Вопрос 24. Способы организации многопроцессорных вычислительных систем.
Согласно классификации Ф.Г. Энслоу существует несколько типов структурной организации многопроцессорных вычислительных систем:
-
с общей шиной;
-
с перекрестной коммутацией;
-
с многовходовыми ОЗУ;
-
ассоциативные;
-
матричные и векторные,
-
конвейерной обработкой.
1. С общей шиной.
В комплексах с общей шиной проблема связей всех устройств между собой решается крайне просто: все они соединяются общей шиной, выполненной в виде совокупности проводов или кабелей, по которым передаются информация, адреса и сигналы управления (рис. 7 а). Интерфейс является односвязным, т.е. обмен информацией в любой момент времени может происходить только между двумя устройствами. Если потребность в обмене существует более чем у двух устройств, то возникает конфликтная ситуация, которая разрешается с помощью системы приоритетов и организации очередей в соответствии с этим.
Несомненные достоинства структуры с общей шиной - простота, в том числе изменения комплекса, добавления или изъятия отдельных устройств, а также доступность модулей ОЗУ для всех остальных устройств. Следствием всего этого является достаточно низкая стоимость комплекса.
Вместе с тем комплексы с общей шиной не лишены определенных недостатков. Первый - невысокое быстродействие, так как одновременный обмен информацией возможен между двумя устройствами, не более.
Второй недостаток МПВК с общей шиной заключается в относительно низкой надежности системы из-за наличия общего элемента - шины. Надо иметь в виду, что надежность общей шины определяется не только надежностью проводов и кабелей (их собственная надежность достаточно высока), но и надежностью всех соединений, входных и выходных цепей устройства.
2. С перекрестной коммутацией.
Мультипроцессорные системы, построенные по принципу осуществления связей между модулями посредством "прямоугольной решетки" соединительных шин, которые могут контактировать в любой точке их пересечения, называют системами с перекрестной коммутацией
Такая организация системы позволяет устанавливать контакт между любыми двумя блоками системы на все время обмена информацией. В отличие от коммутации с временным разделением, реализуемым в системах с общей шиной, рассматриваемый метод переключения связей часто называют коммутацией с пространственным разделением.
Перекрестный коммутатор является "неблокирующимся" в том смысле, что передача через него может быть запрещена из-за отсутствия путей передачи. Существует возможность установить одновременно несколько путей передачи информации в системе.
Основные достоинства мультипроцессорных систем с перекрестной коммутацией, в которых обмен информацией возможен одновременно по нескольким путям передачи данных. При этом эффективная скорость передачи может быть выше, чем, например, в системе с временным разделением общей шины, так как контакт устанавливается между взаимодействующими модулями на все время обмена информацией. Благодаря такой системе организации связей не возникают проблем при параллельной работе процессоров.
3 МПВК с многовходовыми ОЗУ.
Как и системы, описанные в предыдущем
параграфе, мультипроцессоры с многовходовой
памятью используют несколько путей
одновременной передачи информации
(рис. 3.1). Такая топология схемы соединений
более экономична, чем конфигурация с
перекрестным коммутатором, так как в
ней, вообще говоря, меньше точек, в
которых могут возникать конфликты,
требующие разрешения. Модули памяти в
мультипроцессорах данного типа должны
иметь по нескольку входов.
4. Ассоциативные ВС.
Понятие "ассоциативная система"
означает, что обработка данных в системе
может производиться не только обычными
средствами адресации, указывающими на
местоположение единиц информации в
памяти, но и путем идентификации и выбора
данных по их содержанию. Структура такой
вычислительной системы основывается
на использовании ассоциативной памяти,
дополнительная логика которой обеспечивает
адресацию слов по содержанию. 
Принцип ассоциативного обращения к информации может быть использован при приеме и размещении в памяти входных потоков данных с целью последующего выбора всех слов с заданными свойствами для выходных потоков. На базе ассоциативной памяти реализуются также функции, связанные с перестроением данных, т.е. изменением места и порядка расположения элементов информации.
Итак, высокая степень параллельности обработки может быть достигнута тогда, когда одноименные операции выполняются одновременно над всем множеством содержащихся в выделенном поле ассоциативной памяти слов. Для этого в состав ассоциативной вычислительной системы вводятся обрабатывающие элементы, реализующие арифметическую и логическую обработку информации. Упрощенная структура связки ассоциативная память - обрабатывающие элементы (ОЭ) представлена на рис.4.1.
5. Матричные системы.
По каналам связи от УУ передаются команды и общие константы. В ПЭ (процессорный элемент) используется так называемая многомодальная логика, которая позволяет каждому ПЭ выполнять (т.е. быть активным) или не выполнять (быть пассивным) общую операцию в зависимости от значений обрабатываемых данных.
В каждый момент все активные ПЭ выполняют одну и ту же операцию над данными, хранящимися в собственной памяти и имеющими один и тот же адрес. Идея многомодальности заключается в том, что в каждом ПЭ имеется специальный регистр на четыре состояния - регистр моды.
Мода (или модальность) заносится в этот регистр от уу. При выполнении последовательности команд модальность передается в коде операции и сравнивается с содержимым регистра моды. Если есть совпадение, то операции выполняется. В других случаях пэ не выполняет операцию, но может в зависимости от кода пересылать свои операнды соседнему пэ. Такой механизм позволяет, в частности, выделить строку или столбец пэ, что может быть полезным при операциях над матрицами. Взаимодействуют пэ с периферийным оборудованием через внешние пэ.