 |
Многопроцессорные комплексы
|
|
|
|
Вычислительные алгоритмы на основе ряда слабосвязанных потоков команд и данных реализуются в многопроцессорных комплексах класса МКМД. Основное внимание в таких комплексах уделяется синхронизации и взаимосвязи между параллельно функционирующими вычислительными процессами на ряде МП. Применяются в основном два механизма взаимодействия процессов:
‑ использование общей многопортовой оперативной памяти для организации синхронизации и взаимодействия;
‑ работа по принципу обмена сообщениями процессов друг с другом через высокоскоростные линии связи. Структурные схемы двух таких параллельных архитектур показаны на рис. 4.1.
Для снижения требований по быстродействию к общему ОЗУ при реализации первого механизма, помимо общей, каждому процессору выделяется локальная память (рис. 4.2,а). Для уменьшения сложности коммутационной сети при реализации второго механизма несколько МП объединяются в группы - кластеры со своими локальными коммутационными сетями, переключение же таких групп осуществляется глобальной коммутационной сетью (рис. 4.2,б).
Два фактора ограничивают производительность таких комплексов:
‑ организация связей между элементами комплекса, практически каждый элемент комплекса должен быть связан с другими, что часто не удается реализовать в полном объеме;
‑ сложность организации вычислительного процесса в многопроцессорном комплексе при параллельной работе нескольких процессоров.
Существуют три основных способа организации связей МП в многопроцессорных вычислительных комплексах:
‑ с общей разделяемой во времени шиной (рис. 4.3,а);
‑ с перекрестной коммутацией скоростных последовательных линий связи (рис. 4.3,б);
|
|
|
‑ с многопортовым общим ОЗУ (рис. 4.3,в).
При использовании общей шины по ней передаются адреса, данные и команды между различными устройствами и процессорами. При сравнительной простоте такой организации очевиден недостаток: два устройства, обмениваясь по шине, занимают ее, не допуская обмена
остальных устройств. Поэтому при таком способе организации многопроцессорный комплекс обычно содержит не более трех процессоров.
Коммутация связей в многопроцессорном комплексе с общим ОЗУ происходит в многопортовом интерфейсе общего блока памяти. Количество портов ОЗУ ограничивает количество связываемых устройств. Обычно сложность реализации таких комплексов ограничена сложностью и быстродействием логических схем арбитража доступа к ячейкам ОЗУ нескольких устройств одновременно. Надежность комплекса целиком зависит от надежности общего ОЗУ.
При использовании перекрестной коммутации линий связи имеется один централизованный или ряд децентрализованных коммутаторов. В настоящее время это быстродействующие КМОП, большие интегральные схемы (БИС). Передача сообщений между элементами комплекса ведется по скоростным линиям связи со скоростями в десятки мегабит в секунду. Коммутация линий ведется таким образом, что обмениваться сообщениями может несколько пар устройств, не мешая друг другу. Количество элементов таких комплексов ограничено, в основном, уровнем технологии и сложностью операционной системы, достигая нескольких тысяч и десятков тысяч.
Организация вычислительного процесса в многопроцессорном комплексе для достижения максимальной производительности должна быть весьма сложной; чтобы снизить стоимость комплекса, разработчики упрощают организацию вычислительного процесса, несколько снижая производительность комплекса [4].
Наиболее простая организация вычислительного процесса в многопроцессорном комплексе - по принципу "ведущий - ведомый". В этом случае один из процессоров управляет всеми остальными. Он распределяет между ними задания и выделяет необходимые ресурсы для их выполнения. Основное достоинство такой организации - простота и отсутствие конфликтов процессоров за ресурсы, редко возникают незапланированные ситуации, требующие быстрого вмешательства "ведущего" процессора. Недостатки такого способа организации вычислительного процесса:
|
|
|
 |
‑ один из процессоров исключается из активного решения задач;
‑ при отказе "ведущего" процессора отказывает весь комплекс в целом;
‑ если "ведущий" процессор не справляется со своевременной загрузкой задач "ведомых", происходит простой незагруженных процессоров.
Второй вид организации вычислительного процесса в многопроцессорном комплексе - раздельное выполнение заданий на каждом из процессоров с предварительным их распределением до начала выполнения работ. Достоинство такого метода организации - в его простоте и в том, что теперь все процессоры выполняют задания по обработке информации, обеспечивается простота операционной системы комплекса. Основным недостатком такой организации процесса вычислений является тот факт, что
задания между процессорами распределяются заранее, до начала работы, и все ресурсы не могут быть перераспределены в процессе работы, что приводит к неравномерной загрузке процессоров.
Наиболее совершенным, но и наиболее сложным методом организации вычислительного процесса в многопроцессорном комплексе является организация вычислений в виде симметричной однородной обработки информации каждым процессором. В рамках многопроцессорной системы устанавливается постоянно обновляющийся перечень решаемых задач и каждый процессор по мере освобождения загружается следующей задачей, выделяются необходимые для нее ресурсы. Достоинством этого способа организации является непрерывная загрузка процессоров и динамическое перераспределение ресурсов в процессе выполнения задач. К недостаткам такой организации можно отнести следующие:
‑ очень сложную организацию операционной системы комплекса;
|
|
|
‑ возникновение конфликтных ситуаций между процессорами при конкуренции за выделяемые для решения задач ресурсы. Классической архитектуре МКМД с перекрестной коммутацией линий связи соответствует семейство микропроцессоров, называемых транспьютерами. Транспьютер - это микропроцессор с внутренней конвейерной архитектурой, сокращенным набором команд и рядом быстрых последовательных линий связи с устройством управления этими линиями. Сокращение набора команд МП обусловлено необходимостью выполнять каждую команду за один такт машинного генератора МП для организации внутреннего синхронного конвейера для исполнения команд. Команды разбиваются на ряд этапов, например: выборка кода команды из памяти, дешифрация команды, выборка данных, исполнение команды. Организуется четырехступенчатый конвейер выполнения команд. Такие МП называются RISC МП. Благодаря наличию линий связи с устройством управления транспьютер может быстро передать данные другим МП в архитектуре класса МКМД. На базе таких транспьютеров создаются многопроцессорные ускорители вычислений для персональных компьютеров, а также многопроцессорные суперкомпьютеры. Весьма перспективно использование таких транспьютеров в специализированных цифровых устройствах обработки информации.
 |
|
|
|
