Организация многомашинных и многопроцессорных вычислительных систем

Вычислительная система представляет собой сложный комплекс, состоящий из разнообразных технических средств и соответствующего программного обеспечения.

Первыми ВС были однопроцессорные мультипрограммные ЭВМ, высокая производительность которых была достигнута за счет распределения во времени основных устройств системы между программами.

Дальнейшее повышение производительности ЭВМ было достигнуто за счет мультиобработки программ (задач), т. е. за счет разбиения программ на отдельные блоки и параллельной обработки этих блоков на нескольких обрабатывающих устройствах, входящих в состав ВС. Мультиобработка позволяет не только повысть производительность, но и сократить время выполнения отдельных программ, которые могут разбиваться на части и распределяться между различными обрабатывающими устройствами.

Многомашинная система (ММС) – это вычислительный комплекс, включающий в себя несколько компьютеров (каждый из которых работает под управлением собственной операционной системы), а также программные и аппаратные средства связи компьютеров, которые обеспечивают работу всех компьютеров комплекса как единого целого.

Работа любой многомашинной системы определяется двумя главными компонентами: высокоскоростным механизмом связи процессоров и системным программным обеспечением, которое предоставляет пользователям и приложениям прозрачный доступ к ресурсам всех компьютеров, входящих в комплекс. В состав средств связи входят программные модули, которые занимаются распределением вычислительной нагрузки, синхронизацией вычислений и реконфигурацией системы. Если происходит отказ одного из компьютеров комплекса, его задачи могут быть автоматически переназначены и выполнены на другом компьютере. Если в состав многомашинной системы входят несколько контроллеров внешних устройств, то в случае отказа одного из них, другие контроллеры автоматически подхватывают его работу. Таким образом, достигается высокая отказоустойчивость комплекса в целом.

Помимо повышения отказоустойчивости, многомашинные системы позволяют достичь высокой производительности за счет организации параллельных вычислений. По сравнению с многопроцессорными системами возможности параллельной обработки в многомашинных системах ограничены: эффективность распараллеливания резко снижается, если параллельно выполняемые задачи тесно связаны между собой по данным. Это объясняется тем, что связь между компьютерами многомашинной системы менее тесная, чем между процессорами в многопроцессорной системе, т.к. основной обмен данными осуществляется через общие многовходовые периферийные устройства. В отличие от многопроцессорной системы, где используются сильные программные и аппаратные связи, в многомашинных системах аппаратные и программные связи между обрабатывающими устройствами являются более слабыми. Территориальная распределенность в многомашинных комплексах не обеспечивается, т.к. расстояния между компьютерами определяются длиной связи между процессорным блоком и дисковой подсистемой.

Достаточно в системе, изображенной на рис. в каждой ЭВМ выйти из строя по одному устройству (даже разных типов), как вся система становится неработоспособной (на рис. ВЗУ – внешнее запоминающее устройство, ОП – оперативная память).

В настоящее время наиболее широко используют двухмашинные вычислительные комплексы, которые могут работать в одном из следующих режимов.

· 100%-ное горячее резервирование. Обе ЭМВ в этом режиме исправны и работают параллельно, выполняя одни те же операции над одной и той же информацией (дуплексный режим). После выполнения каждой команды результаты преобразования сравниваются и при их совпадении процесс вычислений продолжается. При этом в памяти обоих ЭВМ в каждый момент находится одна и та же информация. При обнаружении несовпадения в результатах обработки неисправная ЭВМ выводится на ремонт, а исправная ЭВМ продолжает работать под контролем встроенной в ЭВМ системы автоматического контроля.

· Одна исправная ЭВМ решает задачи без дублирования, а другая ЭВМ находится в режиме «Профилактика», в котором осуществляется прогон контролирующих тестов. Если основная ЭВМ продолжает не в состоянии выполнить задачу, то резервная может прекратить "Профилактику" и начать работу параллельно с основной.

Задание режимов работы вычислительного комплекса возможно программным путем или с помощью команд прямого управления или с пульта управления комплекса.

ММС могут быть однородными и неоднородными. Однородные системы содержат однотипные ЭВМ или процессоры. Неоднородные ММС состоят из ЭВМ различного типа.

По типу организации многомашинные ВК можно разделить на две группы:

· Несвязанные ВК состоят из центральной и периферийной ЭВМ, между которыми нет прямого физического соединения и отсутствуют какие-либо совместно исполняемые аппаратные средства. Целесообразность их применения определяется тем, что операции ввода-вывода информации и вычисления совмещаются во времени. Небольшая и недорогая ЭВМ выполняет медленные операции ввода-вывода информации (считывание с перфокарт, печать и т.д.), а центральная ЭВМ – высокоскоростные операции, обмениваясь в процессе вычислений с ВЗУ.

· Связанные ВК включают несколько ЭВМ, которые совместно используют общие аппаратные средства. В таких ВК, обе ЭВМ могут выполнять, две различные программы автономно или во взаимодействии друг с другом.

Наличие нескольких тесно связанных ЭВМ в составе единой ВС позволяет существенно уменьшить время вычислений благодаря параллельному выполнению на отдельных ЭВМ различных подзадач (пакетов программ), входящих в общую задачу.

Вычислительная система называется многопроцессорной (МПС), если она содержит несколько процессоров, работающих с общей ОП (общее поле оперативной памяти) и управляется одной общей операционной системой, которая оперативно распределяет вычислительную нагрузку между процессорами. Каждый из процессоров может относительно независимо от остальных выполнять свою программу.

Сам по себе процессорный блок не является законченным компьютером и поэтому не может выполнять программы без остальных блоков многопроцессорного компьютера – памяти и периферийных устройств. Все периферийные устройства являются для всех процессоров многопроцессорной системы общими. Территориальную распределенность многопроцессорная система не поддерживает – все его блоки располагаются в одном или нескольких близко расположенных конструктивах, как и у обычного компьютера.

Основное достоинство МПС – её высокая производительность, которая достигается за счет параллельной работы нескольких процессоров, обеспечивающей быстрый обмен информацией между процессорами; повышения эффективности работы и улучшения распределения нагрузки в системе; обеспечения наиболее экономичного обслуживания экстренных заданий и заданий при пиковых нагрузках; достижения высокого коэффициента эффективного использования ресурсов для создания новых типов архитектуры комплекса.

Еще одним важным свойством МПС является отказоустойчивость, т.е. способность к продолжению работы при отказах некоторых элементов, например процессоров или блоков памяти. При этом производительность, естественно, снижается, но не до нуля, как в обычных системах, в которых отсутствует избыточность.

Свойства МПС – высокая надёжность и живучесть, т.к. система сохраняет работоспособность, пока работоспособны хотя бы по одному модулю каждого типа устройств.

Основные особенности построения МПС: 1) система включает в себя один или несколько процессоров; 2) центральная память системы должна находиться в общем пользовании и к ней должен быть обеспечен доступ от всех процессоров системы; 3) система должна иметь общий доступ ко всем устройствам ввода-вывода, включая каналы; 4) система должна иметь единую ОС, управляющую всеми аппаратными и программными средствами; 5) в системе должно быть предусмотрено взаимодействие элементов аппаратного и программного обеспечения на всех уровнях: на уровне системного программного обеспечения, на программном уровне при решении задач пользователей (возможность перераспределения заданий), на уровне обмена данными и др.

МПС могут быть однородными и неоднородными. Однородные системы содержат однотипные ЭВМ или процессоры. В неоднородных МПС используются различные специализированные процессоры, например процессоры для операций с плавающей запятой, для обработки десятичных чисел, процессор, реализующий функции операционной системы, процессор для матричных задач и др.