Одноуровневая память

Одноуровневая память и производительность

Как уже отмечалось, основное достоинство одноуровневой памяти — в сокращении числа команд, требуемых для выполнения определенных функций ОС. Можно привести множество примеров функций, производительность которых повышается благодаря одноуровневому хранилищу. Значительно упрощается за счет ненужности перемещения файлов файловая система, эффективней работает база данных. Но одно преимущество сразу бросается в глаза — это резкий рост производительности AS/400 при работе в интерактивном режиме, непосредственно зависящей от времени на переключение процессов. Рассмотрим пример, иллюстрирующий, как переключение процессов влияет на общую производительность AS/400.

В обычной ОС, использующей адресацию относительно сегмента, при переключении процессов требуется изменение содержимого сегментных регистров. Если этого не сделать, то меньшие эффективные адреса в новой программе будут ошибочно транслироваться в виртуальные, принадлежащие программе предыдущего процесса. Проблема возникает потому, что каждый процесс в системах такого типа имеет собственную эффективную память, которая начинается с адреса 0. Данный тип адресации используется большинством современных версий Unix, а также AIX IBM.

Роль сегментных регистров в системах такого типа — в отображении эффективных адресов в виртуальную память большего размера. Для этого содержимое сегментных регистров должно сохранятся где-то в памяти при всяком переключении с данного процесса на другой, и снова восстанавливаться, когда первый процесс опять начинает выполняться. Использование в процессорах PowerPC таблицы сегментов вместо сегментных регистров делает ненужным сохранение содержимого регистров в памяти — там уже и так находится таблица сегментов. Однако при переключении процессов необходимо очистить регистры SLB от информации предыдущего процесса.

При трансляции эффективных адресов в виртуальные с использованием таблицы сегментов, регистры SLB обновляются по одному. Использование таблицы в памяти до заполнения всех регистров SLB может привести к увеличению числа тактов процессора на каждое обращение к памяти. В результате, производительность процесса снизится, пока не будет загружено некоторое число регистров. Если, например, процесс, на который происходит переключение — последовательное чтение из базы данных, потребуется протранслировать, по крайней мере, четыре адреса (по одному для программы, индекса, курсора и пространства данных) лишь для того, чтобы начать работу. Более того, так как каждый из таких объектов имеет несколько сегментов (со своими виртуальными адресами), вероятно, потребуется протранслировать с помощью таблицы в памяти от 8 до 12 адресов, прежде чем регистры SLB можно будет эффективно использовать.

Как мы уже говорили, одноуровневая память AS/400 не использует ни таблицу сегментов, ни регистры SLB. Эффективный адрес соответствует виртуальному, и никакого преобразования не требуется, так как вся виртуальная память адресуется программой напрямую. Следовательно, при переключении процессов не происходит спада производительности, связанного с таблицей сегментов.

И это еще не все!

Возьмем трансляцию виртуального адреса в реальный с помощью таблицы страниц. В обычной системе каждый пользовательский процесс может иметь свою собственную виртуальную память с уникальной таблицей страниц. Пример — Microsoft Windows NT. В этой ОС компонент управления памятью предоставляет каждому процессу большое отдельное виртуальное адресное пространство. Это означает, что при переключении процессов нужно не только изменить таблицу страниц, чтобы обеспечить корректное отображение адресного пространства нового процесса, но также и очистить все регистры TLB. После переключения процессов адреса транслируются из виртуальных в реальные с помощью новой таблицы страниц, и содержимое регистров TLB обновляется по одному. Подобно перезагрузке регистров SLB, перезагрузка регистров TLB после переключения процессов снижает производительность.

В AS/400 только одна виртуальная память, поэтому имеется только одна таблица страниц, которую используют все. Следовательно, при переключении процессов не нужна очистка TLB, и размер TLB больше, чем у других систем. Регистры TLB содержат использованные последними записи таблицы страниц. С течением времени самые старые записи заменяются новыми. При большем числе регистров выше вероятность того, что виртуальный адрес, транслированный в отдаленном прошлом, все еще будет в TLB. TLB большего размера означает, что при повторном переключении на ранее выполнявшийся процесс, некоторые или все его адреса уже доступны, что невозможно, если регистры TLB очищать при всяком переключении процессов. И здесь единая виртуальная память AS/400 позволяет сохранить значительный объем процессорного времени.

Наконец, современные процессоры не выбирают информацию из памяти и не записывают ее туда непосредственно. Кэшпамять содержит порции основной памяти и имеет собственный справочник. В зависимости от архитектуры кэш-памяти на данном компьютере и от того, есть ли разряды виртуального адреса в справочнике кэша, при переключении процесса может потребоваться очистка кэша. А при использовании одноуровневой памяти это не нужно.

Операционные системы, предназначенные для работы с обычной виртуальной памятью, чаще всего пытаются избежать большого числа переключений процессов из-за неизбежных накладных расходов. Но если это не удается, для эффективной работы таким системам нужен высокопроизводительный процессор.

По сравнению с другими системами, переключение процессов на AS/400 выполняется очень быстро, так как требует лишь нескольких действий. Спад производительности при старте нового процесса в AS/400 также не столь резкий. В результате, части как OS/400, так и SLIC, спроектированы для выполнения большого числа переключений процессов. Несколько лет назад сотрудники подразделения IBM Research обнаружили в ходе исследований, что в типичной пользовательской среде AS/400 переключение процессов происходит примерно через каждые 1200 команд. В это даже трудно поверить, ведь некоторым системам нужно выполнить 1000 или более команд только для самого переключения процессов. Но не AS/400!

