Многомашинные и многопроцессорные системы
Концепция комплексирование однопроцессорных ЭВМ.
В основе этой концепции лежит сравнительная оценка возможностей однопроцессорных ЭВМ многомашинных и многопроцессорных систем. Рассмотрим некоторую стандартную многопроцессорную ЭВМ которую будем обозначать как [p+m], где p - это стандартный процессор, m – оперативная память. Обозначим теперь через P процессор с удвоенной производительностью по сравнению с p, а через M обозначим оперативную память с удвоенной емкостью и пропускной способностью по сравнению с m. Таким образом вводя такие обозначения мы помимо стандартной однопроцессорной ЭВМ можем рассматривать и другие типы машин. (славик)
| 2p+M | p+M | 2(p+m) | P+M | |
| Производительность | ||||
| Защита (надёжность хранения) наиболее важных данных | ||||
| Частота перезапуска системы при выполнении заданий | х | |||
| Критическая готовность системы | ||||
| Выполнение особо важных заданий и работа при типовых нагрузках |
0 – обычные возможности
1 – улучшенные возможности
2 – самые лучшие возможности
В современных однопроцессорных ЭВМ могут предусматриваться 4 уровня комплексирования: во-первых, на уровне процессоров для синхронизации и управления; во-вторых, на уровне каналов ввода-вывода при помощи адаптеров; в-третьих, на уровне оперативной памяти; в-четвёртых, на уровне внешней памяти.
Многомашинные комплексы
Многомашинный вычислительный комплекс (ММВК) – это комплекс, включающий в себя две или более ЭВМ, связи между которыми обеспечивают выполнение функций возложенных на комплекс.
Цели, которые ставятся при объединении ЭВМ в комплекс могут быть различными, и они определяют характер связей между ЭВМ. Чаще всего основной целью создания комплекса является или увеличение производительности, или повышение надежности или одновременно и то, и другое. По характеру связей ЭВМ, комплексы можно разделить на три типа:
- косвенно или слабо связанные;
- прямо связанные;
- сателлитные.
В косвенных или слабо связанных комплексах ЭВМ связаны друг с другом только через внешние запоминающие устройства. Для обеспечения таких связей используются устройства управления ВЗУ с двумя или более входами.
В косвенных слабо связанных комплексах связь между ЭВМ осуществляется только на информационном уровне. Обмен информацией осуществляется в основном по принципу «почтового ящика», т.е. каждая из ЭВМ помещает в общую внешнюю память информацию руководствуясь своей программой и соответственно другая ЭВМ принимает эту информацию исходя из своих потребностей. Такая организация связей обычно используется в тех случаях, когда ставится задача повысить надежность комплекса путём резервирования ЭВМ. В этом случае ЭВМ являющаяся основной решает заданные задачи, выдаёт результаты и постоянно оставляет в общем ВЗУ всю информацию необходимую для продолжения решения с любого момента времени. Такая ЭВМ, являющаяся резервной может находиться в состоянии ожидания с тем, чтобы в случае выхода из строя основной ЭВМ по сигналу оператора начать выполнение заданий используя информацию, хранимую в общем ВЗУ. По сигналу оператора «начать выполнение задания» используя информацию, хранимую в общем ВЗУ. При такой связи может быть несколько способов организации работы комплекса.
Способы организации работы комплекса :
1 Ненагруженный резерв. В этом случае резервная ЭВМ находится в выключенном состоянии и включается только при отказе основной ЭВМ. Естественно, для того, чтобы резервная ЭВМ начала выдавать результаты вместо основной потребуется определенное время. Это время может быть достаточно большим. Такая организация возможна, когда система, в которой работает ЭВМ не критична по отношению к некоторым перерывам или остановкам в процессе решения задач.
