otvety / 12Естественный параллелизм независимых задач

Естественный параллелизм независимых задач заключается в том, что на

вход ВС поступает непрерывный поток не связанных между собой задач, т. е.

решение любой задачи не зависит от результатов решения других задач. В этом

случае использование нескольких обрабатывающих устройств при любом способе

комплексирования (объединения в систему) повышает производительность системы.

Характерным примером естественного параллелизма является поступление

пользовательских запросов на информационный web-сайт. Каждый запрос порождает

отдельную процедуру его исполнения, которая не зависит от других подобных

процедур.

Естественный параллелизм независимых задач

Он наблюдается, если в ВС поступает поток несвязанных между собой задач. В этом случае повышение производительности сравнительно просто достигается путем введения в ВС ансамбля независимо параллельно работающих процессоров, подключенных к внутрисистемным интерфейсам многомодульной общей ОП и инициализации процессоров ввода – вывода (ПВВ).

Структура ансамблевой ВС состоит из 4 ярусов параллельных ансамблей: m модулей ООП; n процессоров; р процессоров ввода-вывода, каждый из которых инициализируется и программируется, как контроллер прямого доступа в память, любым из n центральных процессоров; множество разных периферийных устройств, имеющих параллельный прямой доступ в модули ООП через параллельные ППВ и составляющих общее поле ПУ для центральных процессоров.

Структура ансамблевой ВС без детализации интерфейсов

……….

Число модулей ОП m> n+p для того, чтобы обеспечить возможность параллельного обращения в память всех n центральных обрабатывающих процессоров и всех р ПВВ и повысить отказоустойчивость. Резервные (m-n-p) модули ООП необходимы для быстрого восстановления системы при отказе рабочего модуля памяти, используя их для хранения копий ССП процессоров и процессов в контрольных точках программ, которые используются для организации рестартов программ при отказах модуля ООП или процессора.

В данном варианте структурной организации ВС имеется возможность при параллельном решении независимых задач под каждую их них временно объединять пару: Пi+ОПj как автономно функционирующую ЭВМ. Предварительно этот же модуль ОПj временно работал в паре: ПВВк+ОПj, и в ОПj в буфер ввода были из ПУ загружены программа задачи и данные. По окончании обработки программы процессором Пi в модуле памяти ОПj создается и заполняется буфер вывода, а затем модуль ОПj временно вводится в пару с любым свободным ПВВ: ОПj+ПВВr для вывода результатов на свободное в данный момент времени ПУ.

Структура ВС с ансамблевой организацией является упрощенной базовой физической моделью МПВК и МПВС и имеет такое же важное начальное познавательное значение как и структура упрощенной гипотетической фон Неймановской ЭВМ, с которой начинается изучение вычислительных машин в главе 3 базового учебника Цилькера Б.Я. {1}.

Для того, чтобы один и тот же модуль ОПj общей памяти в разные моменты времени мог объединяться либо с процессором Пi, либо с процессором ввода-вывода ПВВ, необходимо правильно подобрать схемы и топологии интерфейсов. Внутрисистемный интерфейс многомодульной ООП целесообразно строить в виде матричного перекрестного коммутатора (кроссбара), в каждом узле которого размещается параллельный ключ, замыкающий накоротко под управлением ведущего процессора линии параллельных интерфейсов ведомого процессора Пi и модуля памяти ОПj. Кроссбар позволяет временно создавать множество параллельных ЭВМ {Пi+Пj} и параллельных соединений {ОПj+ПВВк} с общим полем ПУ.

Структура ансамблевой ВС с детализацией интерфейсов

Интерфейс инициализации ПВВ может быть построен по схеме общей шины (ОШ2), так как последовательности команд инициализации и программирования ПВВ являются короткими и передаются сравнительно редко.

Интерфейс управления ключами кроссбара также можно реализовать в виде общей шины (ОШ1), содержащей линии адреса ключа и линии кода его состояния (замкнут, разомкнут). Состояния всех ключей необходимо хранить в памяти ведущей ЭВМ в специальной системной таблице.

Интерфейс ввода-вывода целесообразно строить также в виде кроссбара для того, чтобы создать возможность параллельного прямого доступа нескольких ПУ в несколько модулей {ОПj} через инициализированные ведущим процессором {ПВВ}. Ключи этого кроссбара 2 управляются ведущим процессором по дополнительному интерфейсу типа «общая шина» (ОШ3), который используется также для передачи сигналов системных вызовов процедур организации ввода от ПУ в ведущий процессор.

