Файл: Устройства и принцип работы мультипроцессора.pdf

Введение

Современный этап научно технического прогресса характеризуется широким применением электроники и микроэлектроники во всех сферах жизнедеятельности человека. Важную роль при этом играет совершенствование элементной базы для разработки и проектирования различных периферийных устройств и устройств вычислительной техники.

Вычислительные машины и комплексы применяются во всех отраслях – связи и передачи данных, медицине и в быту, измерительных и контролирующих системах, в системах автоматического управления.

Компьютер  — устройство или система, способное выполнять заданную, чётко определённую последовательность операций. Это чаще всего операции численных расчётов и манипулирования данными, однако сюда относятся и операции ввода-вывода.

Цель курсовой работы - изучить и рассмотреть устройства и принцип работы мультипроцессора.

Объект исследования: персональный компьютер и многопроцессорные ЭВМ.

Предмет исследования: мультипроцессор.

Задачи курсовой работы:

• провести обзор и анализ подобранной по теме исследования научной литературы,
• рассмотреть и описать основные понятия, термины, схемы по исследуемой тематике,
• выделить особенности, достоинства и недостатки различных мультипроцессоров, изучить их принцип работы.

1 Архитектура процессора

1.1 Общая структура ЭВМ

Вычислительная система состоит из трех основных подсистем: процессора, памяти и устройств ввода-вывода (рисунок 1).

Рисунок 1 - Структурная схема ЭВМ^[1].

Основные элементы аппаратных средств типичного современного компьютера^[2]:

• системный блок,
• клавиатура,
• мышь,
• устройство отображения (дисплей),
• внутренние накопители (накопители на жестких магнитных дисках — НЖМД) (Hard Disk Drive — HDD),
• внешние накопители (приводы CD-ROM),
• печатающее устройство (принтер) и различные средства для асинхронной связи и управления игровыми программами.

Системный блок состоит из системной платы, блока питания и ячеек расширения для дополнительных плат.

Ячейки расширения (разъемы шины) обеспечивают подключение устройств отображения, внешних и внутренних накопителей, каналов телекоммуникаций и т.п.

1.2 Состав процессора

«Сердцем» вычислительной машины является процессор (центральный процессор, ЦП) (Central Processing Unit, CPU).

Центральный процессор — это мозг компьютера. Его задача — выполнять программы, находящиеся в основной памяти. Он вызывает команды из памяти, определяет их тип, а затем выполняет их одну за другой.

В состав простого процессора входят^[3]:

• схемы управления выборкой и выполнением команд;
• арифметико-логическое устройство (АЛУ), позволяющее выполнять операции над данными;
• регистры, осуществляющие хранение признаков состояния, а также небольшого числа данных.

Кроме того, процессор включает в себя схемы интерфейса, которые служат для управления подсистемами памяти и ввода-вывода и для осуществления с ними связи (рисунок 2).

Рисунок 2 - Структурная схема процессора^[4]

Процессор - программно-управляемое электронное цифровое устройство, предназначенное для обработки информации, представленной в цифровом виде, и построенное на одном или нескольких конструктивных элементах.

«Программно-управляемое» означает, что процессор функционирует путем выполнения программы, хранимой в памяти, которая может входить в процессор или, чаще всего, быть отдельным компонентом.

Процессор является главным компонентом компьютера, образует его ядро.

Характеристики процессора — длина разрядной сетки (или разрядность слова), набор выполняемых команд, быстродействие и другие — в основном определяют характеристики всего компьютера.

1.3 Функции процессора

Процессор (или центральный процессор — ЦП; CPU — Central Processing Unit) выполняет следующие функции^[5]:

• управление и координация всех других компонентов компьютера;
• выборка команд и обрабатываемых данных из основной памяти;
• декодирование команд;
• выполнение с помощью арифметико-логического устройства (АЛУ) арифметических, логических и других операций, закодированных в командах;
• передача данных между процессором и основной памятью, а также между процессором и устройствами ввода-вывода.

Наиболее важные параметры МП представлены на рисунке

 Рисунок 3 - Основные параметры процессора [3,с.42].

Архитектура МП определяет разрядность слова и внутренней шины данных МП (4, 8, 16 и 32- разрядная архитектура).

Адресное пространство памяти определяется разрядностью адресных регистров и адресной шины МП (8-разрядные регистры образуют 16-разрядную шину, адресующую 68 Кбайт памяти.16-разрядные регистры образуют 20-разрядные адресные регистры, адресующие 1 Мбайт памяти. В 32-разрядных МП используются 24- и 32-разрядные адресные регистры, адресующие от 16 Мбайт до 4 Гбайт памяти)^[6].

1.4 Типы процессоров

По функциональному и конструктивному исполнению различают следующие типы центральных процессоров^[7]:

1. Однокристальные микропроцессоры. В них нельзя нарастить разрядность обрабатываемой информации каскадированием. Система команд фиксирована. Основные элементы кристалла: АЛУ, дешифратор команд, узел микропрограммного устройства управления, устройство согласования и управления обменом. Шины данных, адреса и управления мультиплексируемы.
2. Однокристальные микроЭВМ. Помимо микропроцессора кристалл содержит узлы обрамления: тактовый генератор, контроллер прерываний, порты ввода - вывода, таймер, ОЗУ, память команд. Приборы имеют невысокую производительность.
3. Секционные микропроцессоры. Допускают наращивание разрядности путем объединения одноименных линий нескольких корпусов. Такой прибор дезинтегрирован на компоненты, входящие в отдельные БИС обрамления^[8].

