Многопроцессорные вычислительные системы

Сильно-связанные вычислительные системы или многопроцессорные вычислительные системы (МПВС) основаны на объединении процессоров на общем поле оперативной памяти- разделяемой памятью. 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.

В таких системах, число параллельных процессов невелико и управляет ими централизованная ОС. Процессы обмениваются информацией через общую ОП. При этом возникают задержки из-за межпроцессорных конфликтов.

По топологии межмодульных функциональных и управляющих связей и организации работы выделяются два типа многопроцессорных систем МКМД : с общей шиной; с использованием многовходовой памяти.

Многопроцессорные вычислительные системы с общей шиной.

В МПВС с общей шиной 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.

Многопроцессорные вычислительные системы с многовходовыми модулями оп.

В МПВС с многовходовыми модулями ОП или симметричных МПВС взаимные соединения выполняются с помощью индивидуальных шин, подключающих каждый процессор и каждое устройство ввода-вывода к отдельному входу оперативной памяти. Для этого необходимо, чтобы модули ОП имели по несколько входов и снабжались управляющими схемами для разрешения конфликтов в случаях, когда два или более процессора или устройства ввода-вывода требуют доступа к одному и тому же модулю памяти в пределах одного временного цикла. Число подключаемых элементов системы к одному модулю памяти ограничивается числом его входов.Принципы построения МПВС с многовходовыми модулями ОП используются в мэйнфреймах.

192 Организация кэш-памяти

Кэш память рассматривается как буферное ЗУ между основной (ОП) памятью и процессором. Основное назначение – кратковременное хранение и выдача активной информации процессору, что сокращает число обращений к ОП, скорость работы которой меньше скорости работы КЭШ памяти.

За единицу информации при обмене между основной и КЭШ памятью принимают строку, под которой понимают набор слов, выбираемых из ОП при одном обращении к ней.

Хранимая в ОП памяти информация представляет собой набор строк, с последовательными адресами. Строки в КЭШ памяти представляют собой копии строк из некоторого их набора в ОП, причем последовательность их расположения не является существенной.

Строки, составленные из информационных слов и связанные с ними адресные теги, хранятся в накопителе, который является основой КЭШ памяти. Адрес требуемого слова, поступающий от ЦП вводится в блок обработки адресов. Сравнение адресов производится в блоке сравнения адресов, назначение данного блока состоит в определении КЭШ попадания или КЭШ промаха при обработки запроса от ЦП.

Если происходит КЭШ попадание, то соответствующая строка из КЭШ памяти переписывается в регистр строк.

С помощью селектора демультиплексора из строки выделяется искомое слово, которое направляется в ЦП.

В случае КЭШ- промаха с помощью блока формирования запроса осуществляется инициализация выборки из ОП необходимой строки.

Адресация Оп производится в соответствии с информацией . поступившей от ЦП. Выбираемая из ОП строка, вместе со своим адресным тегом помещается в накопитель и регистр строк и затем искомое слово передается ЦП.

Для освобождения места в КЭШ памяти с целью записи выбираемой строки одна из строк удаляется. Определение удаляемой строки производится с помощью блока замены строк, в котором хранится информация, не­обходимая для реализации принятой стратегии обновления находящихся в накопителе строк.

Существует 4 основных способа размещения данных в КЭШ памяти:

1. прямое распределение- место хранения строк в кэш-памяти одно­значно определяется по адресу строки. Если каждый блок основной памяти имеет только одно фиксированное место, на котором он может появиться в кэш-памяти, то такая память называется кэшем с прямым распределением.

2. Полностью ассоциативное распределение- допускается размещение каждой строки основной памяти на месте любой строки кэш-памяти. — Если некоторый блок основной памяти может располагаться на любом месте кэш-памяти, то кэш называется полностью ассоциативным

3. Частично-ассоциативное распределение-— Если некоторый блок основной памяти может располагаться на ограниченном множестве мест в кэш-памяти, то кэш называется частично-ассоциативным.

4. Распределение секторов- По данному методу основная память разбивается на секторы, состоящие из фиксированного числа строк, кэш-память также разбивается на секторы, состоящие из такого же числа строк.

Если процессору требуется информация из некоторой ячейки основной памяти, а копия этой ячейки есть в КЭШ памяти, то информация не в КЭШ ни в основной памяти не изменится. Существуют различные режимы сохранения и обновления информации: чтение, сквозная запись, обратная запись.

Блок из кэш-памяти может быть прочитан в то же самое время, когда читается и сравнивается его тег. Таким образом, чтение блока начинается сразу как только становится доступным адрес блока. Если чтение происходит с попаданием, то блок немедленно направляется в процессор. Если происходит промах, то от заранее считанного блока нет никакой пользы, но нет и никакого вреда.

Однако при выполнении операции записи именно процессор определяет размер записи (обычно от 1 до > байтов) и только эта часть блока может быть изменена. Модификация блока не может начинаться до тех пор, пока проверяется тег, чтобы убедиться в том, что обращ-е явл-ся попаданием. Т.к. проверка тегов не может выполняться || с другой заботой, то операции записи отнимают больше времени, чем операции чтения.

Очень часто организация кэш-памяти в разных машинах отличается именно стратегией выполнения записи. Когда выполняется запись в кэш­память имеются две базовые возможности:

— сквозная запись — инф- я записывается в два места: в блок кэш- памяти и в блок более низкого уровня памяти.

— запись с обратным копированием - информация записывается только в блок кэш-памяти. Модифицированный блок кэш-памяти записывается в основную память только когда он замещается. Для сокращения частоты копирования блоков при замещении обычно с каждым блоком кэш-памяти связывается так называемый бит модификации (dirty bit). Этот бит состояния показывает был ли модифицирован блок, находящийся в кэш-памяти. Если он не модифицировался, то обратное копирование отменяется, поскольку более низкий уровень содержит ту же самую информацию, что и кэш-память.