3.5.2Мультипроцессорные вычислительные комплексы

МПВК - это комплекс, который состоит из нескольких ЦП, работающих с общей оперативной памятью и общим ПУ под управлением единой ОС. Предназначен для решения широкого круга задач, т.е. является комплексом достаточно универсального типа.

Проблемы организации МПВК такого рода. Первая - организация связей между элементами комплекса. При большом количестве ЦП, моделей ОП, каналов ввода-вывода задача организации связей между ними оказывается не простой задачей (во всяком случае не дешевой). Вторая проблема – задача организации вычислительных процессов в таком комплексе является сложной, поэтому ОС таких комплексов представляет собой сложные и объемные программы, разработка которых требует высокой квалификации системных программистов и высокой трудоемкости. Разрешение этих двух проблем заставляет искать компромиссные варианты построения МПВК: с одной стороны – не очень сложной структуры, с другой – не очень значительное снижение производительности ВК. Практическое применение имеют три типа

Рисунок 3.13

структур МПВК: с общей шиной (рисунок 3.13), с перекрестной коммутацией (рисунок 3.14), с многовходовой (многопортовой) памятью (рисунок 3.15).

Основной недостаток структуры на основе ОШ – ограниченная способность ОШ и, как следствие, ожидание обмена, отсюда – падение производительности ВК по сравнению с теоретической. Теоретически производительность ВК, включающего N ЦП, возрастает в N раз, реальная – существенно меньше, чем в N раз. Другой недостаток – низкая надежность, т.к. отказ ОШ приводит к неработоспособности всего ВК. Достоинство – простота структуры.

Рисунок 3.15

Достоинство второй структуры – одновременно могут обмениваться несколько пар устройств, т.к. коммутатор КМ обеспечивает такую возможность. В результате резко возрастает производительность по сравнению со структурой на основе ОШ. Недостаток – сложность КМ и высокая его стоимость. Такую структуру имеет отечественный МПВК типа "Эльбрус".

Третья структура (рисунок 3.15) строится на основе многопортовых блоков памяти. В этом случае также обеспечивается одновременный обмен нескольких пар устройств. Коммутатор здесь фактически распределен по модулям памяти. Такое решение проще и дешевле, чем во второй схеме. По такой схеме организован отечественный МПВК на базе ЕС ЭВМ.

Организация вычислительных процессов. Первый способ – взаимодействие процессоров осуществляется по принципу «ведущий - ведомый». В этом случае один из процессоров ВК берет на себя функции по управлению остальными процессорами. А именно: ведущий процессор распределяет задания, выделяет необходимые для их выполнения ресурсы. Такая организация исключает конфликты из-за ресурсов и уменьшает частоту незапланированных ситуаций. Основной недостаток – ведущий процессор становится узким местом в плане надежности ВК.

Второй способ – с раздельным выполнением заданий: все процессоры находятся в равных условиях, имеют одинаковые права и выполняют все функции, связанные с обработкой информации. Однако распределение функций между ними осуществляется заранее, т. е. статически. В процессе выполнения заданий, т. е. в динамике, ресурсы перераспределяться не могут. Отсюда недостаток – неэффективное использование ресурсов, т. к. заранее предусмотреть оптимальное распределение ресурсов невозможно. Неоптимальное распределение ресурсов ведет, естественно, к снижению реальной производительности ВК по сравнению с теоретической.

Третий способ – симметричная обработка: каждый процессор по завершении текущей задачи выбирает себе новую из очереди задач, а также все ресурсы, необходимые для ее выполнения. Такая организация используется в ВК «Эльбрус».

Пример отечественного МПВК, построенного на базе ЭВМ типа ЕС – 1065, представлен на рисунке 3.16. Модули ОП здесь имеют емкость 1 МВ. Процессоры команд ПК осуществляют выборку и дешифрацию команд. Операционные устройства выполняют операции, предписанные командами: ОУ1 – операции с фиксированной запятой, ОУ2 – с плавающей запятой, ОУ3 – десятичную арифметику и обработку полей переменной длины, ОУ4 – операции умножения и деления (по ускоренной схеме). Быстродействие ВК – 7 млн. оп/сек.

Рисунок 3.16