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

по запросам от абонентов. Запросы на обращение к ОЗУ канального процессора от ЦП и КП поступают в виде соответствующих команд, включающих в свой состав

сопряжения абонентов обрабатываются с помощью схе­

сматриваемой схемы включаются также группы выход­

устройства. Следует иметь в виду, что каждая из пока­

на обслуживание со всеми устройствами сопряжения, т. е. в конечном итоге со всеми абонентами. При .поступлении нескольких запросов-требований от различных абонентов схема приоритетов запросов обеспечивает их запомина­ ние и выделение только одного из лих в соответствии с приоритетами, присвоенными каждому абоненту. Вы­ деленный запрос направляется в схему формирования адресов, которая обеспечивает образование адреса Аз ячейки ОЗУ, по которому должно производиться обра­ щение к ОЗУ данного абонента; зоны памяти могут за­ крепляться за абонентами постоянно подобно тому, как это делается в рассмотренной выше системе с аппарат­ ным разделением времени; возможно осуществление рас­ пределения памяти и программным путем. Кроме кода Аз, в РгАЗ фиксируется и признак запроса абонента Яз.

По принятой для схемы на рис. 7-4 системы обозначений Пу есть признак обращения к ОЗУ канального процессора со стороны программы КП, a Ai-—адрес ячейки ОЗУ, по которому должно произво-

340

мента системы, передавая отвечающий ему адрес в ре­ гистр адреса ОЗУ; одновременно вырабатывается необ­

Рис. 7-4. Схема управления обращениями к ОЗУ канального процес­

сора.

Обмен информацией между ОЗУ канального и цен­ трального процессоров может происходить путем пере­ дачи как отдельных чисел, так и групп чисел. Макси­ мальное количество чисел в одной группе определяется с таким расчетом, чтобы не было потерь запросов або­ нентов, которые имеют более низкий приоритет, чем цен­ тральный процессор. В то же время групповой обмен между ЦП и КП возможен вследствие того, что обслу­ живание требования ЦП производится во много раз бы­ стрее по отношению к обслуживанию требования любого абонента. При обмене группами чисел между ЦП и КП осуществляется, как правило, прерывание выполняемых программ в обоих процессорах; сигналы прерываний из КП в ЦП подаются ,как в начале, так и в конце груп­ пового обмена.

341

Обращение абонентов к ОЗУ канального процессора происходит фактически без прерывания выполняемой КП программы. Это обеспечивается структурой диспетчер­ ского устройства и тем, что обмен информацией между КП и абонентами всегда производится отдельными чис­ лами, а не группами чисел. Действительно, реализация запроса абонента означает для программы КП только пропуск одного та.кта и не требует запоминания содер­ жимого рабочих регистров, так как выполняемая коман­ да программы КП сохраняется в РгКі, а операционное устройство и арифметическое устройство канального про­ цессора не участвуют в процессе обмена информацией. Такая организация обращения абонентов к ОЗУ приво­ дит к значительной экономии машинного времени ка­ нального процессора.

Вычислительная система с канальным процессором имеет достаточно высокую пропускную способность при должной организации связей КП со всеми абонентами. Наиболее целесообразной структурой этих связей явля­ ется такая, когда одно устройство сопряжения объединя­ ет несколько абонентов типа внешних устройств, пример­ но одинаковых по быстродействию; управляющие сигналы посылаются из диспетчерского устройства непосредственно на каждое устройство сопряжения; при­ оритетность же абонентов устанавливается по последо­ вательности прохождения числовых шин через соответатвующие устройства.

7-3. МНОГОПРОЦЕССОРНАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА С СИММЕТРИЧНЫМИ с в я з я м и

Многопроцессорные вычислительные системы без же­ стких связей по управлению их составными частями обычно предназначаются для работы в режиме массово­ го обслуживания, что обеспечивает хорошее выравнива­ ние коэффициентов использования аппаратуры. Такие ВС строятся так, что общая синхронизация работы отдель­ ных процессоров достигается не за счет принудительного тактирования всех процессоров централизованным .по­ рядком, а за счет использования их систем прерываний и приоритетов. Процессы обмена информацией между частями ВС могут осуществляться практически в произ­ вольные моменты времени, так как обычно используются специальные каналы для передачи и приема кодов, атак-

