Рисунок.9.2 Мультипроцессорная система

В мультипроцессорной системе с равноправными процессорами каждый ЦП имеет собственную ОС и управляет собственными ресурсами и устройствами ввода/вывода по типу многомашинных комплексов. В такой организации для управления всей системы существуют таблицы с глобальной системной информацией, доступ к которой строго контролируется методом взаимного исключения. Каждый ЦП берет из общей операции задание и выполняет его до завершения. Во время исполнения взаимодействие между ЦП не предусматривается. Данную систему характеризует высокая надежность, но не достаточно высокий уровень распараллеливания

Симметричная организация мультипроцессорной системы наиболее сложна и эффективна. Здесь все ЦП - идентичны. Каждый из них может управлять работой любого периферийного устройства и обращаться к любому устройству памяти. В таких системах в общей области памяти существует две очереди: очередь готовых процессов и очередь готовых процессоров

В любой момент времени любой готовый процесс может выполняться на любом готовом процессоре. Процессы во время своего исполнения мигрируют между ЦП. ОС также перемещается по процессорам, но в каждый момент времени может находиться только на одном процессоре.

Симметричное мультипроцессирование реализуется общей для всех процессоров ОС. Все процессы равноправно участвуют в управлении вычислительным процессом и в выполнении прикладных задач. Например, сигнал прерывания от устройства, на которое выводит данные прикладной процесс, выполняемый на некотором процессоре, может быть обработан совсем другим процессором.

Разные процессоры могут в какой-то момент времени выполнять как разные, так и одинаковые модули общей ОС. Для этого программные модули ОС должны обладать свойством повторной входимости – реентерабельности. ОС полностью децентрализована. Освободившийся процессор сам запускает планировщик задач, который выбирает из общей системной очереди задачу для выполнения. Все ресурсы выделяются для задачи по мере потребности и не закрепляются за процессором. При таком подходе все процессоры работают с одной и той же динамически выравниваемой загрузкой. В решении одной задачи могут участвовать сразу несколько процессоров, если она допускает распараллеливание, например, путем представления нескольких нитей (потоков для WINDOWS NT фирмы Microsoft), UNUX - SOLARIS компании Sun, базирующийся на UNIIX System V Release.

Рисунок.9.3 Архитектура однопроцессорной системы

Достоинства этой организации:

• высокая надежность (отказ одного из ЦП исключает его из очереди готовых процессоров);

• сбалансированная загрузка ЦП;

• лучшее использование ресурсов.

Недостатки - возрастает число конфликтов по системному обслуживанию, так как ОС имеется только в одном экземпляре.

Фирма COMPAQ, сотрудничая с NOVELL, выпустила OS-NETWARE from COMPAQ.

SCO UNIX оптимизирована под серверы COMPAQ и поддерживает многопроцессорность с помощью утилиты SCO MPX, которая эффективно использует симметричную многопроцессорную архитектуру.

Рассмотрим архитектуру двухпроцессорной вычислительной системы фирмы COMPAQ. В основу решения положено два принципа:

• пропускная способность шины должна превышать сумму пропускных способностей всех подключенных к ней компонент;

• как следствие, компонента, готовая передать данные не должна ждать.

Первое - за счет наращивания разрядности шин. Второе - за счет кэширования. Первоначально IBM PC/XT/AT имели один 8/16 разрядный канал передачи данных, к которому посредством шины подключались все основные компоненты системы: процессор, память, устройство ввода/вывода (рисунок 9.3)

По сути, канал - расширение шины процессора, и повышение производительности канала за счет применения новых более быстродействующих процессоров оказалось невозможным из-за сохранения совместимости с существующими устройствами, рассчитанными на работу с 8 мгц шиной ISA. Шина стала узким местом, которое ограничивало скорость доступа ЦП к памяти.

Решение фирмы Сompaq?

Разделение шины ЦП - память (что позволило повысить ее разрядность до 32) и шины ISA - ее последующего модификационного развития EISA.

Повысилась пропускная способность канала (CPU-RAM). Его оптимизация за счет применения внешней КЭШ памяти для каждого процесса. Выборка команд из внешней КЭШ памяти выполняется одновременно с передачей данных между ОЗУ и ВНУ в режиме прямого доступа к памяти (ПДП) в результате распараллеливания работы системы. Это условно симметричная многопроцессорная система, которая позволяет одинаково разделять задачи между процессорами. Асимметрия состоит в том, что аппаратные прерывания от ВНУ может воспринимать только один (первичный процессор).

