Интервал моделирования отрезок времени работы компьютера

Цели
лабораторной работы:

1. Изучить
   основные возможности среды GPSS/World
   для моделирования систем.

2. Получить
   практические навыки моделирования
   простейших систем средствами
   инструментальной среды GPSS.

Задача.
К
компьютеру на обработку поступают
задания. Из предварительного обследования
получена информация, что интервал
времени между двумя последовательными
поступлениями заданий к компьютеру
подчиняется равномерному закону
распределения в интервале (1-11 мин.).
Перед компьютером допустима очередь
заданий, длина которой не ограничена.
Время выполнения задания также равномерно
распределено в интервале (1-19 мин.).
Смоделировать обработку 100 заданий.

В
среде GPSS
программа, моделирующая работу
вычислительной системы, выглядит
следующим образом:

GENERATE
360,300

SEIZE
В

ADVANCE
600,540 RELEASE В
TERMINATE 1 START 100

Единица
модельного времени задана 1 секунда.

Так
как время среднее время обработки
задания больше, чем среднее время
поступления задания, в вычислительной
системе будет накапливаться очередь с
течением времени. Для сбора статистики
об очереди используются операторы
QUEUE,
DEPART.
В этом случае программа выглядит
следующим образом:

GENERATE
360,300 QUEUE BR SEIZE В
DEPART BR ADVANCE 600,540 RELEASE В
TERMINATE 1 START 100

Наберите
эту программу в среде GPSS/World.

Студенческая
версия GPSS/World
не требует установки. Для запуска
программы достаточно запустить на
выполнение файл GPSSW.exe.
После этого откроется среда моделирования
GPSS/World.
Далее необходимо выбрать пункт меню
File/Open
и в открывшемся диалоговом окне «Новый
документ» — Создать Model.
В результате будет открыто окно Untitled
Model
1, в котором необходимо набрать текст
программы.

Файл
с программой можно сохранить в файле с
расширением .gps
(пункты меню File/Save;
File/Save
As).

Для
запуска программы на выполнение
необходимо выбрать пункт меню
Command/Create
Simulation.

В
результате выполнения программы
моделирования работы вычислительной
системы GPSS
выдаст отчет:

Основные
обозначения:

START
TIME
— время начала моделирования

END
TIME
— время окончания моделирования

BLOCKS
— количество блоков, используемых в
программе FACILITIES
— количество устройств

STORAGES
— количество многоканальных устройств,
для которых определяется емкость
накопителя

Далее
приводится информация о блоках:

LOC
— номер блока, назначенный системой

BLOCK
TYPE
— название блока

ENTRY
COUNT
— количество транзактов, прошедших через
блок за время моделирования CURRENT
COUNT
— количество транзактов, задержанных в
блоке на момент конца моделирования

RETRY
— количество транзактов, ожидающих
специальных условий для прохождения
через данный блок

Отчет
о работе устройства FACILITY
— название устройства

ENTRIES
— количество транзактов, прошедших через
устройство

UTIL.
— вероятность загрузки устройства (часть
периода моделирования, когда устройство
было свободно)

AVE.
TIME
— среднее время обработки одного транзакта
устройством

AVAIL.
— состояние готовности устройства на
момент конца моделирования (1 -готово к
обслуживанию
очередной заявки; 0 — не готово)

OWNER
— номер последнего транзакта занимающего
устройство (если не занималось, то
значение 0)

PEND
— количество транзактов, ожидающих
устройство, и находящихся в режиме
прерывания

INTER
— количество транзактов, прерывающих
устройство в данный момент

RETRY
— количество транзактов, ожидающих
специальных условий, зависящих от
состояния
объекта типа «устройство»

DELAY
— определяет количество транзактов,
ожидающих занятия или освобождения
устройства

Статистика
об очередях:

QUEUE
— имя очереди

МАХ
— максимальная длина очереди

CONT.
— текущая длина очереди

ENTRY
— общее количество входов

ENTRY(O)-
количество «нулевых» входов AVE.CONT.
— средняя длина очереди

AVE.TIME
— среднее время пребывания транзактов
в очереди

AVE.(-O)
— среднее время пребывания в очереди
без учета «нулевых» входов

RETRY
— количество транзактов, ожидающих
специальных условий

Информация
о списке текущих событий

СЕС
(Current
Events Chain)

XN
— номер
транзакта

PRI
— приоритет транзакта (по умолчанию — 0)

Ml
— время пребывания транзакта в системе
с момента начал моделирования

ASSEM
— номер семейства транзактов

CURRENT
— номер блока в котором находится транзакт

NEXT
— номер блока в который перейдет транзакт
далее

PARAMETER
— номер или имя параметра транзакта

VALUE
— значение параметра

Информация
о списке будущих событий

FEC
(Future Events Chain)

