Программное обеспечение является гибким и может быть подвергнуто модификациям. Люди модифицируют программы, но им никогда не приходит в голову начать модифицировать установленную у них аппаратуру. Аппаратура редко производится таким образом, чтобы ее было легко менять, а именно этого мы хотим добиться и добиваемся от программного обеспечения. В этом вопросе программное обеспечение существенно отличается от аппаратуры, может быть, за исключением только аппаратно-интенсивного программного обеспечения.
Вернемся к с.58, на которой мы указали наиболее широко распространенные отличия в жизненных циклах аппаратуры и программного обеспечения.
В жизненном цикле программного обеспечения отсутствует фаза производства. Иногда в его жизненный цикл включается фаза сопровождения. Эти два факта оказывают огромное воздействие на всю экономику создания программного обеспечения в современном мире.
Сходство между аппаратурой и программным обеспечением
Надежность. Для того, чтобы удовлетворить требованиям к надежности, выдвигаемым для вычислительных машин, работающих в системе Министерства обороны США, их изготовители должны несколько иначе подходить к построению, более интенсивно их проверять и использовать другие компоненты. Обычно такое повышение надежности и обеспечение работы в таких условиях удваивает стоимость машины по отношению к ее коммерческой версии. Если требуется обеспечить безопасность при сбоях, представление тех же функций стоит уже намного дороже.
Космос. Если вычислительную машину собираются отправлять в космос или ставить на борт самолета, кроме понятных требований к укреплению ее конструкции, выдвигаются требования к уменьшению размеров и максимально возможному облегчению веса. И опять приходится останавливаться на выборе других компонент. И опять это приводит почти к удвоению стоимости. Стоимость программного обеспечения значительно возрастает и в том случае, когда размеры команд (и чисел) приходится уменьшать из-за того, что для их хранения выделяется недостаточно памяти.
Глава 7
Некоторые новые важнейшие принципы вычислительной техники
Работая в области программного обеспечения, как и в любой другой новой области, легко стать жертвой непродуманных идей, на первый взгляд очень красивых и соблазнительных. Для чего людям нужна распределенная обработка данных? Для чего им многопроцессорная обработка? Не очень многие способны вообще дать определения этих понятий, еще меньше тех, кто может перечислить преимущества этих способов перед другими! Первой реакцией на все подобные соблазны должен быть скептицизм.
Когда я возглавлял общее руководство группой программистов фирмы IBM, я узнал от руководителя группы внутренней обработки данных (мы работали над составлением платежной ведомости для 15 тысяч человек, разбросанных по всей стране), что нам нужно «купить» удаленную вычислительную машину, которая будет использоваться для разгрузки центральной машины, выполняя «удаленные вычисления». Я ответил: «Прекрасно, а теперь покажите мне, сколько мы на этом сэкономим». Мы провели три совещания общей продолжительностью в четыре с половиной часа и пришли к выводу, что денег нам на этом сэкономить не удастся, более того, возникнут дополнительные затраты, но зато «может» появиться некоторая «эффективность». Эффективность эта была несущественна (мое мнение). Предложение поэтому было отвергнуто. Этот случай показал мне, что мой руководитель внутренней обработки не может четко мыслить.
Многопроцессорная обработка и мультипрограммирование
Мультипрограммирование — это метод, применяемый в системном программировании для такого управления вычислительной машиной, при котором переключение с одной программы (например, составляющей платежную ведомость) на другую (занимающейся, к примеру, инвентаризацией) происходит без загрузки и откачки какой-либо из этих программ. Такой прием приводит к повышению уровня использования ЦП. Одновременно в памяти машины может располагаться несколько десятков программ, которые выполняются, периодически переключаясь с одной на другую. Тем самым резко уменьшается время простоев ЦП, вызванное ожиданием ответов от диска или другими действиями по вводу/выводу.
При многопроцессорной обработке к общей памяти или нескольким общим блокам памяти подключается сразу несколько центральных процессоров, которыми управляет одна операционная система. Многопроцессорность практически всегда подразумевает мультипрограммирование.
Два ЦП могут обладать и не одинаковыми возможностями. Для увеличения скорости решения задач один ЦП может делаться ведущим, а второй — вспомогательным, но при этом используются две разные операционные системы и, по нашему определению, нет никакой многопроцессорной обработки. Высокопроизводительный центральный процессор может соединяться с медленным ЦП, на котором, однако, имеется много разнообразных устройств ввода/вывода. Медленный ЦП будет выполнять все функции по обеспечению ввода/вывода, оставляя быстрому ЦП заботы по выполнению выстроенных в очередь заданий. Такой метод часто называется методом присоединенного вспомогательного процессора. С появлением мультипрограммных операционных систем этот метод применяется все реже.
Производительность при многопроцессорной обработке
Если в состав многопроцессорного комплекса входят машины в 1 МКС — каждая из них выполняет миллион команд в секунду — и у нас их четыре, мы, конечно же, получим систему в 4 МКС, не так ли? Нет, не так. Когда сразу несколько ЦП пытаются обратиться к одному блоку памяти, возникает эффект блокирования. В некоторых приложениях специально формулируются требования по синхронизации, позволяющие достичь целостности данных, когда несколько ЦП пытаются обратиться к одному файлу данных или к одной физической ячейке памяти. При этом может возникать некоторое снижение производительности, измерить которое и понять очень сложно. (См. рис. 7.1.)
Рис. 7.1. Производительность многопроцессорной системы
Если кто-то говорит, что такая-то и такая-то системы имеют по 16 ЦП, можно побиться об заклад, что либо 1) они работают с очень специальной задачей в крайне жестких граничных условиях, либо 2) такие системы не более чем любопытная лабораторная диковина, которая вряд ли может быть применена в настоящих приложениях. На путях внедрения 16-процессорных систем в практику универсальной обработки данных еще остается много препятствий.
Существуют, однако, и замечательные примеры применения многопроцессорных систем в системах реального времени. Система диспетчеризации авиалиний FAA имеет четыре процессора, четыре программируемых канала ввода/вывода и несколько десятков отдельных блоков памяти. В качестве многопроцессорной системы она начала работать более шести лет назад в 21 центре. Это очень дорогостоящая разработка, причем средства защиты от отказов (продолжения работы в более ограниченных условиях, когда часть аппаратуры отключается) еще до конца не запрограммированы. Но многопроцессорная обработка уже ведется.
Готовность
До появления многопроцессорной обработки надежность системы гарантировалась с помощью дублирования — две одинаковые системы ставились бок о бок, и каждая из них выполняла все задание целиком. Этот метод применялся в десятках систем и работал весьма удовлетворительно. И в военно-воздушных силах — в системе раннего оповещения о появлении баллистических ракет, — и в большинстве систем NASA по освоению космического пространства в начале 1960-х г. с успехом применялся этот метод. Его используют и сейчас, но доля его в общем числе разработок намного снизилась.