Развитием стало внедрение архитектуры tri Flex, которая легла в основу Systempro/x2. Еще больше параллелизма и оптимизации проходимости каналов передачи между основными подсистемами компьютера. Выделены уже три отдельные высокоскоростные шины. Основной выигрыш производительности за счет использующейся 64 разрядной шины CPU.

Высокоэффективное КЭШ - ОЗУ (64 разр.) минимизирует частоту обращения к основной памяти. Когда процессору понадобиться доступ к ней, в его распоряжении 128-разрядная шина (267 мб/сек). Специальная схема контроллера (управление потоком данных) содержит 256-разрядные многоступенчатые буферы, способные накапливать и самостоятельно осуществлять до 16 операций ввода/ввывода по шине EISA.

Рисунок 4.  Архитектура FLEX/MP и Multiproc Support

Модуль 7. Управление устройствами

Тема 13. Управление периферийными устройствами. Эволюция систем ввода-вывода, каналы ввода вывода. Регистры и команды ввода вывода.

Физическая организация периферийных устройств

Организация программного обеспечения ввода-вывода

Независимый от устройств слой операционной системы

Обработка прерываний

Драйверы устройств

Пользовательский слой программного обеспечения

Одной из главных функций ОС является управление всеми устройствами ввода-вывода компьютера. ОС должна передавать устройствам команды, перехватывать прерывания и обрабатывать ошибки; она также должна обеспечивать интерфейс между устройствами и остальной частью системы. В целях развития интерфейс должен быть одинаковым для всех типов устройств (независимость от устройств).

Подсистема Управление периферийными устройствами (УПУ) предназначена для выполнения следующих функций:

• передачи информации между ПУ и ОП, то есть ввод/вывод информации;

• слежения за состоянием периферийных устройств;

• обеспечения интерфейса между устройствами, а также подключения и отключения периферийных устройств и поддержки схемы распределения устройств;

• модификации конфигурации;

• обработки ошибок.

Физическая организация периферийных устройств

В общем случае ПУ называют средство ввода/вывода, способное осуществлять передачу информации между ЦП или ОП компьютера и внешними носителями информации. Многообразие внешних носителей и способов кодирования информации обусловили существование большого числа периферийных различных устройств, каждое из которых характеризуется:

• быстродействием;

• порцией обмена информации (1 бит, байт, слово, сектор, трек);

• системой кодирования;

• набором операций управления устройством.

Внешнее устройство состоит из механической и электронной компонент, и узким местом является механическая часть.

Постоянная забота об эффективном использовании ЦП, снижении его простоев во время выполнения операций ввода/вывода привели к росту автономии устройств ввода/вывода и появлению специализированных процессоров ввода/вывода, называемых каналами (chanel).

Канал ввода/вывода (КВВ) - это специализированный процессор, осуществляющий обмен данными между ОП и ПУ и работающий независимо от ЦП. В системах ввода/вывода с каналами ЦП лишь запускает операцию ввода/вывода и по окончании ввода/вывода через прерывания от канала уведомляется об окончании операции ввода/вывода.

КВВ решают проблему различного быстродействия ЭВМ и устройств ввода/вывода. Канал может управлять одним устройством с высокой пропускной способностью (типа дисковода) или быть распределенным между несколькими устройствами с меньшей пропускной способностью (это, например, модемы). Обычно к каналу подключается совокупность быстродействующих или медленно действующих устройств, которыми канал управляет поочередно или одновременно.

По способам параллельного выполнения запросов ЦП на ввод/вывод каналы ввода/вывода подразделяются на три типа:

1.Байт-мультиплексные каналы, допускающие одновременный побайтовый обмен с несколькими медленными устройствами.

2. Селекторные каналы, допускающие поочередный, быстрый обмен с ПУ блоками ввода/вывода, каждый из которых имеет свой адрес.

3. Блок-мультиплексные каналы, допускающие одновременный блочный обмен данными с несколькими устройствами.

Как мы уже замечали, КВВ решает только проблему различия быстродействия ПУ и ЦП. Для решения же проблемы стандартного интерфейса ПУ с внутрисистемной шиной (магистралью) ЭВМ предназначено устройство управления (УУ) ПУ, называемое контроллером или адаптером устройства.

Контроллер ПУ - устройство управления, обеспечивающее стандартный интерфейс и подключение ПУ к системным магистралям ЭВМ. Если интерфейс между контроллером и устройством стандартизован, то независимые производители могут выпускать совместимые как контроллеры, так и устройства.

Контроллеры бывают как групповые, так и одиночные. Групповые контроллеры обеспечивают подключение группы однотипных устройств. Такие контроллеры обеспечивают в каждый момент времени передачу информации с одним устройством с одновременным выполнением других операций, не связанных с передачей данных, других устройств (например, перемотку магнитной ленты, перемещение головки НМД).

