Многомашинные и многопроцессорные вычислительные системы

Крупномасштабные системы обработки данных можно создавать, повышая мощ­ность ЭВМ или объединяя многие ЭВМ в вычислительные комплексы и сети. Комплекси-рование средств вычислительной техники позволяет создавать широкую номенклатуру высокопроизводительных отказоустойчивых систем обработки данных и рассматривается как одно из перспективных направлений развития вычислительной техники.

Комплексирование вычислительных систем широко применяется при создании мно­гомашинных и многопроцессорных ВС.

3.2.1 Многомашинные вычислительные системы

Многомашинная вычислительная система (ММВС) - система (комплекс), вклю­чающая в себя две или более ЭВМ (каждая из которых имеет процессор, ОЗУ, набор пе­риферийных устройств и работает под управлением собственной ОС), связи между кото­рыми обеспечивают выполнение функций, возложенных на ММВС.

По характеру связей между ЭВМ ММВС можно разделить на три типа: косвенно-, или слабосвязанные; прямосвязанные; сателлитные.

В косвенно-, или слабосвязаппых ММВС ЭВМ связаны друг с другом только через внешние запоминающие устройства (ВЗУ). Структурная схема такого ММВС приведена на рис. 3.1. (при трех и более ЭВМ комплексы строятся аналогичным образом). В косвен­но-связанных системах связь между ЭВМ осуществляется только на информационном уровне. Такая организация связей обычно используется в тех случаях, когда необходимо повысить надежность комплекса путем резервирования ЭВМ, В этом случае может быть несколько способов организации работы ММВС:

• Резервная ЭВМ находится в выключенном состоянии {ненагруженный резерв) и включается только при отказе основной ЭВМ.

• Резервная ЭВМ находится в состоянии полной готовности и в любой момент может заменить основную ЭВМ (нагруженный резерв), причем либо не решает никаких задач, либо работает в режиме самоконтроля, решая контрольные зада­чи.

• Для того чтобы полностью исключить перерыв в выдаче результатов, обе ЭВМ, и основная и резервная, решают одновременно одни и те же задачи, но результаты выдаст только основная ЭВМ, а в случае выхода се из строя результаты начинает вы давать резервная ЭВМ.

Рис. 3.1. Связи ЭВМ в составе ММВС

Прямосвязанные ММВС обладают существенно большой гибкостью. В ММВС су­ществуют три вида связей (рис. 3.1): общее ОЗУ (ООЗУ); прямое управление, иначе связь процессор - процессор; адаптер канал - канал (АКК).

Связь через ООЗУ значительно сильнее связи через ВЗУ, вследствие того, что про­цессоры имеют прямой доступ к ОЗУ, хотя тоже информационная.

Непосредственная связь между процессорами - канал прямого управления - может быть не только информационной, но и командной, что, естественно, улучшает динамику

перехода от основной ЭВМ к резервной и позволяет осуществлять более полный взаим­ный контроль ЭВМ.

Связь через адаптер канал - канал обеспечивает достаточно быстрый обмен инфор­мацией между ЭВМ, при этом обмен может производиться большими массивами инфор­мации. В отношении скорости передачи информации связь через АКК мало уступает свя­зи через общее ОЗУ, а в отношении объема передаваемой информации - связи через об­щее В ЗУ.

Прямосвязанные ММВС позволяют осуществлять все способы организации работы ММВС, характерные для слабосвязанных ММВС, но значительно более эффективно.

Для ММВС с сателлитными связями ЭВМ характерным является не способ связи, а принципы взаимодействии ЭВМ. Структура связей в сателлитных ММВС не отличается от вышерассмотренных (чаще используется АКК). Особенностью этих ММВС является то, что в них, во-первых, ЭВМ существенно различаются по своим характеристикам, а во-вторых, имеет место определенная со подчиненность машин и различие функций, выпол­няемых каждой ЭВМ. Основная ЭВМ (чаще более высокопроизводительная) предназна­чена для основной обработки информации. Сателлитная (подчиненная меньшей произво­дительности) осуществляет организацию обмена информацией основной ЭВМ с перифе­рийными устройствами, ВЗУ, удаленными абонентами и т.д. Некоторые ММВС могут включать не одну, а несколько сателлитных ЭВМ, при этом каждая из них ориентируется на выполнение определенных функций.

