организации обмена информацией основной ЭВМ с периферийными устрой- ствами, с модулями памяти и удаленными абонентами. Сателлитные ЭВМ могут также производить предварительную обработку информации и ее пре- образование в форму, удобную для основной ЭВм или для пользователя. Ка- ждая ЭВМ при этом ориентирована, как правило, на выполнение своих, стро- го определенных функций.

В общем и целом сателлитные вычислительные системы нацелены на решение задачи повышения производительности СОД и не решают в одино- честве задачу повышения надежности.

Многопроцессорные вычислительные системы

Такие системы содержат в своем составе два или более процессоров, имеют общую оперативную память, общие периферийные устройства, рабо- тающие под управлением единой операционной системы, которая осуществ- ляет общее управление техническими и программными средствами. Все это делает возможным гибкую организацию параллельной обработки информа- ции, но существенно усложняет на практике реализацию этого процесса из-за

громоздкости структуры и многовариантности пути решения задач защиты памяти от взаимного влияния разнообразных программ. Не меньшие сложно-

сти при этом возникают также при распределении ресурсов и заданий между процессорами или при синхронизации процессов решения несколькими про- цессорами одной большой задачи.

Однако, не смотря на указанные трудности, многопроцессорные вы- числительные системы нашли широкое практическое применение, т.к. обла- дают следующими существенными достоинствами:

-высокой надежностью и готовностью за счет резервирования всех устройств и возможности реконфигурации структуры;

-высокой производительностью за счет возможности гибкой органи-

зации параллельной обработки информации и более полной загрузки всего оборудования;

-высокой экономической эффективностью за счет повышения коэф- фициента использования оборудования.

Многопроцессорные вычислительные системы также, как и многома- шинные, разделяются на три типа – с общей шиной, с перекрестной комму- тацией и с многовходовыми ОЗУ.

Вычислительные системы с общей шиной

В этой системе крайне просто решается проблема связей между уст- ройствами: все они подключаются к общей шине, выполненной в виде сово- купности проводов или кабелей, по которым передаются информация, адреса и сигналы управления (рис. 23).

30

Основными достоинствами такой системы являются простота структу- ры и возможность наращивания и сокращения состава.

Недостаток в надежности обычно компенсируют за счет ввода в состав системы второй (резервной) шины (рис. 24), что позволяет увеличить время наработки на отказ приблизительно в семьдесят раз.

Если же в такой системе резервную шину тоже сделать активной, т.е. рабо- тающей одновременно с основной, то можно не только повысить производи- тельность за счет двухсвязности интерфейса (обмен информацией может осуществляться одновременно между двумя парами устройств).

Вычислительные системы с перекрестной коммутацией

Идея структурной организации таких вычислительных систем заклю- чается в использовании для организации обмена информацией между уст- ройствами специальной коммутационной матрицы (КМ), которая позволяет связывать друг с другом целый ряд разных пар устройств одновременно (рис. 25). Такая возможность предоставляется структурой КМ, которая организует независимые друг от друга связи в пространстве.

Рис. 25

Благодаря этому в таких вычислительных системах нет конфликтов из- за связей. Но остались конфликты из-за ресурсов, которые возникают в тех случаях, когда нескольким устройствам одновременно требуется один и тот же ресурс. Такая конфликтная ситуация разрешается, как правило, с исполь- зованием системы приоритетов. Кроме указанных недостатков, рассматри- ваемая система обладает рядом преимуществ. Во-первых, она очень надежна в системном плане, т.к. нарушение каких-либо связей приводит не к отказу системы, а только к отключению отдельных устройств. Во-вторых, она обла- дает высокой производительностью, т.к. позволяет параллельно функциони- ровать всем процессорам и устройствам ввода-вывода. И, наконец, система позволяет устанавливать связи между устройствами на любое, даже длитель-

32

ное, время, что позволяет передавать большие массивы информации. Глав- ными недостатками рассматриваемой вычислительной системы являются:

-Невозможность наращивания, если при ее создании не предусмот- рены в КМ дополнительные входы.

-Сложность, громоздкость и высокая стоимость коммутационной матрицы.

Оба эти недостатка взаимосвязаны и оба вызваны большими техниче- скими и технологическими трудностями создания независимости связей ме- жду устройствами. Для упрощения КМ, ее, как правило, формируют из не- скольких коммутационных матриц, обладающих разным быстродействием ЭРЭ.

Вычислительные системы с многовходовыми ОЗУ

В таких системах все, что схемно связано с коммутацией устройств, осуществляется в ОЗУ. При этом все модули ОЗУ имеют число входов, рав- ное числу устройств системы, которые к этим модулям подключаются (на рис. 26 – четыре входа).

Рис. 26

Таким образом, в отличие от системы с перекрестной коммутацией, ко- торая имеет централизованное коммутационное устройство КМ, рассматри- ваемая вычислительная система имеет средства коммутации, которые рас- пределены между несколькими модулями ОЗУ. Такая структура сохраняет почти все преимущества систем с перекрестной коммутацией, несколько уп- рощая при этом саму схему коммутации способом, приведенных в предыду- щем разделе. Следует, однако, указать, что системы с многовходовыми ОЗУ

в отличие от систем с коммутационной матрицей позволяют просто решать вопрос о выделении какому-либо процессору (или всем) своей собственной оперативной памяти. Принцип такой реализации в системе показан на рис. 26 зачеркнутой связью 2 между процессором П2 и ОЗУ3. В этом случае ОЗУ3 выделяется только процессору П1. Правда при его отказе данные из ОЗУ3 в ОЗУ1 или ОЗУ2 можно переписывать только через каналы ввода-вывода КВВ, что требует продолжительного времени и приводит к потере произво- дительности системы.