XN
— номер транзакта

PRI
— приоритет транзакта

BDT
— таблица модельных событий — абсолютное
модельное время выхода транзакта из
списка будущих событий (и перехода
транзакта в список текущих событий)

ASSEM
— номер семейства транзактов

CURRENT
— номер блока в котором находится транзакт
(0 — если транзакт не вошел в модель)

NEXT
— номер блока в который перейдет транзакт
далее PARAMETER
— номер или имя параметра транзакта

VALUE
— значение, параметра

Приведем
основные операторы, которые используются
в программе.

1.
Для создания транзактов (заявок), входящих
в модель, служит блок GENERATE
(генерировать),
имеющий следующий формат:

GENERATE
A,B,C,D,E

В
поле А
задается среднее значение интервала
времени между моментами поступления в
модель двух последовательных транзактов.
Если этот интервал постоянен, то поле
В не
используетоя. Если же интервал поступления
является случайной величиной, то в поле
В указывается
модификатор среднего значения, который
может быть задан в виде модификатора-интервала
или модификатора-функции.

Модификатор-интервал
используется, когда интервал поступления
транзактов является случайной величиной
с равномерным законом распределения
вероятностей. В
этом
случае в поле
В может
быть задан любой СЧА, кроме ссылки на
функцию, а диапазон изменения интервала
поступления имеет границы А-В,
А+В.

Например,
блок

GENERATE
100,40

создает
транзакты через случайные интервалы
времени, равномерно распределенные на
отрезке [60; 140].

Модификатор-функция
используется, если закон распределения
интервала поступления отличен от
равномерного. В
этом
случае в поле
В должна
быть записана ссылка на функцию (ее
СЧА), описывающую этот закон, и случайный
интервал поступления определяется, как
целая часть произведения поля
А
(среднего значения) на вычисленное
значение функции.

В
поле С задается
момент поступления в модель первого
транзакта. Если это поле пусто или равно
0, то момент появления первого транзакта
определяется операндами А и В.

Поле
D
задает
общее число транзактов, которое должно
быть создано блоком GENERATE.
Если
это поле пусто, то блок генерирует
неограниченное число транзактов до
завершения моделирования.

В
поле Е задается
приоритет, присваиваемый генерируемым
транзактам. Число уровней приоритетов
неограниченно, причем самый низкий
приоритет — нулевой. Если поле Е пусто,
то генерируемые транзакты имеют нулевой
приоритет.

Транзакты
имеют ряд стандартных числовых атрибутов.
Например, СЧА с названием PR
позволяет ссылаться на приоритет
транзакта. СЧА с названием Ml
содержит так называемое резидентное
время транзакта, т.е. время, прошедшее
с момента входа транзакта в модель через
блок GENERATE.
СЧА
с названием XN1
содержит внутренний номер транзакта,
который является уникальным и позволяет
всегда отличить один транзакт от другого.
В
отличие
от СЧА других объектов, СЧА транзактов
не содержат ссылки на имя или номер
транзакта. Ссылка на СЧА транзакта
всегда относится к активному транзакту,
т.е. транзакту, обрабатываемому в данный
момент симулятором.

Задания
для самостоятельной работы:

GENERATE
360,300

SEIZE
В

ADVANCE
600,540 RELEASE В
TERMINATE
1 START 100

Внесите
изменения в программу, моделирующую
работу вычислительного центра. Запустите
и отладьте новые варианты программы.

1. К
   компьютеру на обработку поступают 14
   заданий, интервал поступления заданий
   распределен по равномерному закону в
   диапазоне 3-11 мин.

2. К
   компьютеру на обработку в нулевой
   момент времени поступают 5 заданий с
   уровнем приоритета равным 25.

3. Задания
   поступают на обработку к компьютеру
   каждые 4-14 мин. Первое задание поступает
   на 20 минуте. Измените единицу модельного
   времени на 0,1 минуту.

Как
изменились характеристики работы
моделируемой системы в результате
внесенных изменений?

2.
Для удаления транзактов из модели служит
блок
TERMINATE
(завершить),
имеющий следующий формат: TERMINATE
А

Значение
поля
А указывает,
на сколько единиц уменьшается содержимое
так называемого счетчика завершений
при входе транзакта в данный блок
TERMINATE.
Если поле
А не
определено, то оно считается равным 0,
и транзакты, проходящие через такой
блок, не уменьшают содержимого счетчика
завершений.