Сателлитные ММВС значительно увеличивают производительность, не оказывая за­метного влияния на показатели надежности.

3.2.2 Многопроцессорные вычислительные системы

Многопроцессорная вычислительная система (МПВС) - это система (комплекс), включающий в себя два или более процессоров, имеющих общую ОП, общие периферий­ные устройства и работающих под управлением единой ОС, которая, в свою очередь, осуществляет общее управление техническими и программными средствами комплекса. При этом каждый из процессоров может иметь индивидуальные, доступные только ему ОЗУ и периферийные устройства.

Следует отметить, что МПВС в аппаратном плане значительно более сложны чем ММВС. При этом основная функция по организации вычислительного процесса возлага­ется на ОС, что значительно осложняет ее построение.

Однако, несмотря на все трудности, связанные с аппаратной и программной реали­зацией, МПВС получают все большее распространение, так как обладают рядом досто­инств, основные из которых:

• высокая надежность и готовность за счет резервирования и возможности рекон­фигурации;

• высокая производительность за счет возможности гибкой организации парал­лельной обработки информации и более полной загрузки всего оборудования;

• высокая экономическая эффективность за счет повышения коэффициента ис­пользования оборудования комплекса.

Существует три типа структурной организации МПВС: с общей шиной; с перекрест­ной коммутацией; с многовходовыми ОЗУ.

В МПВС с общей шиной проблема связей всех устройств между собой решается крайне просто: все они соединяются общей шиной, по которым передаются информация, адреса и сигналы управления (рис. 3.2). Интерфейс является односвязным, т. е. обмен ин­формацией в любой момент времени может происходить только между двумя устройст-

вами. 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. Обычно функции арбитра выполняет либо процес­сор, либо специальное устройство, которое регистрирует все обращения к общей шине и распределяет шину во времени между всеми устройствами комплекса.

Рис. 3.2. МПВС с общей шиной

Достоинством такой структуры является простота, в том числе изменения комплек­са, а также доступность модулей ОЗУ для всех остальных устройств.

Недостатками является невысокое быстродействие (одновременный обмен инфор­мацией возможен между двумя устройствами, не более), относительно низкая надежность системы из-за наличия общего элемента - шины.

МПВС с перекрестной коммутацией лишены недостатков, присущих МПВС с об­щей шиной. В таких МПВС все связи между устройствами осуществляются с помощью коммутационной матрицы (рис. 3.3.). Коммутационная матрица (КМ) позволяет связывать друг с другом любую пару устройств, причем таких пар может быть сколько угодно: связи не зависят друг от друга.

Рис. 3.3. МПВС с перекрестной коммутацией

В МПВС с перекрестной коммутацией возможность одновременной связи несколь­ких пар устройств позволяет добиваться очень высокой производительности комплекса.

Кроме того, к достоинствам структуры с перекрестной коммутацией можно отнести простоту и унифицированность интерфейсов всех устройств, а также возможность разре­шения всех конфликтов в коммутационной матрице. Важно отметить и то, что нарушение какой-то связи приводит не к выходу из строя всего комплекса, а лишь к отключению ка­кого-либо устройства, т. е. надежность таких комплексов достаточно высока.

Недостатками таких МПВС является сложность наращивания, что требует установ­ки новой коммутационной матрицы, а также то, что при большой номенклатуре уст­ройств КМ становится сложной, громоздкой и достаточно дорогостоящей.

Рис. 3.4, МПВС с многовходовым ОЗУ

В МПВС с многовжодовыми ОЗУ все, что связано с коммутацией устройств, осуще­ствляется в ОЗУ. В этом случае модули ОЗУ имеют число входов, равное числу уст­ройств, которые к ним подключаются. Структура такого МПВС показана на рис. 3.4.

В отличие от МПВС с перекрестной коммутацией, которые имеют централизованное коммутационное устройство, в МПВК с многовходовыми ОЗУ средства коммутации рас­пределены между несколькими устройствами. Такой способ организации МПВК сохраня­ет все преимущества систем с перекрестной коммутацией, несколько упрощая при этом саму систему коммутации.

Кроме приведенных структурных организаций ММВС и МПВС нередко встречают­ся и смешанные.

Поиск по сайту: