Файл: Мультипроцессоры.pdf

ВВЕДЕНИЕ

Для мультипроцессорных систем используют модульный принцип построения, позволяющий наращивать их структуру, решать проблемы надежности, а также снижать стоимость производства.

Под модулем понимают любое функциональное устройство вычислительной системы с собственным управлением, способное функционировать самостоятельно под воздействием команд процессора. Наличие однотипных модулей в вычислительных системах дает возможность переключать потоки информации при обнаружении неисправностей в модулях. В результате этого система изменяет параметры, но сохраняет работоспособность. Так модульность аппаратных средств повышает • живучесть» вычислительной системы.

Мультипроцессор — это подкласс многопроцессорных компьютерных систем, где есть несколько процессоров и одно адресное пространство, видимое для всех процессоров. В таксономии Флинна мультипроцессоры относятся к классу SM-MIMD-машин. Мультипроцессор запускает одну копию ОС с одним набором таблиц, в том числе тех, которые следят какие страницы памяти свободны. По ролям, которые играют процессоры в мультипроцессорной системе, различают: симметричные мультипроцессоры (SMP) - все процессоры играют одинаковую роль и имеют одинаковый доступ к памяти и периферии, и асимметричные мультипроцессоры (AMP) - процессоры играют разные роли или по-разному обращаются к периферийным устройствам. Технология AMP была лишь переходной в 60-х годах до того момента, когда была отработана технология SMP.

По способу адресации памяти различают несколько типов мультипроцессоров, среди которых: UMA (Uniform Memory Access), NUMA (Non Uniform Memory Access) и COMA (Cache Only Memory Access).

В связи с большой скоростью развития вычислительной техники и информационных систем в настоящее время, мультипроцессоры занимают одну из главных ролей в развитие сферы. Поэтому тема данной работы является актуальной в настоящее время.

Объект исследования – мультипроцессоры.

Предмет исследование – процесс использование мультипроцессоров в современном мире.

Цель данной работы – рассмотрение важности мультипроцессоров в современном мире.

Для достижения поставленной цели будут решены следующие задачи:

1)будет рассмотрена теоретическая сущность мультипроцессоров.

2) будут рассмотрены примеры использования мультипроцессоров в современном мире.

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МУЛЬТИПРОЦЕССОРОВ

1.1 Сущность и классификация мультипроцессоров

Вычислительная система (ВС) - это взаимосвязанная совокупность аппаратных средств вычислительной техники и программного обеспечения, предназначенная для обработки информации.

Иногда под ВС понимают совокупность технических средств ЭВМ, в которую входит не менее двух процессоров, связанных общностью управления и использования общесистемных ресурсов (память, периферийные устройства, программное обеспечение и т.п.).

Элементы массивно-параллельного процессора связаны между собой, поскольку их работу контролирует один блок управления. Система нескольких параллельных процессоров, разделяющих общую память, называется мультипроцессором. Поскольку каждый процессор может записывать или считывать информацию из любой части памяти, их работа должна согласовываться программным обеспечением, чтобы не допустить каких-либо пересечений.

Рис. 2. Виды систем

Возможны разные способы воплощения этой идеи. Самый простой из них — наличие одной шины, соединяющей несколько процессоров и одну общую память. Схема такого мультипроцессора показана на рис. 1а. Такие системы производят многие компании.

Нетрудно понять, что при наличии большого числа быстро работающих процессоров, которые постоянно пытаются получить доступ к памяти через одну и ту же шину, будут возникать конфликты. Чтобы разрешить эту проблему и повысить производительность компьютера, были разработаны различные модели. Одна из них изображена на рис. 1б. В таком компьютере каждый процессор имеет свою собственную локальную память, которая недоступна для других процессоров. Эта память используется для программ и данных, которые не нужно разделять между несколькими процессорами. При доступе к локальной памяти главная шина не используется, и, таким образом, поток информации в этой шине снижается. Возможны и другие варианты решения проблемы (например, кэш-память).

Рис. 1. Мультипроцессор с одной шиной и одной общей памятью (а); мультипроцессор,в котором для каждого процессора имеется собственная локальная память (б)

Мультипроцессоры имеют преимущество перед другими видами параллельных компьютеров, поскольку с единой разделенной памятью очень легко работать. Например, представим, что программа ищет раковые клетки на сделанном через микроскоп снимке ткани. Фотография в цифровом виде может храниться в общей памяти, при этом каждый процессор обследует какую-нибудь определенную область фотографии. Поскольку каждый процессор имеет доступ к общей памяти, обследование клетки, которая начинается в одной области и продолжается в другой, не представляет трудностей.

В мультипроцессорных системах  используется несколько процессоров, каждый из которых работает под управлением своих собственных команд и которые обычно обмениваются информацией через общую память. Одним из способов классификации мультипроцессорных систем является проявляющаяся в них степень связности составных частей.

В мультипроцессорных системах, содержащих кэши данных, после чтения данных из общей памяти одним из процессоров эти данные могут быть скопированы в какой-либо из кэшей, и последующие обращения за ними могут происходить уже к кэшу, а не к общей основной памяти. Если затем другие процессоры изменяют эти данные в общей памяти, то копия, хранящаяся в кэше, становится некорректной. Этой проблемы не возникает, если кэш служит для размещения только команд, как в MC68020, но при этом теряются преимущества кэш-памяти, связанные с возможностью многократного чтения данных из буферов. Идентичность содержимого кэша и общей памяти в системе Z80000 обеспечивается за счет ограничений, накладываемых на общую память, и предотвращения считывания в кэш емкостью 1К байт каждая.

В мультипроцессорных системах  часто требуется синхронизация центральных процессоров.