2 Нагруженный резерв. Резервная ЭВМ находится в состоянии полной готовности и в любой момент может заменить основную ЭВМ. Причём он либо она не решает никаких задач, либо работает в режиме самоконтроля, решая контрольные задачи. В этом случае переход в работе от основной к резервной ЭВМ может осуществляться достаточно быстро. Однако следует заметить, что основная ЭВМ обновляет в общем ВЗУ информацию, необходимую для продолжения решения не непрерывно, а с определённой дискретностью. Поэтому резервная ЭВМ начинает решать задачи, возвращаясь на некоторое время назад. Такая организация допустима в тех случаях, когда ЭВМ работает непосредственно в контуре управления, а управляемый процесс достаточно медленный и возврат по времени не оказывает заметного влияния.
3 Для того, чтобы полностью исключить перерыв в выдаче результатов, обе ЭВМ и основная, и резервная решают одновременно одни и те же задачи. Но результаты выдаёт только основная ЭВМ, а в случае выхода её из строя, результаты начинает выдавать резервная ЭВМ. При этом ВЗУ используется только для взаимного контроля. Иногда такой комплекс дополняется устройством для сравнения результатов в целях контроля. Если при этом используется три ЭВМ то возможно применение метода голосования, когда окончательный результат выдаётся только при совпадении результатов решения задачи не менее чем от двух ЭВМ.
Следует обратить внимание, что при любой организации работы в слабо связном многомашинном вычислительном комплексе переключение ЭВМ осуществляется либо по командам оператора, либо с помощью дополнительных средств, осуществляющих контроль исправности ЭВМ и вырабатывающих необходимые сигналы. Кроме того, быстрый переход в работе с основной на резервную ЭВМ возможен лишь при низкой эффективности использования оборудования. Гораздо большей гибкость обладают слабо [?прямо?] связанные многомашинные вычислительные комплексы.
В прямо связанных комплексах существует три вида связей:
1 Общее ОЗУ. Связь через общее ОЗУ гораздо лучше связи через ВЗУ. Хотя эта связь также носит характер информационной связи, и обмен информацией осуществляется по принципу «почтового ящика», вследствие того, что процессоры имеют прямой доступ к ОЗУ, все процессы в системе могут протекать с существенно большей скоростью, а разрывы в выдаче результатов при переходе с основной ЭВМ на резервную сокращаются до минимума. Основной недостаток связей через общее ОЗУ заключается в том, что при выходе из строя ОЗУ нарушается работа всей системы. Чтобы этого избежать, приходится строить общее ОЗУ из нескольких модулей и резервировать информацию. Это в свою очередь приводит к усложнению организации вычислительного процесса и в конечном счёте усложнению операционных систем.
2 Прямое управление (связь процессор-процессор). Непосредственная связь между процессорами канал прямого управления может быть не только информационной, но и командной, т.е. по каналу прямого управления один процессор может непосредственно управлять действиями другого процессора. Это, естественно улучшает динамику перехода от основной ЭВМ к резервной и позволяет осуществлять более полный взаимный контроль ЭВМ. Вместе с тем, передача значительных объёмов информации по каналу прямого управления нецелесообразна, т.к. в этом случае решение задач прекращается, поскольку процессоры ведут обмен информацией.
3 Адаптер канал-канал (АКК). Связь через адаптер канал-канал в значительной степени устраняет недостатки связей через общее ОЗУ и вместе с тем почти не уменьшает возможностей по обмену информацией между ЭВМ по сравнению с общим ОЗУ. Сущность этого способа связи заключается в том, что связываются между собой каналы двух ЭВМ с помощью специального устройства, адаптера. Обычно, это устройство подключается к селекторным каналам ЭВМ. Такое подключение адаптера обеспечивает достаточно быстрый обмен информацией между ЭВМ. При этом обмен может производиться большими массивами информации. В отношении скорости передачи информации, связь через адаптер мало уступает связи через общее ОЗУ, а в отношении объёма передаваемой информации, связи через общее ВЗУ. Функции адаптера достаточно просты. Это устройство должно обеспечивать взаимную синхронизацию работы двух ЭВМ и буферизацию информации при её передаче. Однако большое разнообразие режимов работы двух ЭВМ и необходимость реализации этих режимов существенно усложняет устройство адаптера.