342

же общая память. Наиболее приемлемой здесь оказы­ вается структура ВС из однородных машин, которые могут работать и в автономном режиме, так как в этом случае обеспечивается создание разнообразных связей между процессорами. Связи между процессорами уста­ навливаются симметричные или кольцевые. При симмет­ ричных связях некоторая пара процессоров (вычисли­ тельных машин) имеет такие же связи, как и любая другая пара данной системы. При кольцевых связях каждый процессор связывается с двумя соседними, а все процессоры системы образуют замкнутое кольцо. Если количество процессоров я<с:3, то кольцевые связи иден­ тичны симметричным (Л. 18].

Рассмотрим принципы построения и функционирова­ ния многопроцессорной вычислительной системы с сим­ метрично-кольцевыми связями на примере ВС, объеди­ няющей три универсальные трехадресные ЦВМ.

Все три машины, включаемые в состав системы, мо­ гут работать как автономно, так и в режиме общеси­ стемной обработки информации. Это обеспечивается организацией связей между машинами на уровне опера­ тивной и внешней памяти с децентрализацией управле­ ния. В режиме общесистемной обработки информации функции управляющей, или ведущей, может выполнять любая машина системы. Взаимосвязь элементов осуще­ ствляется путем обмена командной и числовой инфор­ мацией по шинам кольцевой связи, к которым подклю­ чаются ОЗУ и ВЗУ всех машин. При этом управляющая машина может использовать блоки оперативной и внеш­ ней памяти управляемой (ведомой) машины для реали­ зации своих программ. Кроме указанного, аппаратные средства машин обеспечивают обмен информацией каж­ дой из них с внешними объектами по телефонному и телеграфному каналам связи.

Основу математического обеспечения рассматривае­ мой ВС составляет так называемая обслуживающая си­ стема, позволяющая осуществлять взаимный контроль правильности решения задач отдельными машинами, а также параллельную работу всех машин при решении задачи с независимыми участками машинного алгорит­ ма. Обслуживающая система обеспечивает также под­ ключение процессора одной машины к блокам оператив­ ной и внешней памяти другой машины, которая в этой ситуации считается управляемой; отключение используе-

343

мых блоков от управляющей машины также обеспечи­ вается обслуживающей системой.

Общая структура рассматриваемой многопроцессор­ ной вычислительной системы показана на рис. 7-5. Каж­ дый из трех процессоров Я как центральная часть соот­ ветствующей вычислительной машины имеет свое опе­ ративное запоминающее устройство ОЗУ, накопители на магнитных барабанах и лентах НМБ и НМЛ, а также

шкс,

Р и с . 7-5. С т р у к т у р а м н о г о п р о ц е с с о р н о й В С с с и м м е т р и ч н ы м и с в я ­

з я м и .

схему прерываний СхПр. Поскольку разрядность адреса не позволяет производить обращение к нескольким бло­ кам как оперативной, так и внешней памяти, то в состав устройств управления процессоров включаются дополни­ тельно регистры приращений для размещения в них ко­ дов номеров блоков памяти; содержимое регистров при­ ращений изменяется по специальным командам програм­ мным путем. В общем случае для каждого вида памяти имеется отдельный регистр приращений. На рис. 7-5 РгПі является регистром приращений оперативной па­ мяти, РгПг — регистром приращений НМЛ, РгП3 — ре­ гистром приращений НМБ.

По всем видам памяти объединение вычислительных машин осуществляется по шинам кольцевых связей ШКС. По этим шинам передаются не только коды адре­ сов и слов, но и коды соответствующих приращений;

344

на магнитных лентах. Управляющие сигналы от процес­ сора к процессору передаются по ШД'С2 , которые обес­ печивают их объединение через схемы прерываний. По­ строение СхПр отвечает классическим схемам, рассмот­ ренным в § 1-7, обеспечивая своевременное выявление запросов на прерывания от различных источников, в том числе и от других процессоров. Схемы прерываний объ­ единяются с аппаратно-программной системой приорите­ тов и включают в свой состав дополнительный регистр масок для осуществления защиты от прерываний. При прерывании запоминается очередная команда выполняе­ мой программы и осуществляется переход к выполнению программ обслуживающей системы, которая, как отме­ чалось выше, составляет основу математического обес­ печения рассматриваемой вычислительной системы.