При рассмотрении эволюции современных процессоров, прежде всего обращают внимание на увеличение производительности системы. Некоторые из путей повышения быстродействия были рассмотрены, другие, реализующие параллелизм на уровне процессов, к которым относятся мультипроцессоры, векторные процессоры, нейроматричные процессоры и другие.

2. Многопроцессорные ЭВМ

Для того чтобы операционная система работала на многопроцессорных платформах, аппаратные ссредства должны иметь определенные свойства. Их спецификация сопределяет способ реализации компонентов. сСоответствие спецификации подразумеваетс несколько аспектов, которые сперечислены ниже.

Спецификация МП-памяти сосновывается на стандартной карте спамяти PC/AT размером до 4 Гбайт.

Кэшируетсяс вся память, за исключением областис, отведенной для описания регистровс локального блока APIC. Все процессорыс имеют доступ к главной памятис и участкам памяти, отведенным под сROM BIOS^[9].

Часто для улучшенияс рабочих характеристик в сМП-системах приходится использовать свнешние кэши. Наличие и детали среализации внешних кэшей в спецификациис MPS не рассматриваются. Однако сесли предполагается их использоватьс, они должны отвечать сопределенным требованиям^[10]:

-внешние кэши должны споддерживать согласованность смежду собой, с главной памятью, свнутренними кэшами и другими сважными устройствами.

-процессоры должныс обмениваться между собой снадежным образом, что означает сневозможность взаимовлияния в тех сслучаях, когда сразу несколько процессоровс получают доступ к одной области спамяти. Внешние кэши должны сгарантировать, что все блокированные соперации видимы другим процессорам.

Для защиты сцелостности некоторых критическихс операций с памятью Intel-совместимые спроцессоры используют специальный ссигнал. Разработчики ссистемных программных средств должны сиспользовать этот сигнал для управления доступомс процессоров к памяти.

Для гарантии AT-ссовместимости блокировка некорректных сопераций с памятью в AT-совместимых сшинах в согласованной системе должна реализовыватьсяс строго в соответствии со спецификациямис на шины^[11].

Применяется при управлении сустройствами ввода-вывода, чтобы операции с спамятью и вводом-выводом выполнялись сстрого в запрограммированном порядке. Строгое супорядочивание операций ввода-вывода поддерживаетсяс процессорами.

Для оптимизации функционированияс памяти процессоры и микропроцессорные снаборы часто реализуют буферы записис и кэши обратной записи. Intel-ссовместимые процессоры гарантируют упорядоченный сдоступ процессоров ко всем внутренним кэшам и сбуферам записи.

В МП-совместимой ссистеме прерывания управляются контроллерами APIC. Контроллерыс APIC являются элементом сраспределенной аррхитектуры, в которой функции суправления прерываниями распределены между сдвумя функциональными блоками. Эти блоки собмениваются информацией через шинус ICC. Устройство ввода-вывода сопределяет появление прерывания, садресует его локальному блоку и посылаетс по шине ICC^[12].

В МП-совместимой ссистеме используется по одному слокальному блоку на процессор. Число сблоков ввода-вывода должно сбыть не менее одного.

Чтобы обеспечить срасширение функций и внесение сизменений в будущем, архитектура APIC сопределяет только программный интерфейс блоков APIC. сРазные версии протоколов APIC могутс быть реализованы с разными протоколамис шины и спецификациями электрическихс сигналов.

2.1 Основные требования к многопроцессорным системам

Основными стребованиями, предъявляемыми к многопроцессорным системам с смассовым параллелизмом, являются: необходимость свысокой производительности для любого алгоритма; ссогласование производительности памяти с спроизводительностью вычислительной части; способность смикропроцессоров согласованно работать при непредсказуемых задержкахс данных от любого источника и, снаконец, машинно-независимое программирование^[13].

Система для глобальных скорпоративных вычислений — это, прежде всего, сцентрализованная система, с которой работают спрактически все пользователи в скорпорации, и, соответственно, она должна свсе время находиться в рабочем ссостоянии.

Высокопроизводительные ссистемы для глобальных корпоративных вычислений должны сотличаться такими характеристиками, как сповышенная производительность, масштабируемость, сминимально допустимое время простоя^[14].

Главной отличительной сособенностью многопроцессорной вычислительной ссистемы является ее производительность, т.е. количество операций, спроизводимых системой за единицу свремени. Различают пиковую и реальную спроизводительность. Под пиковой спонимают величину, равную произведению пиковой спроизводительности одного процессора на число стаких процессоров в данной машине. При этом спредполагается, что все устройства компьютера работают в смаксимально производительном режиме. Пиковая спроизводительность компьютера вычисляется соднозначно, и эта характеристика является базовойс, по которой производят сравнение свысокопроизводительных вычислительных систем. Чем больше спиковая производительность, тем теоретически сбыстрее пользователь сможет решить своюс задачу. Реальная же производительность, сдостигаемая на данном приложении, зависит от взаимодействия спрограммной модели, в которой реализовано приложение, с архитектурными сособенностями машины, на которой приложение запускается^[15].