По классификации США данная система относится к мультипроцессорным ВС типа SMP (Symmetric Multiprocessor) – симметричный мультипроцессор с однородным доступом к общей памяти. Программы мультисистемной ОС (МОС) обычно выполняются одним из процессоров, а вернее временно созданной управляющей ЭВМ, например парой (П1, ОП1), в память ОП1 которой в режиме начальной загрузки записывается ядро ОС. Такой модуль ОП1,закрепленный за ведущим процессором, называется управляющей памятью. В SMP все процессоры по начальной загрузке равноправны. Любой из них может быть зафиксирован в качестве ведущего. Поэтому все процессоры подключаются к трем общим шинам управления, но до отказа ведущего только он один управляет ключами в кроссбарах, инициализирует ПВВ, воспринимает по ОШЗ сигналы системных вызовов периферийных устройств. Такой принцип организации МОС ВС называется «ведущий - ведомый». При отказе ведущего процессора необходимо повторно выполнить режим начальной загрузки и закрепить функции ведущего за любым из исправных ведомых процессоров. При отказах любых других устройств системы: ведомых процессоров, модулей ОП, ПВВ, ПУ начальная перезагрузка не требуется, вычислительные процессы не уничтожаются и автоматически продолжаются на исправных устройствах путем реконфигурации структуры (отключения неисправных устройств от интерфейсов высокоимпедансными ключами) и рестарта кратковременно прерванных программ с предыдущих контрольных точек. Поэтому для организации отказоустойчивых вычислений в состав МОС ВС вводится дополнительная ОС надежности (система мониторинга ресурсов).

Основная дополнительная задача МОС ВС по сравнению с ОС однопроцессорной ЭВМ – это оптимальное распределение задач между параллельными процессорами по критерию максимальной их загрузки, или минимизации времени их простоев. Эти функции выполняют системные программы «планировщик» и «диспетчер». Оптимальным является асинхронный принцип загрузки и запуска задач в процессорах, не ожидая, пока закончится обработка других задач в других процессорах. Если пакет входных задач, накопленный в ВЗУ, снабжен управляющими картами задач, то оптимальное планирование и диспетчеризация асинхронной обработки задач сводится к составлению и реализации оптимального расписания моментов запуска последовательностей задач на разных процессорах. Для этого в управляющей карте каждой из задач пакета необходимо указывать предварительно оцененное время ее процессорной обработки (вычислительную сложность задачи).

Несмотря на независимость задач в совокупности их асинхронных параллельных вычислительных процессов возможны конфликты между ними за владение общими ресурсами системы: 1) услуги общей МОС, например обработка прерываний по вводу – выводу одновременно для нескольких задач, или их обращения к общей ОС надежности при отказах; 2) одновременные обращения в общую базу данных, обычно хранящуюся на ВЗУ большой емкости; 3) конфликты на занятие требуемых групп ключей в кроссбарах и т.п. Конфликты разрешаются с помощью специальных механизмов МОС: а) приоритетных очередей; б) синхропримитивов синхронизации асинхронных процессов обычно на входе к общим ресурсам.

Если в МОС ввести дополнительный механизм синхронизации со взаимоисключением процессов при работе с общим ресурсом, то функциональные возможности данной системы можно расширить на обработку совокупности слабосвязанных задач. Под ними подразумеваются такие задачи, фактическое время обработки каждой из которых ( с учетом обращения к ПУ) значительно больше затрат времени на обмен информацией между ними. Обмен данными осуществляется через буфер обмена (почтовые ящики), создаваемые в модулях {ОПj} или в общих ВЗУ. Тогда путем синхронизации необходимо обеспечить, чтобы процессы впустую не работали с переполненными и пустыми почтовыми ящиками и одновременно не выполняли в них процедуры записи – чтения.

Очень важным свойством данного типа ВС по сравнению с однопроцессорными ЭВМ является возможность повышения скорости обработки программ МОС. В критические интервалы времени возникновения конфликтов многих ведомых процессов за услуги общих модулей МОС обработка одинаковых и разных запросов к МОС может распараллеливаться также, как и прикладных программ. Для этого МОС из копий своих управляющих модулей создает комплект (пакет) независимых задач максимального уровня приоритета, которые на время своей обработки временно вытесняют из ведомых процессоров менее приоритетные прикладные задачи.

Если между задачами или параллельными фрагментами (ветвями) сложной задачи наблюдается сильная связь, т.е. время требуемое для передачи информации между ними сравнимо или превышает процессорное время каждой из них, то при ансамблевой организации трудно получить большой выигрыш в производительности, и поэтому с целью его увеличения переходят к другим способам организации центрального обрабатывающего ядра системы.