Типы структурной организации многопроцессорных вычислительных комплексов
Существует три основных типа структурной организации МПВК
- с общей шиной;
- с перекрёстной коммутацией;
- с многовходовой шиной.
В комплексах с общей шиной проблема связей всех устройств между собой решается крайне просто. Все они соединены общей шиной, по которой передается информация, адреса и сигналы управления. Интерфейс является односвязным, т.е. обмен информацией в любой момент времени может происходить только между двумя устройствами. Если потребность в обмене присутствует более чем у двух, возникает конфликтная ситуация, которая решается при помощи системы приоритетов и организации очередей. Обычно функции арбитра выполняет либо процессор, либо специальное устройство, которое регистрирует все обращения к общей шине и распределяет шину во времени между всеми устройствами. Несомненным достоинством структуры с общей шиной является простота. Это - прежде всего простота изменения комплекса, т.е. добавление и удаление устройств; доступность модулей памяти для всех остальных устройств. Следствием этого является низкая стоимость такого комплекса.
Недостатки комплексов с общей шиной:
1) невысокое быстродействие, т.к. одновременный обмен информацией возможен только между двумя устройствами, не более. По этой причине в комплексах с общей шиной число процессоров, как правило, не более двух-четырёх. Он может быть исправлен путём использования общей шины с высоким быстродействием, большим, чем быстродействие входящих в комплекс устройств. Однако это приводит к усложнению и удорожанию комплекса.
2) относительно низкая надёжность систем из-за наличия общего элемента - шины. Этот недостаток можно исправить за счёт введения резервной шины. Хотя это несколько усложняет комплекс, однако надежность его возрастает. Если же резервную шину сделать активной, то есть работающей вместе с основной, то можно не только повысить надежность, но и увеличить производительность комплекса.
Характерные особенности многопроцессорного вычислительного комплекса с общей шиной:
1. Такая структура обеспечивает наименьшую общую стоимость системы.
2. Такая структура обеспечивает наименьшую сложность.
3. Изменение конфигурации оборудования не вызывает каких либо трудностей (простота изменения).
4. Общие возможности системы ограничены скоростью передачи информации через шину.
5. Отказ шины приводит к отказу всей системы.
6. Расширение системы путём добавления функциональных устройств может привести к уменьшению производительности системы.
7. Достижимая эффективность системы при одновременном использовании всех готовых рабочих устройств является наиболее низкой по сравнению с другими типами структур многопроцессорных систем.
8. Структура с общей шиной может быть рекомендована только для сравнительно малых систем.
Рассмотрим теперь многопроцессорные вычислительные комплексы с перекрёстной коммутацией. Идея структурной организации таких вычислительных комплексов заключается в том, что все связи между устройствами осуществляются с помощью специального устройства – коммутационной матрицы. Коммутационная матрица позволяет связывать друг с другом любую пару устройств, причём число таких пар может быть сколько угодно. Связи не зависят друг от друга.
В многопроцессорных вычислительных комплексах с перекрёстной коммутацией нет конфликтов из-за связей. Остаются только конфликты из-за ресурсов. Возможность одновременной связи нескольких пару устройств позволяет добиваться очень высокой производительности комплекса. Важно отметить и такое обстоятельство, как возможность установления связи между устройствами на любое длительное время. Так как это совершенно не мешает работе других устройств, за то позволяет передавать любые массивы информации с высокой скоростью.
К достоинствам структуры с перекрёстной коммутацией можно отнести простоту интерфейсов всех устройств, а также возможность разрешения всех конфликтов в коммутационной матрице. Важно отметить, что нарушение какой-то связи приводит не к выходу из строя всего комплекса, а лишь к отключению какого-либо устройства. Таким образом, надежность таких комплексов достаточно высока.
К недостаткам комплексов с такой структурой можно отнести прежде всего сложность наращивания вычислительного комплекса. Если в коммутационной матрице заранее не предусмотреть большого числа входов, то введение дополнительных устройств потребует установки новой коммутационной матрицы. Существенным недостатком является то, что коммутационная матрица, при большом числе устройств, становится сложной, громоздкой и достаточно дорогостоящей. Тут надо учитывать, что коммутационные матрицы строятся обычно на схемах, быстродействие которых существенно выше быстродействия схем и элементов основных устройств.
Характерные особенности
Системы с перекрёстным коммутатором имеют следующие характерные особенности:
1) такая система характеризуется наибольшей сложностью внутренних связей;
2) функциональные устройства являются наиболее простыми и дешёвыми, поскольку логика управления и коммутации реализуется коммутатором;
3) такая организация используется только в многопроцессорных системах, поскольку основная коммутационная матрица требуется для объединения некоторых функциональных устройств в рабочей конфигурации;
4) такая организация обеспечивает потенциально наиболее высокую общую скорость передачи информации;
5) расширение системы обычно приводит к увеличению её общей производительности;
6) такая организация обеспечивает потенциально наиболее высокую эффективность системы;
7) такая организация позволяет наращивать систему без перепрограммирования операционной системы;
8) расширение системы ограничено только размерами матричного коммутатора;
9) надёжность коммутатора и следовательно системы в целом может быть повышена посредством сегментации и/или введения избыточности в рамках коммутатора;
10) такая организация позволяет обычно без каких-либо трудностей удалить из системы плохие функциональные устройства и разделить систему на несколько отдельных подсистем.