Глава 7. Особенности организации вычислительных процессов.

Многомашинные ВК в наибольшей степени приспособлены для решения потока не связанных между собой слабосвязанных задач, т.е. задач, при решении которых объем взаимно передаваемой информации невелик. При этом, чем больше объем взаимно передаваемой информации, тем больше уменьшается производительность системы, т.к. часть времени используется на обмен. Анализ показывает, что решение одной задачи несколькими машинами в составе может быть оправданным только при наличии связи между ними через общее ОЗУ. Необходимо отметить, что в этом случае трудность решения определяется не столько потерями производительности из-за обмена информацией, сколько сложностью синхронизации этапов решения, а, следовательно, действия ЭВМ.

С учетом этого, можно дать оценку сложности ОС ЭВМ, входящих в МПВК.

Как правило, ОС в MMВК мало отличаются от ОС одиночных ЭВМ, работающих в мультипрограммном режиме. Достаточно ОС одиночных ЭВМ дополнить компонентами, обеспечивающими комплексирование.

МПВК имеют существенно большие возможности и большую гибкость, чем ММВК как в отношении повышения надежности, так и в отношении организации параллельных вычислений (все процессоры могут работать с общей памятью, иметь в своем непосредственном распоряжении все периферийные устройства и управляются единой ОС).

МПВК способны делать все то, что делает ММВК: решать независимые и слабосвязанные задачи. Но МПВК с существенно большей эффективностью может решать сильносвязанные задачи, и, более того, МПВК способны эффективно решать одну задачу с участием всех процессоров. Таким образом, если ММВК позволяют достичь высокой производительности при решении большого потока задач, то МПВК позволяют это сделать даже при решении одной задачи.

Однако, использование всех возможностей МПВК является непростой задачей, так как операционные системы оказываются очень сложными.

Известны три типа организации вычислительного процесса в МПВК и соответствующие три типа функционирования ОС:

1. ведущий-ведомый;

2. раздельное выполнение заданий в любом процессоре;

3. симметричная или однородная обработка информации всеми процессорами.

Организация «ведущий-ведомый» - наиболее простая. Один процессор управляет работой всех остальных, т.е. берет на себя функции распределения задач и ресурсов, организует необходимую передачу информации, производит переназначение задач, в случае выхода из строя какого-либо процессора, отключение непосредственных устройств и т.д. Остальные процессоры выполняют только функции непосредственной обработки. Операционная система такого МПВК получается достаточно простой: функцию управления выполняет один процессор, конфликты из-за ресурсов отсутствуют, каждый процессор располагает своим набором различных таблиц, что упрощает организацию параллельных процессов.

Ведущий процессор может ничем не отличаться от остальных – просто его функции выполняет любой назначенный процессор. В случае отказа ведущего процессора производится его переназначение. К недостаткам организации «ведущий-ведомый» следует отнести ее малую гибкость. При большом потоке коротких задач ведущий процессор может не справляться с распределением задач между процессорами, что приводит к их простоям. МПВК с организацией «ведущий-ведомый» в наибольшей степени подходит для создания специализированных систем, в которых недостатки такой организации могут быть заранее учтены.

В случае организации с раздельным выполнением заданий в разных процессорах, все процессоры равноправны и выполняют, как супервизорные, так и исполнительские функции. Однако, процессоры несвободны в выборе задач, то есть задачи им назначаются. Практически задачи и ресурсы распределяются заранее между процессорами. Представляет трудности повторный запуск программ, выполняемых отказавшими процессорами. В МПВК с раздельным выполнением заданий возникает мало конфликтов, т.к. ресурсы распределены заранее и любой процессор имеет собственный набор таблиц. При такой организации трудно обеспечить равномерную загрузку процессоров и других устройств, т.к. практически невозможно все просчитать заранее. Поэтому может быть простой оборудования. Такая организация обработки информации в МПВК делает его похожим на ММВК. Однако есть и существенные отличия: ресурсы используются гораздо эффективнее, резервирование (для повышения надежности) может быть осуществлено проще и эффективнее за счет того, что все процессоры используют общие ресурсы.