33

Особенности организации вычислительных процессов в классе систем МКМД

Несмотря на то, что многомашинные и многопроцессорные вычисли- тельные системы относятся к одному классу систем МКМД, организация в них процессов обработки данных существенно различна.

Многомашинные системы в наибольшей степени приспособлены для решения потока не связанных между собой задач. В них также можно доста- точно эффективно решать и слабосвязанные задачи, т.е. задачи, при решении которых объем взаимно передаваемой информации относительно невелик, т.к. производительность их тем больше снижается, чем больше объем взаим- но передаваемой информации. Как правило, операционная система (ОС) мно- гомашинных систем сравнительно мало отличается от ОС одиночных ЭВМ, работающих в мультипрограммном режиме обработки информации. Напри- мер, в составе вычислительной многомашинной системы ОС одиночной ЭВМ дополняется компонентами, обеспечивающими выполнение функций, связанных с комплексированием. Обычно это следующие дополнительные программные модули:

-обеспечения обмена информацией между ЭВМ системы;

-обеспечение взаимного контроля состояния ЭВМ системы;

-проведения регламентных работ системы;

-взаимодействие вычислительной системы с оператором.

Многопроцессорные вычислительные системы эффективно выполняют

функции многомашинных, т.е. решают независимые и слабосвязанные зада- чи, но они с существенно большей эффективностью могут решать сильносвя- занные задачи, и, более того, могут решать одну большую задачу с участием всех процессоров.

При этом, благодаря применению общей памяти, которая используется как общий почтовый ящик, не требуется никакой передачи информации не- посредственно между процессорами. Кроме указанного преимущества, они обладают колоссальными возможностями для обеспечения высокой надеж- ности, т.к. выход из строя любого процессора не приводит к отказу системы, а лишь несколько снижает ее производительность. Это же относится к лю- бым другим ее устройствам. Весьма важным является и то, что эти системы позволяют повысить коэффициент использования оборудования. Однако,

реализация всех перечисленных богатых возможностей в системе является непростой задачей, т.к. ОС, на которую падает вся тяжесть организации вы- числительного процесса, оказывается довольно сложной. Поэтому в зависи-

мости от конкретной специфики применения для упрощения ОС нередко идут на специализацию систем. При этом возможна организация трех типов функционирования ОС:

1.Ведущий-ведомый.

2.Раздельное выполнение заданий в каждом процессоре.

3.Симметричная, или однородная, обработка информации всеми про- цессорами.

34

Тип ведущий-ведомый. Организация вычислительного процесса в этом случае: один процессор управляет работой всех остальных, т.е. берет на себя функции распределения задач и ресурсов, организует необходимую передачу информации, производит переназначение задач при отказе каких-либо про- цессоров, решает конфликтные ситуации, отключает неисправные устройства и т.д. Остальные процессоры при этом являются исполнительными.

Недостатки:

1.Малая гибкость: при большом потоке коротких задач ведущий про-

цессор может не справиться с непрерывным их распределением во времени между исполнительными процессорами, что приведет к простоям некоторых из них и поэтому к снижению производительности системы.

2.При решении на нескольких процессорах одной задачи ведущий процессор может не справиться с синхронизацией процесса решения ее час- тей, что также приводит к простоям и в итоге снижению производительно- сти.

Тип раздельное выполнение заданий в каждом процессоре. Все процес- соры принимаются равноправными. Но они не свободны в выборе задач, т.е. каждому процессору заранее определяется свой набор задач. Заранее между ними распределяются и ресурсы. Поэтому в таких системах почти не бывает конфликтов. Правда системы при этом не лишены недостатка, но только сво- его, т.к. недостатками предыдущей вычислительной системы не обладают. Связано это с тем, что задачи заранее распределены. Поэтому при отказе ка- кого-либо процессора для повторного запуска его задач оператор должен ос- тановить вычислительную систему, перерасчитать загрузку процессоров и перераспределить между ними задачи. А это фактически отказ вычислитель- ной системы в СОД, хотя на самом деле эта система работоспособна.

Тип симметричная, или однородная, обработка информации всеми процессорами. Все процессоры имеют максимальную самостоятельность.

Не существует предварительного распределения заданий между про- цессорами – каждый из них при освобождении от решения предыдущей зада- чи выбирает себе новую из общего списка (или очереди). Нет и предвари- тельного распределения ресурсов – процессоры сами выбирают их, исходя из потребностей решаемой задачи.

Система автоматически отключает неисправное оборудование и про- должает работу, правда с несколько пониженной производительностью.

Ее недостатки: большое число конфликтных ситуаций, в том числе «тупиковых», которые возникают, когда для решения двух (или более) задач требуются одни и те же ресурсы (УВВ, ОЗУ, наборы данных и др.), а приори- теты задач одинаковы. Для разрешения конфликтов в этом случае одну или более задач снимают с решения, т.е. переводят в режим ожидания решения, а это потеря производительности системы.

Новые типы вычислительных систем были получены при внедрении в процесс их создания элементов микроэлектроники. Эти работы представляют определенный интерес, поэтому рассмотрим их более подробно.

35