книги из ГПНТБ / Дроздов Е.А. Основы построения и функционирования вычислительных систем

способом. Каждый коммутатор здесь осуществляет одноканальную связь между двумя группами элементов, ко­ торые он соединяет.

В системе с мультиплексными связями (рис. 3-4) связь между элементами может осуществляться различ­

за счет введения структурной избыточности существенно повышается надежность функционирования СРВ.

3-5. ТРЕБОВАНИЯ К М Н О Г О П Р О Ц Е С С О Р Н Ы М СРВ

По мере повышения требований к производительности и надежности становится особенно важным использова­ ние в СРВ не одного, а двух или более центральных про­ цессоров.

Свойства мультипроцессорных ВС отражают две ос­ новные тенденции современного развития вычислитель­ ной техники: 1) модульный принцип построения, при ко­ тором основные устройства выполняются в виде несколь­

ее гибкость; 2) одновременное выполнение независимых программ или независимых частей одной и той же про­ граммы, что позволяет уменьшить общее время на вы­ полнение заданного набора программ или время на вы­ полнение одной программы, если она реализуется по ча­ стям одновременно несколькими процессорами.

При построении и организации функционирования многопроцессорных СРВ необходимо удовлетворить ряд требований, основные из которых следующие.

1. Процессоры должны быть функционально идентич­ ны, т. е. взаимозаменяемы по своим функциям. Диспет­ чер при распределении задач между процессорами дол­ жен принимать во внимание занятость процессоров, их возможности по производительности, но никак не то, может ли данный процессор решать данную задачу или нет.

140

2.Система должна обеспечивать мультипрограмм­ ную реализацию независимых рабочих программ (или пакетов программ), каждая из которых может представ­ лять собой комплекс зависимых программ, выполняемых совместно.

3.Система должна быть в работоспособном состоя­ нии до тех пор, пока хотя бы один процессор системы продолжает работать. Из этого общего требования выте­ кает ряд частных требований, а именно: 1) диспетчер дол­ жен быть постоянно связансовсеми процессорами; во вся­

ком случае он не должен быть постоянно связан только с каким-то одним процессором или с группой процессо­ ров; 2) каждый процессор должен иметь возможность начать операцию ввода-вывода через любой из каналов; 3) в каждом процессоре должна быть заложена возмож­ ность реакции на всевозможные прерывания. Прерыва­

программы должны быть составлены так, чтобы

более процессорами одновременное выполнение одной и той же последовательности команд, используя различные группы данных. Такая необходимость возникает при обработке больших массивов информации или исходных данных. В этом случае более простой и выгодной явля­ ется не сегментация программ, а сегментация данных: весь массив исходных данных разбивается на части, каждая часть обрабатывается на отдельном процессоре, но для всех частей необходима одна и та же последова­ тельность команд, которая в единственном экземпляре хранится в оперативной памяти системы.

5. Система должна строиться таким образом, чтобы исключалась возможность нескольким процессорам од­

более чем одного процессора в избранные части про­ граммы.

141

6. В СРВ должно обеспечиваться быстрое выполне­ ние срочных программ. Для этого организуется приори­ тетная система, реализуемая диспетчером. Приоритет­ ность управляется диспетчером, рабочая программа не может ее изменить, не может препятствовать осущест­ влению приоритетности, задерживая процессор, который требуется для реализации программы с более высоким приоритетом. Таким обіразом, необходимо, чтобы любая рабочая программа могла быть замещена в процессоре другой рабочей программой в любой стадии своего вы­ полнения.

В многопроцессорных СРВ каждый процессор снаб­ жается своей системой защиты памяти, и поскольку все процессоры функционально идентичны, они имеют оди­ наковые системы защиты. В случае, когда происходит прерывание, не связанное с отклонениями в данных ре­ шаемой задачи (обработка прерываний, связанных с от­ клонениями в данных, находится в компетенции рабочих программ, при выполнении которых возникают эти пре­ рывания), система защиты данного процессора автома­ тически отключается, давая тем самым возможность диспетчеру СРВ иметь свободный доступ к обычно защи­ щенным областям памяти и регистрам, включая и реги­ стры самой системы защиты. Прежде чем вернуть рабо­ чей программе управление определенным процессором, диспетчер устанавливает в регистры системы защиты значения, соответствующие этой рабочей программе. После передачи управления рабочей программе диспет­ чер вновь включает систему защиты в этом процессоре.