Начальное
значение счетчика завершений
устанавливается
управляющим оператором
START
(начать),
предназначенным для запуска прогона
модели. Поле
А этого
оператора содержит начальное значение
счетчика завершений. Прогон модели
заканчивается, когда содержимое счетчика
завершений обращается в 0. Таким образом,
в модели должен быть хотя бы один блок
TERMINATE
с непустым полем
А, иначе
процесс моделирования никогда не
завершится.

Текущее
значение счетчика завершений доступно
программисту через системный
СЧА TG1.

Участок
блок-схемы модели, связанный с парой
блоков GENERATE—TERMINATE,
называется
сегментом.
Простые
модели могут состоять из одного сегмента,
в сложных моделях может быть несколько
сегментов.

Например,
простейший сегмент модели, состоящий
всего из двух блоков GENERATE
и
TERMINATE
и
в совокупности с управляющим оператором
START
моделирует
процесс создания случайного потока
транзактов,
поступающих в модель со средним интервалом
в 100 единиц модельного времени, и
уничтожения этих транзактов. Начальное
значение счетчика завершений равно
1000. Каждый транзакт, проходящий через
блок
TERMINATE,
вычитает
из счетчика единицу, и таким образом
моделирование завершится, когда тысячный
по счету транзакт войдет в блок
TERMINATE.
При
этом точное значение таймера в момент
завершения прогона непредсказуемо.
Следовательно, в приведенном примере
продолжительность прогона устанавливается
не по модельному времени, а по количеству
транзактов, прошедших через модель.

GENERATE
100,40 TERMINATE
1 START
1000

Если
необходимо управлять продолжительностью
прогона по модельному времени, то в
модели используется специальный сегмент,
называемый сегментом таймера.

GENERATE
100,40 TERMINATE GENERATE 100000 TERMINATE 1 START 1

Например,
в модели из двух сегментов, первый
(основной) сегмент выполняет те же
функции, что и в предыдущем примере.
Заметим, однако, что поле
А блока TERMINATE
в
первом сегменте пусто, т.е. уничтожаемые
транзакты не уменьшают содержимого
счетчика завершений. Во втором сегменте
блок
GENERATE
создаст
первый транзакт в момент модельного
времени, равный 100000. Но этот транзакт
окажется и последним в данном сегменте,
так как, войдя в блок
TERMINATE,
он
обратит в 0 содержимое счетчика завершений,
установленное оператором
START
равным
1. Таким образом, в

этой
модели гарантируется завершение прогона
в определенный момент модельного
времени, а точное количество транзактов,
прошедших через модель, непредсказуемо.

В
приведенных примерах транзакты, входящие
в модель через блок GENERATE,
в тот же момент модельного времени
уничтожались в блоке TERMINATE.

Замечание:
Не
путайте ограничитель транзактов в блоке
GENERATE
и счетчик завершения. Ограничитель
задает число транзактов, которые войдут
в модель, а счетчик -число транзактов,
которые выйдут из модели. По окончании
моделирования транзакты могут оставаться
в модели.

Задания
для самостоятельной работы:

Внесите
изменения в программу, моделирующую
работу вычислительного центра. Запустите
и отладьте новые варианты программы.

1. Моделирование
   заканчивается после того, как через
   модель пройдут 300
   транзактов
   (заданий), транзакты должны поступать
   в модель каждые 1-11
   минут.

2. Задайте
   время моделирования работы системы 8
   часов,
   единица модельного времени —1
   секунда.

Как
изменились характеристики работы
моделируемой системы в результате
внесенных изменений?

1. Моделирование
   одноканальных устройств

Устройства
используются при моделировании систем
для имитации работы оборудования
единичной емкости, например, процессор,
канал передачи данных, человек, компьютер.
Устройство в любой момент времени может
обрабатывать только одно сообщение
(транзакт). Если в процесс обслуживания
появляется новый транзакт, то он должен:

• либо
  подождать своей очереди;

• либо
  направиться в другое место;

• либо
  прервать обслуживание текущего
  сообщения.

Для
использования одноканального устройства
транзакту необходимо выполнить следующие
шаги.

1. ждать
   очереди, если необходимо;

2. когда
   подходит очередь занять устройство;

3. устройство
   находится в состоянии занятости, пока
   не закончится обслуживание, для
   обслуживания необходим некоторый
   интервал времени;

4. когда
обслуживание закончится, освободить
устройство.
Второй и четвертый шаги
реализуются блоками SEIZE
и RELEASE.

Блок
SEIZE
имеет следующий формат:

SEIZE
А

Свободный
блок SEIZE
позволяет вошедшему в него сообщению
занять указанное устройство. Блок SEIZE
задерживает сообщение, если устройство
занято или находится в состоянии
недоступности.