В наибольшей степени все преимущества МПВК проявляются при симметричной или однородной обработке. Все процессоры имеют максимальную самостоятельность. В комплексе не существует предварительного распределения заданий между процессорами, любой из них при освобождении выбирает себе новую задачу из общей очереди. Нет предварительного распределения ресурсов, процессоры сами набирают их, исходя из потребностей решаемой задачи. При симметричной обработке на любой процессор могут возлагаться и общесистемные, и супервизорные, и исполнительные функции. Основными недостатками являются большое число конфликтов и сложность ОС.

Сложность ОС МПВК состоит в следующем. В МПВК имеет место не только совмещение (как в однопроцессорной ЭВМ), но и одновременная обработка информации несколькими процессорами по нескольким программам. Это приводит к усложнению всех процессов. Во-первых, это приводит к множеству конфликтов при обращении к памяти.

Во-вторых, ОС МПВК должна осуществить автоматическое реконфигурирование комплекса (перераспределение ресурсов), что осложняет ОС.

Достаточно сложна задача синхронизации параллельных процессов. Неприятным моментом в МПВК являются «тупики», образующиеся в случаях, когда для двух и более задач с одинаковыми приоритетами требуются одни и те же ресурсы. «Тупики» преодолеваются с помощью операционной системы. Проблемой также является защита информации, т.к. системные таблицы, некоторые наборы данных могут использоваться несколькими процессорами. Таким образом, ОС МПВК имеет довольно сложную структуру.

Сравнение ММВК и МПВК.

Оцениваются следующие характеристики: надежность, производительность, гибкость, сложность ОС, экономичность, эффективность.

По параметру надежности МПВК имеют явное преимущество: в ММВК резервирование осуществляется по машинам, а в МПВК- по устройствам. МПВК может обеспечить большую надежность при том же объеме оборудования.

Оценку производительности выполнить сложно. Рассмотрим два варианта нагрузки комплекса. В первом варианте в ВК поступает большой поток несвязанных задач с небольшим объемом вычислений. Во втором варианте комплекс нагружается крупноразмерными задачами, число которых может быть и невелико, но с большим объемом вычислительной работы.

При первом варианте нагрузки работы ЭВМ в ММВК практически мало отличается от режима автономной работы: любая ЭВМ работает независимо от других. Существующие связи между ЭВМ используется только с целью обеспечения надежности. Объем информации, передаваемой между ЭВМ, незначителен и, следовательно, малы затраты на обмен. В результате производительность такого ВК равна суммарной производительности ЭВМ, то есть наблюдается линейный рост производительности.

В МПВК при этом варианте из-за общедоступности всех ресурсов возрастает число конфликтов, то есть число простоев и производительность растет нелинейно в зависимости от числа процессоров. Операционная система здесь гораздо сложнее, что тоже ведет к потерям. Экспериментальные оценки показывают, что при подключении второго процессора производительность повышается на 60-80%(а не вдвое), а третьего - дает прирост в 2,1 раза, а не втрое.

При втором варианте задачи могут быть распараллелены, но после должны решаться совместно, то есть ветви сильно связаны. В этих условиях организация решения на ММВК является сложной задачей, так как каждая ЭВМ работает под управлением своей ОС; то есть надо делать надстройку над ОС. Если надстройка принадлежит какой-либо ЭВМ, то такая ЭВМ становится центральной (надежность снижается). Если надстройка общая, то ММВК превращается в МПВК. В ММВК при втором варианте наблюдается значительный объем обменной информации, что ведет к потерям производительности. Поэтому при решении больших задач производительность ММВК мало увеличивается с ростом числа ЭВМ.

Для МПВК решение таких задач не приводит к дополнительным затратам. Конечно, решение сложных задач с параллельной обработкой требует сложной ОС. Таким образом, при решении больших задач производительность МПВК больше производительности ММВК при равном числе процессоров.

Все это показывает, что однозначно отдать предпочтение той или иной системе по производительности нельзя. Все зависит от характера решаемых задач.

По гибкости, то есть способности к реконфигурациям , МПВК существенно превосходит ММВК. В ММВК все новые конфигурации сводятся к подключению или отключению ЭВМ. В МПВК возможно множество конфигураций.

ОС МПВК гораздо сложнее ОС ММВК. В связи с тем, что стоимость аппаратуры снижается, стоимость программного обеспечения приобретает все больший вес в затратах на создание ВК.

Таким образом, однозначно ответа на вопрос о преимуществах того или иного способа организации дать нельзя. В каждом конкретном случае это должно решаться в зависимости от требований по надежности, производительности, от характера задач и рабочей нагрузки.