработки нештатных ситуаций. Данный компонент может влиять на работу всех
компонентов ОС в случае возникновения нештатной ситуации. Система обработки не-
штатных ситуаций является автоматом, сопоставляющим действия всех компонентов ОС
в случае возникновения нештатной ситуации работы базовых модулей или компонентов
ОС. Система имеет как аппаратнозависимые компоненты, которые совершенствуются
при модернизации оборудования, так и аппаратнонезависимые компоненты. К нештат-
ным ситуациям может относиться любая ситуация, возникшая в период от начала
прихода задания во входную очередь планировщика и до конца ее выполнения, при кото-
рой выполнение данного задания или других заданий становится затруднительным или
невозможным.
Монитор системы выполняет функцию сканирования состояний базовых модулей
(БМ). Монитор способен как в синхронном режиме, так и в асинхронном выдавать
информацию о состоянии БМ. Монитор ставит в соответствие времени индексы базовых
модулей, занятых решением той или иной задачи. Кроме того, функцией монитора явля-
ется обеспечение информацией о технической исправности БМ. По запросу от компонен-
тов системы в синхронном или асинхронном режиме в мониторе доступна следующая
Каляев З.В.
«Искусственный интеллект» 3’2009 212
5К
информация: номера свободных БМ, номера занятых БМ, номера БМ, занимающихся ре-
шением определенной задачи, номера неисправных БМ, информация о состоянии реше-
ния каждой задачи.
Драйверы и низкоуровневые библиотеки обеспечивают доступ к каналу БМ, логи-
ческий доступ к оборудованию БМ, подачу команд и прочее. Библиотеки имеют иерар-
хичное строение и по отдельности могут меняться.
Подсистема посттрансляции исполняемых модулей параллельных программ пред-
ставляет собой реализацию методов автоматического масштабирования параллельных
программ. Входными данными для подсистемы посттрансляции являются задание и
массив БМ, выделенные планировщиком заданий для решения [5], [6]. Подсистема
выполняет модернизацию исполняемого кода пришедшей программы на то количество
вычислительного ресурса, которое выделено для ее исполнения планировщиком заданий.
Масштабированный код параллельной программы передается загрузчику параллельных
программ.
Загрузчик предназначен для загрузки и инициализации процесса выполнения
параллельных программ. Входными данными для загрузчика является исполняемый
масштабированный код программы, переданный подсистемой посттрансляции. Загрузчик
выполняет заполнение памяти БМ машинным кодом, инициализацию регистров БМ
необходимыми значениями.
С целью отладки описанных компонентов ОС РВС были разработаны основные
компоненты ОС для управления вычислительным ресурсом, состоящим из одного БМ
РВС. Разделение ресурса между заданиями выполнялось на уровне фрагментов (квадран-
тов) БМ. Необходимо отметить, что при переходе от фрагментов БМ к РВС, состоящей из
множества БМ, существенной переработки компонентов ОС не потребуется. БМ РВС
состоит из 16 вычислительных ПЛИС, как показано на рис. 2.
Рисунок 2 – Функциональная схема БМ
Минимальный размер вычислительного ресурса – квадрант – был выбран, исходя
из требований решаемых задач к минимальному количеству вычислительного ресурса.
Таким образом, вычислительные ПЛИС БМ образуют четыре квадранта, на которых
одновременно может решаться не более четырех задач.
Коммутационная система БМ позволяет решать масштабируемые задачи на БМ на
любом количестве связанных квадрантов. Каждое из заданий может выполняться на БМ
МНМС в соответствии с одной из конфигураций, представленных в табл. 1.
Реализация компонентов ОС управления...
«Штучний інтелект» 3’2009 213
5К
Таблица 1 – Возможные конфигурации выполнения каждого задания на БМ МНМС
– 0 квадрант
– 1 и 2 квадранты
– 1 квадрант
– 2 и 3 квадранты
– 2 квадрант
– 0,1 и 2 квадранты
– 3 квадрант
– 1,2 и 3 квадранты
– 0 и 1 квадранты
– 0,1,2 и 3 квадранты
Для отладки разработанных компонентов ОС в терминах масштабируемых па-
раллельных программ [5] были сформулированы три задачи:
задача фильтрации жидкости в пористой среде;
задача расчета фильтра с конечной импульсной характеристикой;
задача умножения матрицы на поток векторов.
Конфигурации трех задач образуют множество сочетаний конфигураций, состоя-
щее из 192 элементов. На рис. 3 представлены некоторые сочетания заданий.
Рисунок 3 – Сочетания конфигураций выполнения заданий
Были проведены эксперименты по обработке потока заданий. Эксперименты с
опытным образцом БМ и компонентов ОС РВ представляли собой решение различных
потоков заданий на МНМС с разными процедурами планирования.
В общем случае схема запуска задания выглядит так, как показано на рис. 4.
Рисунок 4 – Схема запуска задания
На удаленной машине клиента выполняется соединение с сервером (планиров-
щиком заданий). На машине клиента формируется список файлов, представляющих со-
бой задание. Файлы отправляются на сервер с помощью программы TS.
Каляев З.В.