Абонент должен знать, с какой системой ему придет­ ся работать— однопроцессорной или многопроцессорной. Если система многопроцессорная, а программа абонента весьма громоздкая и требует много места в памяти, абонент должен позаботиться о сегментировании про­ граммы и создании нескольких параллельно выполняе­ мых потоков (ветвей программы). При этом специаль­ ные операции для запуска, окончания или блокировки этих потоков должны быть для абонента просты. В раз­ мещении сегментов своей программы в блоках ЗУ .СРВ абонент участия не принимает. Эти функции выполняют­ ся диспетчером.

14?

ния. Среди внешних устройств ВС общего назначения обычно выделяются такие, которые недоступны для ин­ дивидуального использования их отдельными абонентами, особенно периферийными; это, как правило, алфавитноцифровые печатающие устройства и устройства считы­ вания информации с перфокарт и перфолент. Такие устройства общего доступа, на которых работают опе­ раторы системы, относят к разряду устройств общесис­ темного значения. К этому же разряду причисляют ап- паратно-автономные счетчики времени и электронные

для объединения цифровых машин, рассчитанных на автономную работу, в многопроцессорные вычислитель­ ные системы.

В соответствии с изложенным вся аппаратура вычи­ слительной системы общего назначения разделяется на

центральное ядро, внешние устройства и устройство управления передачами информации внутри ВС. Т-акому делению ВС отвечает схема, приведенная на рис. 4-1. Оперативное запоминающее устройство ОЗУ и централь­ ный процессор ЦП или центральные процессоры, состав­ ляют ядро системы, внешние устройства ВнУ связыва­ ются с ядром ВС посредством устройства управления передачами информации УУПИ; в состав ВнУ обычно включаются устройства общего доступа УОД и счетчик времени СчВ, относящиеся к числу устройств общеси­ стемного значения.

Главной функцией устройства управления пере­

144 -

обращение же к внешним ЗУ осуществляется при груп­ повой передаче слов с временными промежутками от нескольких секунд до десятков минут. Остальные функ­ ции УУПИ вытекают из главной его функции: это стан­ дартизация обращения к разнотипным внешним устрой­ ствам, прием начальной управляющей информации от ЦП, формирование наборов управляющих сигналов для внешних устройств, преобразование форматов информа­ ции, следующей от ВнУ или к ним от ядра системы, раз­ деление времени между отдельными внешними устройст­ вами при обеспечении их параллельной работы с про­ цессорной частью ВС и т. п.

Устройства управления передачами информации мо­ гут иметь различный аппаратурный состав, что, естест­ венно, оказывает существенное влияние на объем выпол­ няемых ими действий. Для современных ВС высокой производительности характерны УУПИ, обеспечивающие реализацию наиболее полного объема работ, связанных с передачами информации между ядром системы и внеш­ ними устройствами, при максимальной разгрузке про­ цессорной части ВС по выполнению операций ввода и вывода. Такие УУПИ получили наименование каналов. Канал — это устройство, или комплекс аппаратуры, спе­ циально предназначенное для выполнения операций ввода и вывода информации и обеспечивающее все необ­ ходимые двусторонние связи между ядром системы и множеством разнотипных внешних устройств, включае­ мых в состав ВС. При большом наборе внешних устройств их обслуживание организуется с помощью нескольких каналов как однотипных, так и разнотипных. Следует иметь в виду, что канал выполняет только общие функ­ ции управления ВнУ. Поэтому каждое используемое в составе ВС внешнее устройство имеет, как правило, свое индивидуальное устройство управления УУ. В от­ дельных случаях одно УУ управляет поочередно работой нескольких однотипных внешних устройств.

Несмотря на большое разнообразие типов внешних устройств, используемых в составе ВС, абсолютное боль­

мации также осуществляется погруппно или даже побуквенно. Запись же и выбо-рка информации из ОЗУ системы осуществляются, как правило, пословно. Поэто­ му канал, кроме всего прочего, должен осуществлять формирование всей передаваемой информации в соответ­ ствии с особенностями ее источников и потребителей.

Каналы, используемые в составе вычислительных

2)по виду обслуживаемых внешних устройств и организации их работы на мультиплексные каналы и се­ лекторные каналы;

3)по составу и принципам организации на однород­ ные и неоднородные;

4)по типу систем, в состав которых включаются, на каналы систем общего назначения и каналы управляю­ щих систем;

5)по принципам формирования передаваемой инфор­ мации на каналы с аппаратурным получением требуемых форматов и каналы с аппаратно-программным получе­ нием требуемых форматов информации.

Каналы с косвенным доступом к оперативной памяти системы подключаются, главным образом, к централь­ ному процессору ВС, используя его аппаратуру для свя­ зи с ОЗУ. При такой организации связей внутри системы

еепроизводительность не может быть высокой, так как на передачи информации затрачивается значительная часть машинного времени. Поэтому большее распростра­ нение получили каналы с прямым доступом к оператив­ ной памяти. Эти каналы имеют связь с процессором только по передаче управляющей информации в виде ко­ дов команд, управляющих слов и слов, характеризую­ щих состояние канала или отдельных внешних устройств, информационные слова между каналом и ОЗУ переда­ ются по линиям непосредственной связи.