Так как все виды запоминающих устройств объеди­ нены соответствующими шинами кольцевых связей и возможна работа частей системы в многопрограммном режиме, то предусматривается защита памяти. Для на­ копителей на магнитных лентах и барабанах защита

обеспечивается программным путем по номерам зон. Защита оперативной памяти обеспечивается аппаратнопрограммным способом с использованием граничных адресов и соответствующих регистров. При этом она осу­ ществляется, в основном, для программ обслуживающей системы, которые всегда размещаются в строго опреде­ ленных массивах ячеек каждого из ОЗУ системы.

Системы команд машин, включаемых в состав много­ процессорной системы, должны содержать команды, обеспечивающие реализацию всех возможных режимов работы. К числу таких команд в первую очередь отно­ сятся команды входа в обслуживающую систему, выхода из обслуживающей системы, обращения к регистрам си­ стемы прерываний; кроме того, должны использоваться команды запоминания состояний программно-доступных регистров, восстановления этих состояний при возвра­ щении к прерванной программе и изменения состояний регистров приращений. Команда входа в обслуживаю­ щую систему обеспечивает передачу управления из основной программы к требуемой команде, находящей­ ся в зоне ОС оперативной памяти; по этой же команде осуществляются запоминание состояний (содержимого)

345

всех программно-доступных регистров процессора, вы­ ключение системы защиты зоны ОС оперативной памяти и блокируется просмотр содержимого регистра запросов системы прерываний. Последнее действие связано с тем, что при выполнении программ обслуживающей системы не допускается их прерывание за исключением случаев аварийных ситуаций.

Команда выхода из обслуживающей системы выпол­ няется так же, как и команда восстановления состояний программно-доступных регистров; дополнительными дей­ ствиями при ней являются только осуществление вклю­ чения системы защиты зоны ОС оперативной памяти и разблокировки просмотра содержимого регистра запро­ сов системы прерываний. Эта команда по выполняемым действиям обратна команде входа в ОС, которая бази­ руется на команде запоминания состояний программнодоступных регистров. Регистры системы прерываний за исключением регистра запросов объединяются в одну программно-адресуемую ячейку памяти. Поэтому по команде обращения к регистрам системы прерываний обеспечивается ввод в соответствующую ячейку ОЗУ их содержимого и запись в них необходимого кода (напри­ мер, нового кода защиты, или маски).

Команда обращения к регистрам системы прерыва­ ний может выполняться только при реализации про­ грамм обслуживающей системы; при этом, очевидно, код запросов в регистре запросов системы прерываний не может быть изменен.

групп вентилей, которые управляются специально выде­ ленными для этого триггерами системы прерываний каж­ дого процессора. Эти триггеры относятся к программноадресуемым регистрам СхПр. В единичное состояние они устанавливаются в том случае, когда соответствующий блок памяти одной машины подключается к ШКС для использования его при реализации некоторой программы другой машиной. Иначе говоря, подключение блока па­ мяти к управляющей машине осуществляется за счет

346

этого данный блок может использоваться только маши­ ной, которая была управляемой.

Основой математического обеспечения многопроцес­ сорной системы, как отмечалось выше, является обслу­ живающая система, представляющая собой набор спе­ циальных программ, хранимых постоянно в зоне ОС оперативной памяти каждой части системы. В составе ОС имеются программы управляющей части, выполняю­ щие диспетчерские функции, программы организации ввода и распределения информации, необходимой для решения задач, и программы библиотеки основных ре­ жимов, в которых может работать система. С помощью обслуживающей системы организуются три основных режима работы. Первый из них представляет собой ре­ жим общей памяти, когда любая машина системы мо­ жет работать с блоками оперативной и внешней памяти других машин; в этом режиме решаются задачи с боль­ шим объемом исходной и результирующей информации. Вторым является режим работы по распараллеленному алгоритму; в этом режиме решаются задачи, время на реализацию которых одной машиной не удовлетворяет требованиям. И, наконец, возможен режим взаимного контроля машин; в этом режиме решаются задачи при