«Искусственный интеллект» 3’2009 214
5К
Сервер при получении задания формирует директорию с уникальным именем и
переписывает в нее все до единого файлы задания, полученные от клиента. На сервере
создается запись, соответствующая новому заданию, и эта запись помещается в конец
очереди заданий.
Файлы задания располагаются в своей директории до тех пор, пока задание не
будет в начале очереди и не освободится вычислительный ресурс. Как только это
произошло, планировщиком заданий выполняется приостанов выполняющихся в теку-
щий момент заданий, и выполняется перезагрузка конфигурации ПЛИС в соответствии с
пришедшим из входной очереди заданием.
После перезагрузки конфигурации выполняемые до приостанова задания продол-
жают свою работу, производится запуск управляющей программы пришедшего из
входной очереди задания. Во время работы управляющая программа задания может быть
приостановлена, если будет необходима перезагрузка ПЛИС по причине прихода
очередного задания. После своего выполнения управляющая программа создает результи-
рующие файлы, которые передаются обратно клиенту, на клиентской машине может
быть выполнена сверка результирующих файлов с некоторым эталоном. На этом задание
считается выполненным.
Под потоком заданий понимается совокупность заданий и соответствующее
каждому из них время, в которое это задание было отправлено, относительно некоторого
начального отсчета времени. Интервалы между посылом заданий могут быть разными,
подразумевается, что в условиях многопользовательского доступа к БМ промежутки
между приходом заданий на БМ являются случайными. На рис. 5 представлен алгоритм
генерации потока заданий.
Zmax – общее количество заданий в потоке;
t – максимальное время между отправкой двух заданий, t характеризует интен-
сивность заданий в потоке.
Эксперименты проводились для трех разных алгоритмов планирования вычисли-
тельного ресурса между заданиями. Первый алгоритм выделяет квадранты БМ МНМС
между заданиями в соответствии со следующей формулой:
i = random(I), I – номер секции свободных квадрантов.
j = random(Ji), Ji – количество свободных квадрантов в i-ой секции.
Рисунок 5 – Алгоритм синтеза потока заданий
Реализация компонентов ОС управления...
«Штучний інтелект» 3’2009 215
5К
Для данного алгоритма характерны следующие графики зависимости количества
свободных квадрантов от состояния входной очереди (рис. 6). Верхний график соответ-
ствует менее плотному потоку заданий.
Рисунок 6 – Графики зависимости количества свободных квадрантов от времени
Второй алгоритм выделяет квадранты БМ МНМС между заданиями в соответствии
со следующей формулой:
I – общее количество свободных квадрантов;
J – первые задания во входной очереди, J<= I;
n = I/J – квадрантов выделяется J-заданиям из входной очереди.
Для данного алгоритма характерны следующие графики зависимости количества
свободных квадрантов от времени (рис. 7).
Рисунок 7 – Графики зависимости количества свободных квадрантов от времени
Третий алгоритм планирования выделяет квадранты БМ МНМС между заданиями
в соответствии со следующей формулой:
I – общее количество свободных квадрантов;
J – первые задания во входной очереди, J<= I;
n = I/J*Pj – квадрантов выделяется J-заданиям из входной очереди, Pj – приоритет
J-го задания.
Для данного алгоритма характерны следующие графики зависимости количества
свободных квадрантов от времени (рис. 8).
Каляев З.В.
«Искусственный интеллект» 3’2009 216
5К
Рисунок 8 – Графики зависимости количества свободных квадрантов от времени
Из графиков видно, что наиболее эффективным алгоритмом распределения ресурса
БМ между заданиями для подаваемого потока был последний алгоритм.
На рис. 9 представлена экранная форма планировщика заданий.
На форме отображены квадранты БМ и задания, которые в данный момент
выполняются на выделенных им квадрантах. В правом нижнем углу отображаются
поля очереди заданий. В правом верхнем углу отображаются запросы пользователей
на постановку заданий в очередь планировщика заданий.
Рисунок 9 – Экранная форма планировщика заданий
На рис. 10 представлена экранная форма программы мониторинга и обработки не-
штатных ситуаций. Программа анализирует значения токов, напряжений и температуры
различных компонентов БМ. В случае превышения критических значений программа
примет необходимые действия по обработке нештатных ситуаций.
Реализация основных компонентов ОС для БМ РВС на основе разработанных ме-
тодов и средств дает возможность использования РВС в эффективном многозадачном
режиме с целью минимизации обработки разнородных потоков прикладных задач. Разра-
ботанные компоненты ОС могут быть использованы в суперкомпьютерных центрах
коллективного доступа, в том числе с возможностью использования вычислительных
ресурсов РВС через Интернет.
Реализация компонентов ОС управления...
«Штучний інтелект» 3’2009 217
5К
Рисунок 10 – Экранная форма программы мониторинга и обработки нештатных ситуаций
Литература
1. Каляев А.В. Модульно-наращиваемые многопроцессорные системы со структурно-процедурной органи-
зацией вычислений / А.В. Каляев, И.И. Левин. – М. : Изд-во ООО «Янус-К», 2003. – 380 с.
