Многопроцессорные вычислительные системы

Сильно-связанные вычислительные системыили многопроцессорные вычислительные системы (МПВС) основаны на объединении процессоров на общем поле оперативной памяти. Это поле называется разделяемой памятью (Shared Memory). Управление обеспечивается одной общей операционной системой. При этом достигаются более быстрый обмен информацией между процессорами, чем между ЭВМ в многомашинных вычислительных системах (комплексах), и более высокая суммарная производительность системы. Иногда их называют «истинными» мультипроцессорами.

В таких системах, как правило, число параллельных процессов невелико и управляет ими централизованная операционная система. Процессы обмениваются информацией через общую оперативную память. При этом возникают задержки из-за межпроцессорных конфликтов. При создании больших мультипроцессорных ЭВМ (мэйнфреймов, суперЭВМ) предпринимаются огромные усилия по увеличению пропускной способности оперативной памяти. В результате аппаратные затраты возрастают чуть ли не в квадратичной зависимости, а производительность системы упорно «не желает» увеличиваться пропорционально числу процессоров. Так, сложнейшие средства снижения межпроцессорных конфликтов в оперативной памяти суперкомпьютеров серии CRAY X-MP/Y-MP позволяют получить коэффициент ускорения не более 3,5 для четырехпроцессорной конфигурации системы.

По топологии межмодульных функциональных и управляющих связей и организации работы выделяются два типа многопроцессорных систем МКМД

¨ с общей шиной;

¨ с использованием многовходовой памяти (многошинные-многовходовые вычислительные системы).

 

 

Многопроцессорные вычислительные системы с общей шиной.

В МПВС с общей шиной(Shared Memory Proccessing – мультипроцессоры с разделением памяти, SMP-архитектура) все функциональные модули (процессоры П1, П2,..., ПМ, модули памяти МП1, МП2,.... МПК, устройства ввода-вывода УВВ1, УВВ2,.... УВВМ) подсоединены к одной общей шине межмодульных связей, ширина которой может быть от одного бита до нескольких байтов. Между модулями системы нет постоянных связей, информация между ними передается в режиме разделения времени. В каждый данный момент времени по шине передается лишь один пакет информации от какого-то одного источника. Другие источники информации должны ожидать, пока не освободится системная шина.

Основные преимущества системы с общей шиной межмодульных связей:

¨ система характеризуется относительно низкой функциональной сложностью и невысокой стоимостью;

¨ в системе легко осуществляется реконфигурация структуры путем добавления или удаления функциональных модулей.

Недостатки таких систем:

¨ ограничение производительности системы пропускной способностью общей шины;

¨ ухудшение общей производительности системы при ее расширении путем добавления модулей;

¨ потери производительности системы, связанные с разрешением конфликтов, которые возникают в случае, когда несколько модулей одновременно претендуют на занятие общей шины для передачи информации. Эти потери можно снизить, если, кроме общей памяти, доступной всем процессорам, каждый из них снабдить местной (локальной, процессорной) памятью для хранения информации, участвующей в ближайшем ряду вычислений. При наличии местной памяти частота обращения процессоров к общей памяти уменьшается, следовательно, уменьшается частота возникновения конфликтов и потери времени на их разрешение;

¨ отказ общей шины приводит к выходу из строя всей системы.

Организация связей между элементами системы на основе общей шины является одним из распространенных способов построения не только многопроцессорных, но и многомашинных вычислительных комплексов небольшой мощности.

Архитектура SMP стала своего рода стандартом для всех современных многопроцессорных серверов (например, НР9000 и DEC Alpha Server AXP).

 

 

Многопроцессорные вычислительные системы с многовходовыми модулями ОП.

В МПВС с многовходовыми модулями ОП или симметричных МПВС взаимные соединения выполняются с помощью индивидуальных шин, подключающих каждый процессор и каждое устройство ввода-вывода к отдельному входу оперативной памяти. Для этого необходимо, чтобы модули ОП имели по несколько входов и снабжались управляющими схемами для разрешения конфликтов в случаях, когда два или более процессора или устройства ввода-вывода требуют доступа к одному и тому же модулю памяти в пределах одного временного цикла. Число подключаемых элементов системы к одному модулю памяти ограничивается числом его входов.