ВС, координирует работу отдельных машин, определяет нагрузку процессоров по реализации заданных задач, распределяет между ними блоки памяти различных ви­ дов, а также определяет реакции по всем возникающим в процессе работы прерываниям. Организация функцио­ нирования вычислительной системы в конкретном режи­ ме осуществляется путем переключения ее элементов на работу по программе требуемого режима; все это обес­ печивается управляющей частью ОС. Таким образом, программы ввода и распределения информации, входя­ щие в состав обслуживающей системы, рассматриваются как вспомогательные. В тех случаях, когда требуется вмешательство оператора в процесс решения, ОС обес­ печивает выдачу необходимой информации в формали­ зованном виде на печать или возбуждение соответствую­ щих элементов сигнальной системы.

Взаимодействие процессоров рассматриваемой вычис­ лительной системы осуществляется на основе программ-

347

ного диалога, который предшествует коммутации тре­ буемого блока оперативной или внешней памяти на шины кольцевых связей. Этот диалог заключается в том, что управляющая часть обслуживающей системы управляе­ мой машины (процессора), реагируя на запрос, полу­ чает из управляющей машины всю информацию к запро­ су программным путем, анализирует эту информацию и выбирает дальнейшее направление процесса.

Обслуживающая система каждой машины состоит из двух частей: ОС( для управляющей, или запрашиваю­ щей, машины и ОС2 для управляемой, или запрашивае­ мой, машины. Запрос на реализацию одного из режи­ мов работы ВС поступает из основной рабочей програм­ мы управляющей машины через блок входа в ОС\ (рис. 7-6). В ОСІ управляющей машины запрос обра­ батывается с проверкой его на корректность и выясняет­ ся возможность его реализации путем анализа таблиц, отражающих состояние взаимодействия запрашиваемой машины со смежными машинами; запрос считается не­ корректным, если в нем указан номер машины, не вхо­ дящей в состав ВС, и т. п. Если при обработке запроса устанавливается, что он может быть выполнен, то OCj управляющей машины выдает его в запрашиваемую ма­

В случае необходимости ОС4 организует режим ожида­ ния.

По получении запроса управляемой машиной он об­ рабатывается в ее ОС2 при прерывании выполняемой рабочей программы. Если устанавливается, что запрос может быть удовлетворен, то осуществляется формиро­ вание всех необходимых управляющих сигналов для под­ ключения к ШКС запрошенного блока оперативной или внешней памяти. После этого управляемая машина осу­ ществляет возврат к своей прерванной рабочей програм­ ме («восстановление»), если был запрос на блок внеш­

в виде кода состояния регистров приращений соответ­ ствующих видов запрошенных ЗУ и переходит к выпол­ нению своей основной рабочей программы. Таким обра­ зом, при запросе из основной программы ее реализация может быть продолжена только в случае выполнения

348

запроса. Следует отметить, что управляющая часть об­ служивающей системы, кроме ОС4 и ОСг, содержит так­ же программы реакции на внутренние сигналы преры­ ваний. Если управляющая и управляемая машины ме­ няются ролями, то порядок прохождения информации по запросам изменяется на обратный.

Организация работы вычислительной системы в том или ином режимеосуществляется по так называемым словам запроса СЗ, которые размещаются в массиве ячеек основной .программы управляющей машины. Пер­ вой в любом СЗ всегда указывается команда входа в обслуживающую систему, которая обеспечивает пре­ рывание выполнения основной программы и передачу управления одной из программ обслуживающей системы. Далее располагаются условные числа и служебная ин­ формация, которые и определяют тот режим, в котором должна работать вычислительная система; обработка условных чисел и служебной информации осуществляет­ ся программами обслуживающей системы. При переходе к заданному режиму работы по обслуживающей системе предполагается, что каждая из машин ВС работает авто­ номно по своей рабочей программе, и в ее оперативной памяти записана аналогичная по отношению к управля­ ющей машине обслуживающая система.

машины всегда указываются вид блока памяти, который требуется для дальнейшей работы этой машины, а так-

349