25. Загальні принципи будування багатопроцесорних обчислювальних комплексів..

МВК - вычислительные комплексы, в которых вычислениями управляет одна операционная система, распределяющая работы между всеми процессорами комплекса.

Достоинства и недостатки.

Достоинства:

1.высокая надежность и готовность за счет резервирования.

2.высокая производительность за счет организации параллельной обработки и более быстрой связи между процессорами.

3.высокая экономическая эффективность за счет более размеренного использования оборудования.

Недостаток: сложность по управлению оборудованием и задачами.

В МВК различаются прямосвязанные ЭВМ и сателитные ЭВМ.

Прямосвязанная ЭВМ

В системе прямосвязанных ЭВМ некая совокупность команд одной ЭВМ выполняется на другой ЭВМ. Сателитные ЭВМ различаются не интенсивностью, а характером взаимодействия. При таком взаимодействии имеется главная ЭВМ и подчиненная (терминальная) ЭВМ, т. е. имеется строгая иерархия системы.

Сателитная ЭВМ

МП - модуль памяти.

ВУ - внешнее устройство.

Прямое управление в многопроцессорных системах бывает следующих типов:

• общая шина;

• перекрестная коммутация;

• многовходовые ОЗУ;

• кольцевые структуры.

Общая шина

Общая шина

Достоинства:

1.универсальность;

2.возможность расширения.

Недостатки:

1.так как шина одна, то обмен одновременно происходит только парой устройств, т. е. ограничивается пропускная способность;

2.шина имеет фиксированную частоту опроса устройств, поэтому скорость устройств приводится к скорости шины.

Для увеличения надежности общую шину дублируют, троируют и т. д. В этом случае возникает возможность использовать шину либо в режиме повышенной надежности, тогда все шины используются, как одна, либо использовать каждую шину в отдельности, что увеличивает интенсивность обмена.

Дублирование общей шины

Перекрестная коммутация

Для соединения устройств и процессоров при перекрестной коммутации реализуется связь с использованием матрицы коммутации.

Матрица коммутации реализовывает возможность связи "каждый с каждым". Структура из двух матриц коммутации позволяет минимизировать стоимость системы, не снижая ее производительности.

Достоинство: Отсутствует конфликт по связям.

Недостатки:

1) конфликт по ресурсам. Для разрешения этого конфликта требуется арбитраж.

2) Трудность расширения системы.

Перекрестная коммутация

Многовходовые ОЗУ

Многовходовые ОЗУ

ОЗУ2, ОЗУ3, ОЗУ4 должны иметь арбитраж, ОЗУ1 подключено к П1, а ОЗУ5 к П2.

Кольцевая структура

Кольцевая структура

26. Загальні принципи будування багатомашинних обчислювальних комплексів.

Многомашинные вычислительные комплексы включают в себя две и более ЭВМ, каждая из которых имеет: ОЗУ, периферию и работает под собственной ОС. Комплексирование осуществляется за счет связи между ЭВМ. Связи могут быть косвенные (слабосвязанные), прямые (прямосвязанные). По характеру взаимодействия в связях могут участвовать сателитные ЭВМ.

В слабосвязанных ЭВМ связь осуществляется через ВУ.

Прямо связанные ЭВМ с общим ОЗУ имеют :

Достоинства:

• большая скорость;

• использование общего поля данных.

Недостаток: низкая надежность.

Прямо связанные ЭВМ через адаптер - канал - канал имеют большую надежность и позволяют связывать ЭВМ между собой с использованием вспомогательных устройств на любые расстояния. Этот вид связи нашел наибольшее применение для создания вычислительных сетей.

Каналы

В любом комплексе возможно наличие нескольких групп однотипных устройств ввода/вывода, взаимодействующих с памятью через коммутатор. В общем случае изготовитель не знает заранее, сколько внешних устройств заданного типа будут присоединяться к коммутатору памяти. Кроме того, в любой момент времени общее количество циклов, которые можно занять у памяти, ограничено ее пропускной способностью.

В типовой системе суммарная пропускная способность внешних устройств подсоединенных к памяти намного превышает пропускную способность памяти. Поэтому нельзя планировать одновременную работу всех устройств. Однако на практике может оказаться, что для обеспечения вычислительного процесса вычислительный комплекс должен иметь именно такой набор внешних устройств.