В настоящих мультипроцессорных системах  (система HIS 645, мультипроцессорная система IBM 360 / M65) непосредственно взаимосвязанные процессоры обладают примерно одинаковой вычислительной мощностью. Ни один из них не является главным, ни один подчиненным. Некоторые устройства могут быть подсоединены к одному ЦП.

В мультипрограммных и мультипроцессорных системах  управление вычислительным процессом реализуется уже сочетанием как аппаратурных, так и программных средств. Такую систему управления можно представить в виде некоторой иерархической структуры, на верхнем уровне которой располагаются программные средства управления, а на нижнем.

Как строятся мультипроцессорные системы  с общей памятью.

Как строятся мультипроцессорные системы  с индивидуальной памятью.

При использовании мультипроцессорных систем  имеется возможность применять специальные методы повышения эффективности в тех случаях, когда лимитирующим звеном машины оказывается процессор. Когда несколько последовательностей команд выполняются параллельно, необходимы специальные средства управления, которые обеспечивали бы одновременность окончания работы во всех процессорах. Подобный метод еще мало изучен и, по-видимому, для его эффективного использования потребуется разработка новых символических языков.

Когда в мультипроцессорной системе  имеется несколько часов, работа их синхронизируется таким образом, что все они изменяют свои показания с одинаковой скоростью.

В одних мультипроцессорных системах  только определенные процессоры имеют доступ к устройствам ввода-вывода и, следовательно, имеют специальную функцию ввода-вывода.

Мультипроцессоры содержат многоядерные процессоры, которые имеют свои характеристики.

Многоядерный процессор — центральный процессор, содержащий два и более вычислительных ядра на одном процессорном кристалле или в одном корпусе.

Многоядерные процессоры можно подразделить по наличию поддержки когерентности кеш-памяти между ядрами. Бывают процессоры с такой поддержкой и без неё.

Способ связи между ядрами:

• разделяемая шина
• сеть (Mesh) на каналах точка-точка
• сеть с коммутатором
• общая кеш-память

Кеш-память: Во всех существующих на сегодня многоядерных процессорах кеш-памятью 1-го уровня обладает каждое ядро в отдельности, а кеш-память 2-го уровня существует в нескольких вариантах:

• разделяемая — расположена на одном кристалле с ядрами и доступна каждому из них в полном объёме. Используется в процессорах семейств Intel Core.
• индивидуальная — отдельные кеши равного объёма, интегрированные в каждое из ядер. Обмен данными из кешей 2-го уровня между ядрами осуществляется через контроллер памяти — интегрированный (Athlon 64 X2, Turion X2, Phenom) или внешний (использовался вPentium D, в дальнейшем Intel отказалась от такого подхода).

В приложениях, оптимизированных под многопоточность, наблюдается прирост производительности на многоядерном процессоре. Однако, если приложение не оптимизировано, то оно не будет получать практически никакой выгоды от дополнительных ядер, а может даже выполняться медленнее, чем на процессоре с меньшим количеством ядер, но большей тактовой частотой. Это в основном приложения, разработанные до появления многоядерных процессоров, либо приложения, в принципе не использующие многопоточность.

Согласно классификации по Флину [1] мультипроцессорные системы (МПС) отно­сятся к классу MIMD (Multiple Instruction­stream Multiple Datastream - несколько потоков команд с несколькими потоками данных). В классе MIMD имеется подкласс мультипроцессоров, который делится на три типа:

1. UMA (Uniform Memory Access) - од­нородный доступ к памяти, когда все про­цессоры имеют связь со всеми модулями памяти;
2. NUMA (NonUniform Memory Access) - неоднородный доступ к памяти, у каждого процессора имеется промежуточная память (например кэш);
3. COMA (Cache Only Memory Access) - доступ только к кэш-памяти, любой из име­ющихся процессоров содержит в своем составе локальную кэш-память большой емкости.

Подобное разбиение на подклассы весь­ма удобно, так как в крупных мультипро­цессорных системах память часто делится на несколько модулей. Для UMA-машин, любой процессор имеет одинаковое вре­мя доступа к каждому модулю памяти. То есть, слово извлекается из памяти с той же скоростью, что и любое другое слово. Если подобный процесс невозможен, то быстрые операции замедляются, чтобы соответство­вать самым медленным, что соответствует принципу - «однородный» доступ. Подоб­ная однородность позволяет контролиро­вать производительность, что немало важно для создания эффективных программ [2].

В NUMA-машинах, вышеописанная однородность отсутствует. Так как каждый процессор имеет модуль памяти, который размещен рядом, относительно других моду­лей, соответственно доступ к этому модулю памяти производится намного быстрее, чем к другим. Обращение к COMA-машинам также является неоднородным.

UMA-мультипроцессоры. Наиболее популярный вид UMA-мультипроцессоров имеют одну общую шину [3, 4]. От двух и более микропроцессоров и от одного и не­скольких модулей памяти используют эту шину для обмена данными. Этот процесс выполняется следующим образом, процес­сору для считывания слова из памяти, необ­ходимо проверить, что шина не занята. Если на шине не наблюдается обмен данными, процессор отправляет адрес необходимого слова на шину, устанавливает некоторые управляющие сигналы и ожидает реакцию памяти, которая выдает данные на шину по запрошенному адресу. В случае занято­сти шины, процессор находится в режиме ожидания до тех пор, пока шина не освобо­дится. В данной схеме имеется существен­ный недостаток. Когда используется от двух до трех процессоров, контролировать до­ступ к шине не составляет труда, сложности появляются, при количестве процессоров 32 или 64. Производительность системы в данном варианте в основном характери­зуется пропускной способностью шины, и большинство процессоров вынуждены значительное время простаивать.