2.7.Многопроцессорные вычислительные системы

Сильно-связанные вычислительные системы или многопроцессорные вычислительные системы (МПВС) основаны на объединении процессоров на общем поле оперативной памяти. Это поле называется разделяемой памятью (Shared Memory). Управление обеспечивается одной общей операционной системой. При этом достигаются более быстрый обмен информацией между процессорами, чем между ЭВМ в многомашинных вычислительных системах (комплексах), и более высокая суммарная производительность системы. Иногда их называют «истинными» мультипроцессорами.

В таких системах, как правило, число параллельных процессов невелико и управляет ими централизованная операционная система. Процессы обмениваются информацией через общую оперативную память. При этом возникают задержки из-за межпроцессорных конфликтов. При создании больших мультипроцессорных ЭВМ (мэйнфреймов, суперЭВМ) предпринимаются огромные усилия по увеличению пропускной способности оперативной памяти. В результате аппаратные затраты возрастают чуть ли не в квадратичной зависимости, а производительность системы упорно «не желает» увеличиваться пропорционально числу процессоров. Так, сложнейшие средства снижения межпроцессорных конфликтов в оперативной памяти суперкомпьютеров серии CRAY X-MP/Y-MP позволяют получить коэффициент ускорения не более 3,5 для четырехпроцессорной конфигурации системы.

По топологии межмодульных функциональных и управляющих связей и организации работы выделяются два типа многопроцессорных систем МКМД

• с общей шиной;

• с использованием многовходовой памяти (многошинные-многовходовые вычислительные системы).

2.7.1.Многопроцессорные вычислительные системы с общей шиной.

В МПВС с общей шиной (Shared Memory Proccessing – мультипроцессоры с разделением памяти, SMP-архитектура) все функциональные модули (процессоры П1, П2, ..., ПМ, модули памяти МП1, МП2, .... МПК, устройства ввода-вывода УВВ1, УВВ2, .... УВВМ) подсоединены к одной общей шине межмодульных связей, ширина которой может быть от одного бита до нескольких байтов. Между модулями системы нет постоянных связей, информация между ними передается в режиме разделения времени. В каждый данный момент времени по шине передается лишь один пакет информации от какого-то одного источника. Другие источники информации должны ожидать, пока не освободится системная шина.

Основные преимущества системы с общей шиной межмодульных связей:

• система характеризуется относительно низкой функциональной сложностью и невысокой стоимостью;

• в системе легко осуществляется реконфигурация структуры путем добавления или удаления функциональных модулей.

Недостатки таких систем:

• ограничение производительности системы пропускной способностью общей шины;

• ухудшение общей производительности системы при ее расширении путем добавления модулей;

• потери производительности системы, связанные с разрешением конфликтов, которые возникают в случае, когда несколько модулей одновременно претендуют на занятие общей шины для передачи информации. Эти потери можно снизить, если, кроме общей памяти, доступной всем процессорам, каждый из них снабдить местной (локальной, процессорной) памятью для хранения информации, участвующей в ближайшем ряду вычислений. При наличии местной памяти частота обращения процессоров к общей памяти уменьшается, следовательно, уменьшается частота возникновения конфликтов и потери времени на их разрешение;

• отказ общей шины приводит к выходу из строя всей системы.

Организация связей между элементами системы на основе общей шины является одним из распространенных способов построения не только многопроцессорных, но и многомашинных вычислительных комплексов небольшой мощности.

Архитектура SMP стала своего рода стандартом для всех современных многопроцессорных серверов (например, НР9000 и DEC Alpha Server AXP).