Производительность мультипроцессорных систем с общей и индивидуальной памятью (режимы разделения нагрузки и разделения функций)

Для увеличения производительности в состав ВС может вводиться несколько процессоров, способных функционировать параллельно во времени и независимо друг от друга и наряду с тем взаимодействовать между собой и с другим оборудованием системы. ВС, содержащие несколько процессоров, связанных между собой и с общим для них комплектом внешних устройств, называются мультипроцессорными системами (МПС).

Производительность МПС увеличивается по сравнению с однопроцессорной системой за счет того, что мультипроцессорная организация создает возможность для одновременной обработки нескольких задач или параллельной обработки различных частей одной задачи.

В ряде случаев требуется обеспечить непрерывность функционирования системы во времени. Это означает, что отказ в любом устройстве ВС, в том числе и в процессоре, не должен приводить к катастрофическим последствиям, т.е. система должна сохранять работоспособность и после отказа. В таком случае все устройства ВС должны быть по крайней мере задублированы и система должна содержать не менее двух процессоров, т.е. строиться как МПС.

Наиболее существенен в структурной организации МПС способ связи между процессорами и памятью системы. В этом аспекте МПС разделяются на МПС с памятью общей (полнодоступной) и индивидуальной (раздельной).

МПС с общей памятью. В МПСс общей памятью каждый из процессоров имеет доступ к любому модулю памяти, которые могут функционировать независимо друг от друга и в каждый момент времени может выполняться одновременные обращения с целью записи или чтения слова информации, число которых определяется числом модулей. Конфликтные ситуации (обращение к одному и тому же модулю памяти) разрешаются коммутатором, начинающим обслуживать первым устройство с наибольшим приоритетом, например, процессор с наименьшим номером. Каждый из процессоров может инициировать работу любого канала ввода/вывода.

Структура МПС с общей памятью наиболее универсальна: любая информация, хранимая в памяти системы, в равной степени доступна любому процессору и каналу ввода/вывода. Отрицательное свойство МПС с общей памятью – большие затраты оборудования в коммутаторах (эти затраты пропорциональны произведению числа устройств, подключенных к памяти, и числа модулей памяти).

МПС с индивидуальной памятью. В МПСс индивидуальной памятью каждый из процессоров обращается в основном к своему модулю памяти. Для обмена данными между подсистемами «процессор – модуль памяти» в процессорах предусмотрены блоки обмена, обеспечивающие передачу сегментов информации между общей памятью и модулем памяти. При этом блок обмена может работать как селекторный канал: операция обмена инициируется процессором и передача данных выполняется с параллельной работой последнего. Принцип индивидуальной памяти позволяет исключить коммутаторы в интенсивно используемом канале «процессор – модуль памяти», вследствие чего увеличивается номинальное быстродействие процессоров и уменьшаются затраты оборудования по сравнению с общей памятью. Отрицательным последствием разделения памяти между процессорами является потеря ресурсов быстродействия в процессе обмена информацией между модулями памяти и общей памятью системы. Потери возникают, во-первых, из-за возможных приостановок работы процессоров для ожидания моментов оончания обмена данными с общей памятью и, во-вторых, из-за дополнительной загрузки модулей памяти операциями обмена.

Если класс задач, решение которых возлагается на МПС, таков, что работа каждого процессора связана с использованием в основном ограниченного подмножества данных и обращение к остальным данным происходит сравнительно редко, то индивидуализация памяти приводит к экономии оборудования и обеспечивает высокое номинальное быстродействие процессоров в системе. В противном случае, когда каждый из процессоров почти равновероятно обращается к любому сегменту данных, МПС должна строиться по схеме с общей памятью, исключающей необходимость в обмене информацией между модулями памяти.