Прямо связные комплексы позволяют осуществлять все способы организации многомашинных вычислительных комплексов, характерные для слабо связных комплексов. Однако, за счёт некоторого усложнения связей эффективность комплексов может быть значительно повышена. В частности, в прямо связных комплексах возможен быстрый переход от основном ЭВМ к резервной, в тех случаях, когда резервная ЭВМ загружена собственными задачами. Это позволяет обеспечивать высокую надёжность при высокой производительности. В реальных комплексах одновременно используется не один вид связей между ЭВМ, а два или более. В том числе, часто в прямо связанных комплексах присутствует и косвенная связь через ВЗУ. Для комплексов с сателлитными ЭВМ характерным является не способ связей, а принципы взаимодействия ЭВМ. Структура связей в сателлитных комплексах не отличается от связей в обычных многомашинных вычислительных комплексах. Чаще всего связь между ЭВМ осуществляется через адаптер. Особенностью же этих комплексов является то, что в них, во-первых, ЭВМ существенно различаются по своим характеристикам, а во-вторых, имеет место определённая соподчинённость ЭВМ и различие функций, выполняемых каждой ЭВМ. Одна из ЭВМ, основная, является как правило, высокопроизводительной и предназначается для основной обработки информации, вторая, существенно меньшая по производительности, является сателлитной, или вспомогательной ЭВМ. Её назначение - организация обмена информации основной ЭВМ с периферийными устройствами ВЗУ удалёнными абонентами. Сателлитные ЭВМ таким образом избавляет основную ЭВМ от выполнения многочисленных действий, которые не требуют ни большой разрядности, ни сложных операций.
Многопроцессорный вычислительный комплекс (МПВК) – это комплекс, включающий в себя два или более процессора, имеющих общую оперативную память, общие периферийный устройства и работающих под управлением единой операционной системы.
Схема МПВК
Эта простая схема оказывается достаточно сложно, т.к. у любого процессора и канала ввода-вывода должен быть доступ к любой ячейке ОЗУ. Даже для такого простого случая должен быть доступ любого процессора и канала ввода-вывода к любой ячейке ОЗУ и периферийному устройству. Кроме того, должен быть доступ любого процессора к любому каналу ввода-вывода и периферийному устройству. Если представить себе, что процессоров существенно больше, а подсистема ввода-вывода включает в себя несколько каналов и большое число периферийных устройств, то становится ясным, насколько сложна топология многопроцессорного вычислительного комплекса. Операционная система должна обеспечивать работу:
1) с переменными логическими адресами;
2) защиту памяти от взаимного влияния различных программ;
3) возможность запуска одного процессора другим процессором;
Кроме того, операционная система на таких комплекса должна еще решать более сложные задачи, а именно:
4) распределение ресурсов и заданий между процессорами;
5) синхронизацию процессов при решении несколькими процессорами одной задачи;
6) планирование с учётом оптимальной загрузки всех процессоров.
При этом, надо иметь ввиду, что в процессе работы в комплексе возникает большое число конфликтных ситуаций, которые должны обрабатываться операционной системой. Однако, несмотря на все трудности связанные с аппаратной и программной реализацией многопроцессорные вычислительные комплексы получают все большее распространение, т.к. обладают рядом достоинств:
1) высокая надёжность и готовность за счёт резервирования и возможности реконфигурации;
2) высокая производительность за счёт возможности гибкой организации параллельной обработки информации;
3) высокая экономическая эффективность за счёт повышения коэффициента использования оборудования комплекса.
Самым первым вычислительным комплексом считается комплекс фирмой Барроуз в США в 1968г под названием D-825. Он включал четыре процессора, 16 модулей ОЗУ, 10 каналов ввода-вывода и подключалось до 256 периферийных устройств. Он использовался для военных целей.