Реализация большой коммутационной памяти

При увеличении количества внешних устройств возможно два варианта решения задачи:

• расширение коммутации памяти;

• применение двухкаскадной коммутации;

В первом случае устройство опроса коммутатора и приоритетная схема должны быть более быстродействующими и более сложными, при этом возрастает размер коммутационной матрицы.

Второй вариант позволяет обойтись ограниченным числом входов, а расширение возможностей доступа к памяти достигается за счет второго уровня коммутации. Этот второй уровень обеспечивается каналами с соответствующими устройствами управления. Число входов коммутатора памяти определяется ее суммарной полосой пропускания. Эти входы являются стандартизованными, так что каждый из них представляет собой единое унифицированное средство сопряжения с остальной частью комплекса, который называется интерфейсом. Взаимодействие через комплекс памяти и внешним устройством происходит через канал и устройство управления канала, которые соответствуют однотипным устройствам.

Функции каналов

Каналы выполняют следующие основные функции:

1. Второй уровень коммутации.

2. Согласование форматов.

3. Управление форматами.

4. Управление передачами.

5. Контроль ошибок.

6. Интерпретация команд.

Преобразование каналов

Главной характеристикой канала является вид сопряжения, который он обеспечивает внешнему устройству (ВУ). Типовыми примерами являются: пословный, посимвольный и поразрядный интерфейс.

В каждом из этих случаев канал будет производить преобразование данных из формата, получаемого от устройства в формат канала или же из формата канала в формат устройства. При передачи данных из памяти во внешнее устройство слово получаемое из памяти в параллельном коде преобразуется в последовательный поток двоичных разрядов, который после этого преобразования может быть принят данным внешним устройством. Преобразование формата может включать в себя такую операцию как: добавление и удаление двоичных разрядов контроля и т. д.

Канал может выполнять как логические, так и электрические преобразования сигнала.

Управление передачами

В большинстве соперничающих передач производиться пересылка более одного слова или сигнала. Для каждого слова, пересылаемого в ходе данной передачи, должен быть известен адрес той ячейки памяти, куда данное слово должно быть помещено. Этот адрес должен обновляться после каждого цикла памяти и проверяться на предмет определения конца передачи. Поскольку необходимые для этого аппаратные средства могут отличаться друг от друга в зависимости от типа канала. Данная функция в общем, виде реализуется не в коммутаторе памяти, а в канале. Такой подход позволяет сосредоточить все специализированные средства сопряжения с различными ВУ в одном определенном модуле. Счетчики, используемые для управления передачи, могут быть реализованы в виде схемных счетчиков расположенных в канале либо в виде ячеек основной памяти. В последнем случае для выполнения передачи каждого слова будет необходим, по крайней мере, еще один цикл памяти для обновления счетчика. Нередко можно встретить такие структуры канала, в которой при каждом занятии цикла требуется использовать 3 или 4 цикла памяти. Вполне возможно, что один и тот же канал при использовании его одним и тем же ЭВМ будет требовать для 1-го элемента информации разное количество циклов.

Выработка сигналов прерываний, инициирование передачи, выработка сложной системы сигналов, которые могут потребоваться для организации взаимодействия внешних устройств и коммутатора памяти.

Контроль ошибок

Во многих каналах выполняется контроль или коррекция ошибок. Типовой способ обнаружения ошибок сводится к некоторому виду контроля по четности или нечетности. При приеме символы проверяются по четности разрядов и дополняются дополнительными разрядами соответственно до четности или нечетности. Кроме того, при записи на ВУ возможно подсчитывание контрольной суммы блока передаваемой информации. Такая контрольная сумма может выполняться либо путем сложения "по модулю 2" всех слоев в блоке, либо путем циклического суммирования с учетом переноса разряда переполнения - циклическая контрольная сумма.

Функция коммутации

Каналы, используемые в многомашинных комплексах, могут быть усложнены за счет увеличения количества входов со стороны подключения коммутатора памяти. Это дает возможность подключать один канал к различным коммутаторам, относящимся к различным ЭВМ.

Коммутация

В этом случае функции канала увеличиваются, происходит коммутация между двумя ЭВМ.