Разделение функций между контроллером и периферийным устройством зависит от типа ПУ: логические функции (соединение и синхронизация операций, передача сигналов об окончании операции или исключительных ситуациях) выполняются контроллером, а физические (передача данных) - периферийным устройством.

Операционная система обычно взаимодействует не с устройством, а с контроллером. Контроллер, как правило, выполняет простые функции, например, преобразует поток бит в блоки, состоящие из байт, и осуществляют контроль и исправление ошибок. Каждый контроллер имеет несколько регистров, которые используются для взаимодействия с центральным процессором. В некоторых компьютерах такие регистры являются частью физического адресного пространства, а специальные операции ввода-вывода отсутствуют. В других компьютерах адреса регистров ввода-вывода, называемых часто портами, образуют собственное адресное пространство за счет введения специальных операций ввода-вывода:

• регистр управления и состояния, через который ЭВМ задает команды ПУ и получает информацию о его состоянии и результатах выполнения команды;

• регистр данных, через который передается байт в коде ЭВМ.

ОС выполняет ввод-вывод, записывая команды в регистры контроллера. Например, контроллер гибкого диска IBM PC принимает 15 команд, таких, как READ, WRITE, SEEK, FORMAT и т.д. Когда команда принята, процессор оставляет контроллер и занимается другой работой. При завершении команды контроллер организует прерывание для того, чтобы передать управление процессору операционной системы, которая должна проверить результаты операции. Процессор получает результаты и статус устройства, читая информацию из регистров контроллера.

В настоящее время распространены три основные схемы организации ввода/вывода, соответствующие конфигурациям микро-, мини- и больших ЭВМ (рис. 1,2,3 соответственно).

Рис.1. Схема организации ввода/вывода для персональных ЭВМ

В этой конфигурации шина разделяется между различными устройствами и выполняется побайтная передача информации между ЦП и памятью. Память подключается непосредственно на специализируемую магистраль.

УПДП - устройство прямого доступа памяти (DMA-direct memory access) обеспечивает пересылку блоков данных независимо от ЦП и упрощает канал ввода/вывода.

На больших ЭВМ контроллер может быть связан с несколькими каналами ввода/вывода, а периферийное устройство - с несколькими контроллерами.

Контроллер может иметь несколько адресов и путей доступа.

Адресация периферийных устройств на больших ЭВМ осуществляется составным адресом, включающим: номер канала, номер котроллера, номер устройства на контроллере:

0 0 F

№ канала №контр. № устройства.

В мини- и микро- ЭВМ для адресации устройств используются зарезервированные ячейки памяти.

Доступ к периферийным устройствам здесь осуществляется как обычный доступ к ячейкам ОП, что значительно упрощает программирование ввода/вывода./font>

Рисунок  2. Схема организации ввода/ вывода для мини ЭВМ

Рис.10.3. Схема организации ввода/вывода для многомашинного комплекса

Организация программного обеспечения ввода-вывода

Основная идея организации программного обеспечения ввода-вывода состоит в разбиении его на несколько уровней, причем нижние уровни обеспечивают экранирование особенностей аппаратуры от верхних, а те в свою очередь обеспечивают удобный интерфейс для пользователей.

Ключевым принципом является независимость от устройств. Вид программы не должен зависеть от того, читает ли она данные с гибкого диска или с жесткого диска. Очень близкой к идее независимости от устройств является идея единообразного именования, то есть для именования устройств должны быть приняты единые правила.

Другим важным вопросом для программного обеспечения ввода-вывода является обработка ошибок. Вообще говоря, ошибки следует обрабатывать как можно ближе к аппаратуре. Если контроллер обнаруживает ошибку чтения, то он должен попытаться ее скорректировать. Если же это ему не удается, то исправлением ошибок должен заняться драйвер устройства. Многие ошибки могут исчезать при повторных попытках выполнения операций ввода-вывода, например, ошибки, вызванные наличием пылинок на головках чтения или на диске. И только если нижний уровень не может справиться с ошибкой, он сообщает об ошибке верхнему уровню.

Еще один ключевой вопрос - это использование блокирующих (синхронных) и неблокирующих (асинхронных) передач. Большинство операций физического ввода-вывода выполняется асинхронно - процессор начинает передачу и переходит на другую работу, пока не наступает прерывание. Пользовательские программы намного легче писать, если операции ввода-вывода блокирующие - после команды READ программа автоматически приостанавливается до тех пор, пока данные не попадут в буфер программы. ОС выполняет операции ввода/вывода асинхронно, но представляет их для пользовательских программ в синхронной форме.