В
поле А задается номер (имя) занимаемого
устройства. Сообщение, занявшее
устройство, затем пытается перейти к
следующему по номеру блоку. Устройство
остается занятым до тех пор, пока
занимающее его сообщение не войдет в
соответствующий блок RELEASE.
Прежде чем освободить устройство,
сообщение может пройти через неограниченное
число блоков. Блок RELEASE
имеет следующий формат:

RELEASE
А

Блок
RELEASE
предназначен для освобождения устройства
тем сообщением, которым В поле А задается
номер (имя) освобождаемого устройства.

Транзакты
обслуживаются устройствами в течение
некоторого промежутка времени. Для
моделирования такого обслуживания,
т.е. для задержки транзактов на определенный
отрезок модельного времени (реализация
шага 3), служит блок
ADVANCE
(задержать),
имеющий следующий формат:

ADVANCE
А,В

Операнды
в полях
А
и В
имеют
тот же смысл, что и в соответствующих
полях блока GENERATE.
Следует отметить, что транзакты,
входящие в блок ADVANCE,
переводятся
из списка текущих событий в список
будущих событий, а по истечении
вычисленного времени задержки возвращаются
назад, в список текущих событий, и их
продвижение по блок-схеме продолжается.
Если вычисленное время задержки равно
0, то транзакт в тот же момент модельного
времени переходит в следующий блок,
оставаясь в списке текущих событий.

Например,
транзакты, поступающие в модель из блока
GENERATE
через
случайные интервалы времени, имеющие
равномерное распределение на отрезке
[60; 140], попадают в блок
SEIZE
и
занимают устройство с номером 1. Далее
в блоке ADVANCE
определяется
случайное время задержки транзакта,
имеющее равномерное распределение на
отрезке [30; 130], и транзакт переводится
в список будущих событий. По истечении
времени задержки транзакт возвращается
в список текущих событий и входит в блок
RELEASE
и
освобождает устройство 1. Заметим, что
в списке будущих событий, а значит и в
блоке
ADVANCE
может
одновременно находиться произвольное
количество транзактов.

GENERATE
100,40

SEIZE
1

ADVANCE
80,50

RELEASE
1

В
рассмотренных выше примерах случайные
интервалы времени подчинялись равномерному
закону распределения вероятностей. Для
получения случайных величин с другими
распределениями в GPSS
используются вычислительные объекты:
переменные и функции.

Задания
для самостоятельной работы:

• Приведите
  фрагмент программы, который моделирует
  обработку детали на станке. Название
  устройства —
  MACHINE,
  время обработки — 10 ед. модельного
  времени.

• Напишите
  сегмент программы, который описывает
  процесс шлифования изделия. Шлифование
  занимает 3-5 минут, в каждый момент
  времени может обрабатываться только
  одно изделие. Единица модельного времени
  — 1 секунда.

УДК 004.054

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ РАБОТЫ ПРОГРАММЫ

Лохматов Степан Юрьевич¹, Светлов Сергей Викторович², Калач Геннадий Петрович^3
1Московский технологический университет, студент 4 курса
²Московский технологический университет, студент 4 курса
³Московский технологический университет, кандидат военных наук, доцент военной кафедры

Аннотация
Данная статья посвящена обзору и описанию некоторых методов измерения времени работы программ. Произведено тестирование таймеров.

Ключевые слова: clock_get_time, rdtsc, методы измерения, программа

---

Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Лохматов С.Ю., Светлов С.В., Калач Г.П. Методы измерения времени работы программы // Современные научные исследования и инновации. 2017. № 5 [Электронный ресурс]. URL: https://web.snauka.ru/issues/2017/05/83188 (дата обращения: 25.02.2023).

1.7.1
Управление модельным временем

При разработке практически любой
имитационной модели и пла­нировании проведения модельных экспериментов
необходимо соотносить между собой три представления времени:

• реальное время, в котором происходит функционирование имитируемой
системы;

• модельное (или, как его еще называют, системное) время, в масштабе которо­го
организуется работа модели;

• машинное время, отражающее затраты времени ЭВМ на проведение ими­тации.

С помощью механизма модельного
времени решаются следующие задачи:

1) отображается переход моделируемой системы из
одного состояния в другое;

2) производится синхронизация работы компонент
модели;

3) изменяется масштаб времени «жизни» (функционирования) исследуемой
системы;

4) производится управление ходом модельного
эксперимента;

5) моделируется квазипараллельная
реализация событий в модели.