При построении общего поля ОП МПВС целесообразной оказывается реализация метода расслоения оперативной памяти, при которой ячейки с соседними адресами оказываются расположенными в соседних модулях. Обязательными условиями применения этого метода являются модульность структуры ОП и наличие для каждого модуля памяти автономного блока управления памятью.

Преимущества МПВС с многовходовыми модулямиОП:

¨ скорость передачи информации значительно выше, чем в МПВС с общей шиной;

¨ система может работать и в режиме однопроцессорной конфигурации.

Недостатки таких систем следующие:

¨ большое число линий связи и разъемов, усложняющих конструкцию системы и снижающих ее надежность;

¨ оперативная память, составленная из многовходовых модулей, является дорогостоящей.

Принципы построения МПВС с многовходовыми модулями ОП используются в мэйнфреймах.

 

 

Многомашинные вычислительные системы (ММВС)

В системах типа МКМД реализуется асинхронный вычислительный процесс, при котором каждый процессор системы выполняет свою программу (или свой участок сложной программы) с собственными данными. В таких системах происходит постоянное распараллеливание вычислений. Две основных причины создания этого типа ВС – дублирование важных блоков вычислений или модулей ВС и повышение производительности систем.

 

 

Многомашинные комплексы

Вычислительные системы со слабой связью или распределенные вычислительные системы, как правило, представляются многомашинными комплексами, в которых отдельные компьютеры объединяются либо с помощью сетевых средств, либо с помощью общей внешней памяти (обычно — дисковые накопители большой емкости). Каждая ЭВМ системы имеет свою оперативную память и работает под управлением своей операционной системы. Каждая машина использует другую как канал или устройство ввода-вывода. Обмен информацией между машинами происходит в результате взаимодействия их операционных систем.

ММВС строится из логически независимых компонентов: процессоров, устройств оперативной памяти, каналов ввода-вывода, ВЗУ, устройств управления ВЗУ, устройств ввода-вывода, устройств управления УВВ. Логическая независимость процессоров системы определяется возможностью их независимого функционирования. Для остальных компонентов эта независимость определяется возможностью их подсоединения к одному или к нескольким процессорам ММВС.

Связь между машинами (процессорами) ММВС может осуществляться на уровне любого из его логически независимых компонентов с помощью специальных мультисистемных средств или средств комплексирования. Такая связь должна быть достаточно гибкой и обеспечивать независимость функционирования различных модулей системы и их взаимодействие с различной скоростью, соответствующей скорости обмена информацией между элементами системы. Для этого на разных уровнях комплексирования применяются различные по тактовой частоте, разрядности, пропускной способности шины интерфейсов.

Очевидно, что система со всеми возможными уровнями связей будет наиболее совершенной, гибкой и надежной в функционировании. Но с другой стороны, система с полными связями получается сложной по своей структуре и организации функционирования. В каждом конкретном многомашинном комплексе не обязательно реализуются все уровни комплексирования.

Рассмотрим уровни связи вычислительной системы в порядке возрастания скорости обмена информацией.

Межмашинная связь на уровне внешних устройств используется главным образом для организации общего поля внешней памяти. Такая связь организуется через каналы ввода-вывода этих устройств и шинные интерфейсы. При этом обычно часть ВЗУ остается в индивидуальном пользовании отдельных машин. Преимуществом комплексирования на уровне ВЗУ является значительное увеличение объемов информации (данных и программ), одновременно доступных процессорам ММВС.

Наибольшее распространение получила взаимодействие вычислительных средств на уровне канал-канал через адаптер канал-канал. Адаптер подключается к двум каналам, причем функционально он рассматривается как устройство управления ввода-вывода для каждого из каналов, а каждая из связанных адаптером машин по отношению друг к другу является внешним устройством. В отличие от любого другого устройства управления внешними устройствами адаптер не управляет устройствами ввода-вывода, а только осуществляет связь между каналами и синхронизирует их работу. Адаптер обеспечивает быстрый обмен информацией между каналами, а следовательно, и между ОП взаимодействующих процессоров, если общее поле оперативной памяти не организовано.