2. Каляев З.В. Многозадачная распределенная операционная система / З.В. Каляев // Искусственный интел-
лект. – 2006. – № 3. – С. 144-147.
3. Каляев З.В. Структура многозадачной распределенной операционной системы / З.В. Каляев // Материалы
Седьмой Международной научно-технической конференции «Искусственный интеллект. Интеллекту-
альные и многопроцессорные системы». – Таганрог : Изд-во ТРТУ, 2006. – Т. 2. – С. 102-103.
4. Каляев З.В. Компоненты многозадачной операционной системы для реконфигурируемой вычислительной
системы / З.В. Каляев // Материалы Третьей ежегодной научной конференции студентов и аспирантов
базовых кафедр ЮНЦ РАН. – Ростов-на-Дону : Изд-во ЮНЦ РАН, 2007. – С. 140-141.
5. Каляев З.В. Система автоматического масштабирования параллельных программ для реконфигурируе-
мых вычислительных систем / З.В. Каляев // Материалы Международной научно-технической конферен-
ции «Многопроцессорные вычислительные и управляющие системы – 2007». – Таганрог : Изд-во ТТИ
ЮФУ, 2007. – Т.1. – С. 285-289.
6. Каляев З.В. Многозадачная распределенная операционная система многопроцессорной вычислительной сис-
темы с программируемой архитектурой / З.В. Каляев, А.Г. Коваленко // Известия ТРТУ. – 2006. – С. 179.
З.В. Каляєв
Реалізація компонентів ОС управління реконфігурованою обчислювальною системою на рівні
фрагментів базового модуля
У статті розглядається реалізація операційної системи керування обчислювальним ресурсом базового модуля
у багатозадачному режимі. Дана система дозволяє обробляти потік масштабованих паралельних завдань,
які вирішуються на базовому модулі реконфігурованої обчислювальної системи. Наведено структуру
операційної системи, описано експерименти, наведено екранні форми розроблених програм.
Статья поступила в редакцию 04.07.2009.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-8063 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1561-5359 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-01T10:34:40Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут проблем штучного інтелекту МОН України та НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Каляев, З.В. 2010-04-29T09:38:03Z 2010-04-29T09:38:03Z 2009 Реализация компонентов ОС управления реконфигурируемой вычислительной системой на уровне фрагментов базового модуля / З.В. Каляев // Штучний інтелект. — 2009. — № 3. — С. 210-217. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1561-5359 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/8063 004.272.43 В статье рассматривается реализация операционной системы управления вычислительным ресурсом базового модуля в многозадачном режиме. Данная система позволяет обрабатывать поток масштабируемых параллельных заданий, решаемых на базовом модуле реконфигурируемой вычислительной системы. Приведена структура операционной системы, описаны эксперименты, приведены экранные формы разработанных программ. У статті розглядається реалізація операційної системи керування обчислювальним ресурсом базового модуля у багатозадачному режимі. Дана система дозволяє обробляти потік масштабованих паралельних завдань, які вирішуються на базовому модулі реконфігурованої обчислювальної системи. Наведено структуру операційної системи, описано експерименти, наведено екранні форми розроблених програм. ru Інститут проблем штучного інтелекту МОН України та НАН України Интеллектуальные системы автоматизации научных исследований, проектирования и управления Реализация компонентов ОС управления реконфигурируемой вычислительной системой на уровне фрагментов базового модуля Реалізація компонентів ОС управління реконфігурованою обчислювальною системою на рівні фрагментів базового модуля Article published earlier |
| spellingShingle | Реализация компонентов ОС управления реконфигурируемой вычислительной системой на уровне фрагментов базового модуля Каляев, З.В. Интеллектуальные системы автоматизации научных исследований, проектирования и управления |
| title | Реализация компонентов ОС управления реконфигурируемой вычислительной системой на уровне фрагментов базового модуля |
| title_alt | Реалізація компонентів ОС управління реконфігурованою обчислювальною системою на рівні фрагментів базового модуля |
| title_full | Реализация компонентов ОС управления реконфигурируемой вычислительной системой на уровне фрагментов базового модуля |
| title_fullStr | Реализация компонентов ОС управления реконфигурируемой вычислительной системой на уровне фрагментов базового модуля |
| title_full_unstemmed | Реализация компонентов ОС управления реконфигурируемой вычислительной системой на уровне фрагментов базового модуля |
| title_short | Реализация компонентов ОС управления реконфигурируемой вычислительной системой на уровне фрагментов базового модуля |
| title_sort | реализация компонентов ос управления реконфигурируемой вычислительной системой на уровне фрагментов базового модуля |
| topic | Интеллектуальные системы автоматизации научных исследований, проектирования и управления |
| topic_facet | Интеллектуальные системы автоматизации научных исследований, проектирования и управления |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/8063 |
| work_keys_str_mv | AT kalâevzv realizaciâkomponentovosupravleniârekonfiguriruemoivyčislitelʹnoisistemoinaurovnefragmentovbazovogomodulâ AT kalâevzv realízacíâkomponentívosupravlínnârekonfígurovanoûobčislûvalʹnoûsistemoûnarívnífragmentívbazovogomodulâ |