• Характеристики одноканальных смо

• Характеристики многоканальных СМО

Многопроцессорные системы

Мультипроцессорной называется вычислительная система, состоящая из двух и более процессоров, каждый из которых обладает следующими свойствами:

1) имеет доступ к общей памяти;

2) имеет общий доступ к устройствам ввода-вывода;

3) управляется общей операционной системой, которая обеспечивает требуемое взаимодействие между процессорами и выполняемыми им программами как на аппаратном, так и на программном уровне.

С точки зрения структурной организации МПС наиболее существенным является способ связи между процессорами и памятью системы. Различают системы с общей и индивидуальной памятью. Структура системы с общей памятью представлена на рис. 1, где Пр - процессор, МП - модуль памяти, К - коммутатор модуля памяти, КВВ - канал ввода-вывода, ВУ - внешнее устройство.

Основная особенность МПС с общей памятью состоит в том, что каждый из процессоров Пр₁, Пр₂, ..., Пр_N имеет доступ к любому модулю МП₁, МП₂, …, МП_L которые могут функционировать независимо друг от друга и в каждый момент времени может выполняться до одновременных обращений к модулям памяти с целью записи или чтения слова информации.

Конфликтные ситуации (обращение к одному и тому же модулю памяти в пределах одного цикла обращения) разрешаются коммутатором , начинающим обслуживать первым устройство с наибольшим приоритетом. Каждый из процессоров может инициировать работу любого канала ввода-вывода КВВ₁, КВВ_К. Каждый канал имеет доступ ко всем модулям памяти и обеспечивает ввод-вывод информации в любую область памяти системы.

Структура МПС с общей памятью наиболее универсальна: любая информация, хранимая в памяти системы, в равной степени доступна любому процессору и каналу ввода-вывода. Вследствие этого каждый процессор в любой момент времени может быть настроен на обработку любой информации, хранимой в основной памяти системы в модулях МП₁,..., МП_L. Недостатком МПС с общей памятью являются большие затраты оборудования в коммутаторах К. Эти затраты пропорциональны произведению числа устройств, подключенных к памяти, и числа модулей памяти.

 Рис. 1. Структура системы с общей памятью

МПС с общей памятью функционирует в режиме разделения нагрузки, при котором любая программа может выполняться на любом процессоре. При этом режиме каждый из процессоров принимает на обслуживание -ю часть заявок ( -ю часть общей нагрузки).

В МВС с индивидуальной памятью (рис. 2) каждый из процессоров Пр₁, ..., Пр_N обращается в основном к своему модулю памяти - модулям МП₁, ..., МП_N соответственно. Для обмена данными между подсистемами (Пр₁ - МП₁), ..., (Пр_N - МП_N) в процессорах предусмотрены блоки обмена БО, обеспечивающие передачу информации между общей памятью ОП и модулем памяти МП_N. Доступ к ОП осуществляется через коммутатор К.

Принцип индивидуальной памяти позволяет существенно упростить обмен информацией в подсистеме "процессор - модуль памяти", вследствие чего увеличивается номинальное быстродействие процессора и уменьшаются затраты оборудования по сравнению с общей памятью.

Рис. 2. Структура МВС с индивидуальной памятью

В связи с этим в таких МВС каждый из процессоров ориентируется на обслуживание заявок определенных типов, а именно тех, программы обслуживания которых размещены в памяти процессора. Такой режим работы МВС называется режимом разделения функций.

Отрицательным последствием разделения памяти между процессорами является потеря ресурсов быстродействия в процессе обмена информацией между модулями памяти и общей памятью системы. Потери возникают из-за возможных приостановок работы процессоров для ожидания моментов окончания обмена данными с общей памятью и из-за дополнительной загрузки модулей памяти операциями обмена.

Если класс задач таков, что работа каждого процессора связана с использованием ограниченного подмножества данных и обращение к остальным данным происходит сравнительно редко, то индивидуализация памяти приводит к экономии оборудования и обеспечивает высокое быстродействие процессоров в системе. В противном случае, когда каждый из процессоров почти равновероятно обращается к любому сегменту данных, МПС должна строиться по схеме с общей памятью, исключающей необходимость в обмене информацией между модулями памяти.

Модель МПС с общей памятью. Процесс обслуживания заявок в режиме разделения нагрузки для системы с одноуровневой памятью можно рассматривать как процесс функционирования одной -канальной системы массового обслуживания (рис. 3) с интенсивностью входящего потока, общей очередью заявок O, заявки из которой выбирается в порядке поступления их в систему, и средней длительностью обслуживания заявки каждым из процессоров Пр₁, …, Пр_N, равной . Заявка, поступающая в систему, содержащую процессоров, при наличии хотя бы одного свободного процессора, немедленно принимается процессором на обслуживание. Если все процессоров заняты обслуживанием ранее поступивших заявок, поступающая заявка размещается в очереди.

Рис. 3. Модель МВС с общей памятью

Рассмотрим, как изменяются характеристики МПС при изменении числа процессоров и сохранении суммарного быстродействия системы , так что быстродействие процессора . Интенсивность суммарного потока и средняя трудоемкость обслуживания . Загрузка процессора , где - интенсивность обслуживания процессора, - суммарная интенсивность обслуживания, зависит от быстродействия процессоров и их числа.

При увеличении числа процессоров уменьшается среднее время ожидания заявок ( , при любом ).

Среднее время пребывания заявок увеличивается с увеличением числа процессоров в системе. Среднее время пребывания заявки в системе , где - средняя длительность обслуживания заявки:

.

При и увеличении числа процессоров средняя длительность обслуживания возрастает пропорционально , а среднее время ожидания уменьшается медленнее, чем увеличивается средняя длительность обслуживания , в результате чего сумма увеличивается. Поскольку с увеличением числа процессоров среднее время ожидания , то .

Таким образом, увеличение числа процессоров при условии постоянства их суммарного быстродействия приводит к улучшению таких характеристик, как среднее время ожидания и средняя длина очереди, и к ухудшению таких характеристик, как среднее время пребывания и среднее число заявок, находящихся в системе.

Модель МПС с индивидуальной памятью. В наиболее простом случае, когда процессоры не обмениваются информацией с общей памятью или количество информации, передаваемой при обменах, может быть столь незначительно, что допустимо пренебречь влиянием процессов обмена на процесс обслуживания заявок. В таком случае можно считать, что процессоры функционируют независимо и работу N-процессорной системы в режиме разделения функций можно рассматривать как процесс функционирования N-одноканальных систем массового обслуживания (рис. 4).

 Каждая из систем массового обслуживания состоит из потока заявок с интенсивностью , очереди и процессора Пр_i.

Рис. 4. Модель МВС с индивидуальной памятью одного уровня

Сравнение характеристик МПС с общей и индивидуальной памятью.

В системах с общей очередью (в режиме разделения нагрузки) среднее время пребывания заявок меньше, чем в эквивалентной системе с индивидуальными очередями, работающей в режиме разделения функций. Относительный выигрыш во времени пребывания, достигаемый при использовании общей очереди, увеличивается с увеличением коэффициента загрузки процессора; при среднее время пребывания в системе с общей очередью в раз меньше, чем в системе с индивидуальными очередями. Относительный выигрыш во времени пребывания заявок в системе с общей очередью возрастает и с увеличением числа процессоров.

Таким образом, при одинаковом быстродействии процессоров МПС с общей памятью, используемая в режиме разделения нагрузки, обеспечивает большую оперативность в обслуживании заявок и меньшую длину очередей, чем МПС с индивидуальными очередями, используемая в режиме разделения функций.