Вычислительные комплексы и системы

Многопроцессорные

Многопроцессорный вычислительный комплекс (МПВК) – это комплекс из нескольких процессоров (или ПЭ), взаимодействующих между собой через единый ресурс под управлением единой операционной системы, организующей весь процесс обработки в комплексе.

Задачи управления, которые решаются единой операционной системой в МПВК:

1. Все задачи, которые встают при реализации мультипрограммного режима.

2. Распределение ресурсов и заданий между процессорами.

3. Синхронизация процессоров при решении несколькими процессорами одной задачи.

4. Разрешение конфликтных ситуаций при обращении нескольких процессоров к единому ресурсу (ОЗУ, ПУ, канал и т.д.).

5. Обеспечение работоспособности вычислительной системы при выходе из строя какого-либо блока МПВС.

6. Планирование вычислительного процесса с учетом оптимизации загрузки всех процессоров.

Управление вычислительным процессом в МПВК может быть организовано синхронным или асинхронным способом.

Асинхронный способ позволяет инициализировать начало очередного процесса сразу же после окончания предыдущего. Запуск нового процесса возможен в том случае, если для него готовы все данные. Полностью асинхронная форма запуска соответствует управлению, которое называется управление потоком данных.

Многопроцессорные вычислительные системы (МПВС) – класс параллельных средств обработки информации, которые характеризуются тремя особенностями:

• MIMD-архитектурой;

• множеством процессоров;

• единым общедоступным ресурсом (как правило, общей оперативной памятью).

С развитием архитектуры ВС границы между различными каноническими классами систем стираются, уже сейчас они в достаточной степени условны.

Анализ многопроцессорных ВС и тенденций их развития позволяет считать в качестве канонической структуру мультипроцессора, представленную на рис. 5.4.

Многопроцессорная вычислительная система представляет собой композицию, в которой выделяются подмножество элементарных процессоров (ЭП), подмножество модулей памяти (МП) и коммутатор, обеспечивающий взаимодействие между любыми элементами различных подмножеств. Подмножество модулей памяти МП₁— МП_m, по сути является общей памятью для всех процессоров ЭП₁-ЭП_n, обычно n≤m. Взаимодействие между ЭП осуществляется не через коммутатор, а через общую память. Все ЭП, как правило, идентичны.

В первых МПВС (60-е и 70-е годы ХХ в.) число n достигало десяти. Современные многопроцессорные ВС представляют собой системы с числом ЭП от 10 до 10⁵.

На первый взгляд может показаться, что создание МПВК (или МПВС) решает все вопросы обеспечения высокой производительности. Действи­тельно, чего проще – устанавливай большое число ЦП, ставь ОП достаточно большого объема и с хорошими характеристиками быс­тродействия, набор периферийного оборудования и получай соот­ветствующий эффект. Однако существует по крайней мере две проблемы, которые усложняют решение задачи повышения производительности таким способом.

Первая проблема — организация связей между элементами комплекса (рис. 5.5).

Вторая проблема заключа­ется в организации вычисли­тельного процесса в таком комплексе.

Существует три типа структурного построения МПВК: с общей или разделяемой во времени шиной; с перекрестной коммутацией; с многовходовой оперативной памятью. МПВК с такими структурами считаются классическими.

Структурная схема МПВК с общей или разделяемой во времени шиной (рис. 5.6, а). Все устройства объединя­ются общей совокупностью проводов (общей шиной), по которым передаются данные, адреса, команды, управляющие сигналы.

Структура МПВК с перекрестной коммутацией (рис. 5.6, б). Здесь используется специальный централизованный комму­татор, связывающий между собой все компоненты комплекса. При этом коммутатор строится таким образом, что одновременно могут происходить передачи информации между несколькими парами устройств.

Структура МПВК с использованием многовходовой памяти (рис. 5.6, в). Здесь коммутация осуществляется в модулях ОП, каждый из которых имеет число входов-выходов, равное числу остальных компонентов комплекса. Таким образом, каждый компонент имеет непосредственную связь с модулем ОП. Структура такого МПВК подобна структуре с коммутатором, только коммутатор выполнен не в виде одного отдельного устройства, а распределен по всем модулям памяти. Такое решение по многим причинам упрощает реализацию. По такой схеме строится большинство про­мышленных комплексов, в частности по такой схеме выполнены комплекс "Эльбрус" и комплексы на базе ЕС ЭВМ.

Эффективность работы МПВС (МПВК) в очень сильной степени зависит от организации вычислительного процесса, требую­щей значительных затрат, т.е. от способов распределения и использования аппаратных, программных и информационных ресурсов. Выделяют три основных способа огранизации вычислительного процесса в многопроцессорных ВС: ведущий-ведомый; с раздельным выполнением заданий; симметричная обработка.

· Наиболее простая организация вычислительного процесса строится по принципу "ведущий-ведомый", когда на один из про­цессоров возлагаются функции по управлению всеми остальными. Ведущий процессор распределяет задания и необходимые для их выполнения ресурсы, что исключает конфликты из-за ресурсов и уменьшает частоту незапланированных ситуаций. При этом сам ведущий процессор практически исключается из решения приклад­ных задач и становится узким местом в плане надежности.

· Организация с раздельным выполнением заданий. Все про­цессоры находятся в равных условиях — выполняют все функции, связанные с обработкой информации. Однако это достигается за счет статического распределения ресурсов одновременно с распре­делением заданий; при выполнении прикладных процессов пере­распределяться не могут, что приводит к неравномерной загрузке процессоров, каналов, модугей памяти и, следовательно, снижению эффективности комплекса. (+ 1) надежность выше; 2) все ПЭ однородны по функциям»)

· При симметричной обработке устанавливается перечень задач (который может постоянно наращиваться) и каждый процессор при освобождении от предыдущей задачи выбирает себе новую из общего перечня, набирая себе необходимые ресурсы (области ОП, внешнюю память, каналы, ПУ). Потенциально такая организация может обеспечить наивысшую загрузку процессоров, но вызывает множество конфликтных ситуаций между ними из-за ресурсов и усложняет проблемы синхронизации процессов.