Благодаря способности быстро переключаться между процессами, производительность AS/400 в интерактивном режиме очень высока. Еще System/38 и первые AS/400 были оптимизированы для интерактивных приложений обработки транзакций. К AS/400 могут быть подключены любые терминалы. Одна такая большая система легко может поддерживать несколько тысяч параллельных пользователей, далеко превосходя в этом своих конкурентов, таких как Unix или Windows NT. Работая с приложениями, требующими частых переключений процессов, AS/400 способна превзойти по производительности системы с более быстрыми процессорами, так как выполняет меньше команд.

Теперь рассмотрим среду, не требующую частых переключений процессов, например, среду пакетной обработки, где один процесс исполняется в течение долгого времени. Здесь скорость переключения процессов не играет существенной роли. Ранние системы AS/400 не очень хорошо работали в пакетном режиме — сказывалась недостаточная производительность процессора^{4Я хочу предупредить возражения моих друзей — специалистов в области производительности — и, прежде всего, Рича Тернера (Rich Turner). Действительно, производительность пакетной обработки зависит не только от скорости процессора. Важную роль играют и размер памяти, и возможности дисковой подсистемы.}.

Дело в том, что в ранних версиях рочестерских систем никогда не использовались высокопроизводительные процессоры. Доходило даже до того, что при описании характеристик различных моделей AS/400, не указывались скорости процессоров в MIPS (миллион команд в секунду) или МГц.

Подобно тому, как MIPS указывает, сколько команд процессор может выполнить в секунду, МГц задает число тактов за секунду. Если два разных процессора должны для выполнения одной и той же задачи выполнить одинаковое количество команд, и по всем остальным параметрам наблюдается такое же равенство, то значения MIPS или МГц могут дать некоторое представление о производительности процессоров. Но если для выполнения одной и той же работы процессорам нужно разное число команд, то ни MIPS, ни МГц не имеют никакого значения.

В Рочестере всегда настаивали на оценке объема работ, который может выполнить AS/400, в таких показателях, как число транзакций в секунду. Лаборатория IBM в Рочестере — лидер в создании промышленных тестов для обработки транзакций. Здесь в тесном контакте с Transaction Processing Performance Council измеряются показатели TPC для вычислительных систем. Эти показатели также призваны отражать стоимость каждой транзакции, рассчитанную на основании цен на аппаратуру и ПО для данной конфигурации. Все это дает пользователю возможность сравнивать разные вычислительные системы как по цене, так и по производительности. Так вот, в соответствии с этими тестами, AS/400 — один из лидеров как по показателю цена/производительность, так и по чистой производительности. Да и что здесь удивительного — ведь она создавалась именно для решения задач такого типа.

Интерактивная обработка подразумевает присоединение к AS/400 терминалов, таких как 5250. Такие функции, как обновление полей на экране требуют много переключений процессов, особенно в случае подключения сотен или тысяч терминалов. При переходе в начале 90х годов к клиент/серверным вычислениям, большая часть экранной обработки стала выполняться на ПК (клиент). Тем самым число переключений процессов на AS/400 (сервер) сократилось. Но многие характеристики клиент/серверных вычислений попрежнему напоминают интерактивную обработку. Когда сотни или тысячи пользователей одновременно нажимают клавиши на клавиатуре или щелкают мышью, обращаясь к базе данных и ожидая затем ответа, быстрое переключение процессов AS/400 просто необходимо. AS/400 гармонично сочетает одновременную поддержку многочисленных пользователей (процессов) с требованиями клиент/серверной среды к пересылке данных.

Но есть серверные приложения, специально предназначенные для интенсивных вычислений. Пример — приложения для поддержки принятия решений, где для генерации отчета требуется анализ больших объемов данных. Пользователи могут создавать сложные запросы, спрашивать "что если", выполнять поиск взаимосвязей в данных и т. д. Для такого приложения необходим тип обработки, больше похожий на пакетную, чем на интерактивную среду.

Для таких серверных приложений AS/400 были нужны мощные процессоры. И вот, несколько лет назад мы впервые представили специальные модели AS/400, предназначенные именно для высокопроизводительных серверов. В этих моделях мощные процессоры и большая память. Результаты различных клиент/серверных тестов показывают, что модели Advanced Server весьма конкурентоспособны, как по цене, так и по производительности. Не удивительно, что многие заказчики признали их лучшими и для обычных пакетных приложений.

Переключение процессов интенсивно используется как в интерактивных, так и в клиент/серверных приложениях. Быстрое переключение процессов всегда лучше медленного. Путем сокращения числа необходимых команд одноуровневая память повышает производительность не только переключения процессов, но и ряда других функций. Вернемся, например, к уже обсуждавшейся операции с файлами. Обычный сервер многократно выполняет операции открытиязакрытия файлов, что ведет к повышенной дисковой активности и снижает общую производительность системы. AS/400 обрабатывает такие файлы "на месте", устраняя излишние накладные расходы. Производительность процессора важна, но следует помнить, что каждая команда, которую не нужно выполнять, эквивалентна наличию для этой команды процессора с бесконечной скоростью. RISC-процессоры быстры, но не настолько.