146

ядром -системы и медленнодействующими внешними устройствами при разделении общего времени работы между параллельно и одновременно работающими ВнУ. Мультиплексные каналы обслуживают те внешние устройства, которые оперируют с ординарными словами или группами букв (байтами) в каждом цикле своей работы. Сюда относятся печатающие устройства, пер­ фораторы, устройства считывания информации с перфо­ карт и перфолент, телетайпы, пишущие машинки и т. п. Возможность параллельного обслуживания нескольких ВпУ с низким быстродействием имеет место вследствие того, что электронное оборудование канала способно за один цикл работы таких ВнУ воспринять и реализовать заявки на действия от многих устройств, включая фор­ мирование и передачу слов и байтов. Практически ра­ бота мультиплексного канала организуется по методу уплотнения с поочередным подключением к нему внеш­ них устройств, причем последовательность подключений определяется либо управляющей программой системы, либо порядком поступления заявок на обслуживание со стороны ВнУ.

Количество внешних устройств, подключаемых к мультиплексному каналу, зависит от пропускной спо­ собности канала, быстродействия ВнУ и принципов ор­ ганизации их работы. В любом случае количество ин­ формации, необходимой для одновременной работы всех ВнУ, включаемых параллельно, в единицу времени не должно превышать пропускной способности канала. Расчет ведется по математическому ожиданию числа одновременно работающих ВнУ различных типов при максимальной нагрузке ВнУ. Отметим, что средства ка­ нала, выделяемые для связи с отдельным внешним устройством, часто называют подканалом, причем при общем устройстве управления для нескольких внешних устройств один подканал также обслуживает несколько ВнУ. В действительности основная часть аппаратуры мультиплексного канала используется для обслуживания всех подключенных к нему ВнУ. Подканалом в полном

необходимой для работы с данным ВнУ, и получения

плекеного канала МК выделено и подканалов ПК, обес­ печивающих связь с п устройствами управления УУ; одно УУ управляет работой либо отдельного внешнего устрой­ ства, либо работой группы внешних устройств, как это

налу.

времени работы между ними внутри циклов обслужива­ ния, т. е. без организации одновременной работы отдель­ ных ВнУ. На время выполнения данной операции по вводу или выводу информации все средства селекторного канала могут обеспечить работу только одного внешнего устройства, причем информация передается массивами до нескольких тысяч слов в каждом. С помощью селек­ торных каналов к центральному ядру системы обычно

Собственно мультиплексные и селекторные каналы являются однородными, т. е. они не имеют в своем со­ ставе аппаратурных и программных средств, служащих для обслуживания внешних устройств по принципам, отличным от принятых для данного канала. Селекторные каналы вообще не могут быть неоднородными. В то же время возможна такая организация канала, когда он обеспечивает обслуживание одной группы внешних устройств — при их одновременной работе, а другой груп­

148

В качестве неоднородного может использоваться обоб­ щенный мультиплексный канал с включением в его со­ став на правах подканала селекторного канала. В неко­ торых обобщенных мультиплексных каналах возможно использование нескольких селекторных каналов.

Принцип цостроения и организация работы каналов зависят от типа систем, в которых они используются. Мультиплексные и селекторные каналы, связывающие ядро ВС с источниками и потребителями символьной информации, обычно используются в системах общего назначения. Для управляющих систем характерен обмен информацией между ядром и преобразователями раз­ личных видов. Поэтому в их состав обычно вводятся от­ дельные мультиплексные каналы для обмена с источни­ ками и потребителями несимвольной информации.

Программное обеспечение работы каналов вычисли­ тельных систем предусматривает максимальное сокра­ щение обмена информацией между ними и процессорной частью ВС. Наибольший эффект здесь возможен в слу­ чае использования каналов прямого доступа, когда про­ цессор может задавать только начало и вид операции ввода-вывода.

В реальных системах высокой производительности организуется иерархическая система программных средств для реализации операций по вводу и выводу ин­ формации, причем основная их часть реализуется непо­ средственно в канале. При рассмотрении этого вопроса будем полагать, что канал является однородным, с пря­ мым доступом к оперативной памяти системы; разделе­ ние на подканалы произведено по принципам, используе­ мым в мультиплексных каналах.

ходимая первичная командная информация, опреде­ ляющая вид выполняемой операции, номера канала и

из ОЗУ в данное ВнУ или из ВнУ в ОЗУ.

149