Функции канала и коммутатора идентичны. Поэтому концепция применения каналов имеет 2 крайности:

Коммутатор берет на себя все функции канала.

Когда канал берет на себя обслуживание всех ВУ, таким образом, все функции коммутатора берет на себя канал.

Интерпретация команд

Для выполнения функций передачи данных канал должен интерпретировать часть обобщенной команды ввода/вывода. Канал должен определить какое из устройств должно быть активизировано, в каком направлении должна быть выполнена передача информации, какое количество информации должно быть передано, и по какому адресу памяти необходимо поместить информацию или извлечь ее. Возможно, несколько вариантов реализации канала. Наиболее выражена тенденция реализации канала в виде малой, быстрой, специализированной ЭВМ. В этом случае пропускная способность это ЭВМ должна быть существенно выше пропускной способности тех ВУ, которые обслуживаются.

Устройства управления

Третий уровень коммутации

При чрезмерном увеличении количества ВУ возникает необходимость установки 3-го уровня коммутации. Для реализации этого уровня применяется устройства, которые называются устройствами управления ВУ.

Устройство управления должно быть согласовано с одной стороны со стандартным интерфейсом соответствующего канала, а с другой с внешними устройствами. Устройства управления специализируются на управлении однотипными устройствами.

Функции устройства управления аналогичны функциям канала, поэтому в современных ЭВМ, у которых нет расширенного набора ВУ, функции УУ выполняет свой канал. Кроме того, в тех случаях, когда через канал подключается только одно устройство, он перестает выполнять функции коммутации и сохранит только функции преобразования форматов и управления передачами. Такое упрощенное устройство называется адаптером.

Соединение через внешнюю память

Связь ЭВМ через ВЗУ осуществляется путем применения устройств управления ВЗУ, имеющих два раздельных входа. При этом если операции ввода/вывода от 1-й ЭВМ, то на второй вход до завершения операции ввода/вывода выставляется в слове состояния устройства "занято", т.е. с устройством работает та ЭВМ, которая первая его захватила. Такая организация работ возможна, если обе ЭВМ работают под управлением однотипных операционных систем, ориентированных на одинаковую файловую систему. Такая организация архитектуры называется вычислительный комплекс со связью через ВЗУ. Такая связь называется слабой.

Общее поле магнитных дисков

Если в качестве устройств используются магнитные диски, то архитектура называется вычислительный комплекс с общим полем магнитных дисков. Такая архитектура может эффективно использоваться при размещении базы данных в едином дисковом пространстве и использовании ее 2-мя ЭВМ. Объединить в единый комплекс при такой архитектуре можно и более 2-х ЭВМ, но каждое дисковое устройство может использоваться только 2-мя ЭВМ. Вычислительный комплекс с общим полем магнитных дисков позволяет разделить обработку информации между ЭВМ без потери производительности.

При использовании в качестве внешних устройств магнитных лент соответствующий вычислительный комплекс будет называться ВК с общим полем магнитных лент.

Общее поле дисплея

Построение общего поля дисплеев позволяет расширить доступ пользователей к информационным базам размещенных на разных ЭВМ. Если 2 ЭВМ объединены общим полем дисплеев и имеют общее поле дисков, то имеет место резервированием ЭВМ.

Прямо связные ЭВМ с общим ОЗУ и через адаптер канал – канал

При связи машин между собой через каналы, каждая ЭВМ "видит" другую ЭВМ как ВУ. Передача информации через ЭВМ возможно только тогда, когда одна ЭВМ будет передавать, а вторая принимать информацию. В других случаях обмен производиться не будет. Наиболее целесообразно организовывать обмен между ЭВМ, используя механизм прерывания.

Совершенствование системы связи ЭВМ через канал-канал было направлена по двум направлениям:

1. совершенствования топологии связей;

2. совершенствования протоколов обмена.

Совершенствования топологии связей. В настоящее время можно построить радиальную или магистральную структуру (см. рис. 2), объединяя отдельные ЭВМ по средствам адаптеров и каналов. При этом топология соединений определяет способ коммутации абонента и способ обработки заявок абонента.

При радиальной структуре в состав канала входит мультиплексор магистрали абонентов, а сами магистрали одинаковы по составу командно - информационных линий. Обработка заявок и коммутация происходят в канале.

Связь через адаптер канал-канал