Необходимость решения
последней задачи связана с тем, что в распоряжении исследователя находится, как
правило, однопроцессорная вычислительная систе­ма, а модель может содержать
значительно большее число одновременно работаю­щих подсистем. Поэтому
действительно параллельная (одновременная) реализа­ция всех компонент модели
невозможна. Даже если используется так называемая распределенная модель,
реализуемая на нескольких узлах вычислительной сети, совсем необязательно число
узлов будет совпадать с числом одновременно рабо­тающих компонент модели.

Существуют два метода реализации
механизма модельного времени — с постоянным шагом и по особым состояниям.

Выбор метода реализации
механизма модельного времени зависит от назначе­ния модели, ее сложности,
характера исследуемых процессов, требуемой точности результатов и т. д.

При использовании метода постоянного
шага отсчет системного времени ве­дется через фиксированные, выбранные
исследователем интервалы времени. Со­бытия в модели считаются наступившими в
момент окончания этого интервала. Погрешность в измерении временных
характеристик системы в этом случае зави­сит от величины шага моделирования . Метод постоянного
шага предпочтительнее, если:

• события появляются регулярно, их распределение
во времени достаточно рав­номерно;

• число событий велико и моменты их появления
близки;

• невозможно заранее определить моменты появления
событий.

Данный метод управления
модельным временем достаточно просто реализовать в том случае, когда условия
появления событий всех типов в модели можно пред­ставить как функцию времени.

В общем виде алгоритм
моделирования с постоянным шагом представлен на рис. 1.8 ( — текущее значение
модельного времени,  —
интервал моделиро­вания).

Выбор величины шага моделирования является нелегким и очень важным делом.
Универсальной методики решения этой проблемы не су­ществует, но во многих
случаях можно использовать один из следующих под­ходов:

• принимать величину шага равной средней
интенсивности возникновения со­бытий различных типов;

• выбирать величину Dt равной среднему интервалу между наиболее частыми
(или наиболее важными) событиями.

При моделировании по
особым состояниям системное время каждый раз из­меняется на величину,
строго соответствующую интервалу времени до момента наступления очередного
события. В этом случае события обрабатываются в поряд­ке их наступления, а
одновременно наступившими считаются только те, которые являются одновременными
в действительности.

Метод моделирования по особым
состояниям сложнее в реализации, так как для него требуется разработка
специальной процедуры планирования событий (так называемого календаря событий).

Моделирование по особым состояниям целесообразно
использовать, если:

• события распределяются во времени неравномерно
или интервалы между ними велики;

• предъявляются повышенные требования к точности
определения взаим-ного положения событий во времени;

• необходимо реализовать квазипараллельную
обработку одновременных событии.

Дополнительное достоинство
метода заключается в том, что он позволяет эко­номить машинное время, особенно
при моделировании систем периодического дей­ствия, в которых события длительное
время могут не наступать.

Обобщенная схема алгоритма
моделирования по особым состояниям представ­лена на рис. 1.9 (— прогнозируемый момент
наступления -го
события.

Моделирование любой системы начинается с моделирования ее структуры.

Структура системы — это описание ее элементов и связей между ними.

Описание связей между элементами системы может быть представлено в разных формах, в зависимости от типа решаемой задачи.

В простых случаях для описания связей между элементами системы достаточно использовать графическую схему (пример 6.11).

В логических задачах, которые мы рассматривали в 9-м классе, структура системы объектов описывалась в виде таблиц «объект-объект» или «объект-свойство» (пример 6.12).

Если состояние каждого элемента системы можно задать значениями некоторых переменных или функций, то связи между элементами имеют вид математических выражений или уравнений (пример 6.13).

Математические выражения и уравнения, отражающие связи между элементами системы, составляют документальную математическую модель системы.

Математическая модель называется динамической, если она учитывает изменение времени (пример 6.14).

Динамические математические модели систем, как правило, включают сложные урав­нения. Найти точное решение таких уравнений в виде формул практически невозможно.

Ученые предложили в таких случаях находить не формулы, а таблицы приближенных значений искомых функций (численные решения) (пример 6.15).

Для построения численного решения сначала выбирается численный метод, а затем программное средство для его реализации. Следует помнить, что в разных программных средствах один и тот же численный метод может иметь совершенно различные реализации (пример 6.16).

Далее строится документальная расчетная модель, в которой формулы численного метода записываются в форме, подходящей программному средству.

Документальная расчетная модель системы реализуется на компьютере как компьютерная расчетная модель.

Таким образом, при построении динамических моделей систем обычно создаются:

• документальная математическая модель;
• документальная расчетная модель;
• компьютерная расчетная модель.