Взаимодействие на уровне ОП осуществляется для создания общего поля оперативной памяти, что значительно ускоряет обмен информацией между процессорами и повышает возможности функционирования системы. Наибольшая оперативность обмена информацией достигается при реализации именно такого уровня связи. Построение ММВС с общим полем ОП связано с необходимостью применения многовходовых модулей памяти. При этом существенно усложняются структура и функции устройства управления общей оперативной памятью. С помощью УУ должны решаться такие задачи, как реализация установленной очередности обращения к модулям памяти со стороны процессоров, решение конфликтных ситуаций, возникающих при одновременном обращении к одному и тому же модулю памяти со стороны обоих процессоров, поддержание когерентности памяти. Наибольшие затруднения связаны с созданием программных средств, обеспечивающих функционирование системы с общим полем ОП.

Взаимодействие на уровне процессоров через интерфейс межпроцессорной связи осуществляется с целью синхронизации единого вычислительного процесса путем передачи между процессорами сигналов внешних прерываний и команд прямого управления.

Для оценки эффективности взаимодействия вычислительных средств системы на различных уровнях могут привлекаться такие показатели эффективности ВС, как время реакции системы на запросы с учетом их приоритетов, пропускная способность, время на решение заданного набора задач.

 

ММР архитектура

Другим примером реализации слабосвязанной архитектуры являются системы с массовым параллелизмом (МРР), состоящие из десятков, сотен, а иногда и тысяч процессорных узлов. Строгой границы не существует, однако считается, что при числе процессоров 128 и более система относится к MPP-архитектуре. Большинство MPP-систем имеют как логически так и физически распределенную между процессорами память. Каждый узел такой системы содержит процессор и модуль памяти, в котором хранится процесс - совокупность команд, исходных и промежуточных данных вычислений, а также системные идентификаторы процесса. Узлы массово-параллельной системы объединяются коммутационными сетями самой различной формы - от простейшей двумерной решетки до гиперкуба или трехмерного тора. В отличие от архитектуры фон Неймана, передача данных между узлами коммутационной сети происходит по готовности данных процесса, а не под управлением некоторой программы. Отсюда еще одно название подобных систем - «системы с управлением потоком данных» (иногда просто «потоковые машины»).

К достоинствам данной архитектуры относится то, что она использует стандартные микропроцессоры и обладает неограниченным быстродействием (порядка TFLOPS).

Однако есть и недостатки — программирование коммутаций процессов является слабо автоматизированной и очень сложной процедурой. Так что для коммерческих задач и даже для подавляющего большинства инженерных приложений системы с массовым параллелизмом недоступны.

Многомашинные вычислительные системы создаются и на базе мини- и микро-ЭВМ.

Сравнивая между собой ММВС и МПВС, можно отметить, что в МПВС достигается более высокая скорость обмена информацией между элементами системы и поэтому более высокая производительность, более высокая реакция на возникающие в системе и ее внешней среде нестандартные ситуации, более высокие надежность и живучесть (МПВС сохраняет работоспособность, пока работоспособны хотя бы по одному модулю каждого типа устройств). С другой стороны, построение ММВС из серийно выпускаемых ЭВМ с их стандартными операционными системами значительно проще, чем построение МПВС, требующих преодоления определенных трудностей, связанных главным образом с организацией общего поля оперативной памяти и созданием единой операционной системы. Разница организации MIMD-систем с сильной и слабой связью проявляются ещё и при обработке приложений, отличающихся интенсивностью обменов между взаимодействующими процессами (см. раздел Вычислительные системы).

Вычислительные сети являются дальнейшим развитием вычислительных систем распределенного типа. Они представляют собой новый, более совершенный этап в использовании средств вычислительной техники - переход к коллективному их использованию.

 

* теория классификации и систематизации сложноорганизованных областей действительности, имеющих обычно иерархическое строение ©2001 "Большая Российская энциклопедия"