Многопроцессорная однородная обра-
Ботка
В качестве примера, иллюстрирующего этот режим обработки, мы выбрали отечественный вычислительный многопроцессорный комплекс, имевший название «Эльбрус». При разработке комплекса ставилась задача обеспечить большие объемы ответственных вычислений с высокой производительностью и надежностью. Первая версия комплекса в максимальной комплектации предполагала содержать до десяти процессоров. Для исключения большого числа конфликтов из-за ресурсов было увеличено их число и приняты другие меры. Увеличено число модулей оперативной памяти, каждый процессор снабжался быстродействующей памятью большой емкости (теперь это называется кэш-памятью), комплексы обеспечивались внешними запоминающими устройствами на магнитных дисках и магнитных лентах, большим количеством периферийных устройств. Наличие кэш-памяти существенно уменьшило число обращений процессоров к оперативной памяти, а, следовательно, простои из-за ожидания команд и данных. Использование в качестве машинного языка алгоритмического языка высокого уровня позволило уменьшать длину программ (в некоторых случаях в 2 – 3 раза). Аппаратная реализация наиболее часто выполняемых функций операционной системы (ОС) позволили уменьшить затраты ресурсов на ОС.
Основные функции диспетчера ОС были реализованы аппаратными средствами, что позволило освободить процессоры от рутинных операций, связанных с организацией очередей, обменом данными между процессорами, уменьшить число обрабатываемых ОС прерываний. Схема архитектуры комплекса «Эльбрус» представлена на рисунке 3.13.
Оперативная память организована в виде многовходовой модульной структуры – 32 модуля. Модули памяти объединяются четверками общим коммутационным модулем (КМ – всего 8 шт.), которые подключают любой модуль памяти к десяти центральным процессорам (ЦП) и четырем процессорам ввода-вывода (ПВВ). Периферийное оборудование: накопители на магнитных дисках (НМД), лентах (НМЛ) и барабанах (НМБ), устройства ввода-вывода и передачи данных (ПУ), подключаются к центральной час-
ти комплекса через специализированные процессоры ввода-вывода ПВВ. Каждый, из процессоров ввода-вывода снабжен буферной памятью (ЗУ), арифметико-логическим устройством (АЛУ), и управляется командами центрального процессора (ЦП).
 |
Процессоры ввода-вывода обеспечивают скорость обмена с оперативной памятью до 36 Мбайт/с и реализуют аппаратно функции ОС по управлению ПУ. Каждое ПУ имеет несколько путей доступа к ПВВ и последнее определяет, какой из них может быть заствован в данный момент, а также состояние обмена или резерва.
Устройствами ввода-вывода является практически весь комплекс устройств ЕС ЭВМ, в том числе печатающие, перфокарточные, перфоленточные и графические устройства, а также ряд импортных. Представляют интерес накопители на магнитных барабанах. Они являются специализированными устройствами для «Эльбруса», работают быстрее накопителей на магнитных дисках, и имеют следующие параметры: емкость барабана – 4,2 Мбайт, среднее время доступа – 5,5 мс, скорость обмена 3,6-3,8 Мбайт/с. Для повышения надежности хранения информации за счет своевременного обнаружения ошибок, в НМБ и НМД используются корректирующие коды.
Все устройства комплекса работают параллельно и независимо друг от друга и охвачены аппаратным контролем. При возникновении отказа устройства, операционная система на основании полученных об этом сигналов, реконфигурирует комплекс, ис-
ключая из него неисправное устройство. После восстановления, устройство вновь включается в комплекс. Процессоры комплекса имеют производительность до 1,5 млн. операций в секунду и имеют следующие времена выполнения основных операций:
- сложение с фиксированной точкой – 520 нс;
- сложение с плавающей точкой – 780 нс;
- умножение 32-разрядных чисел – 780 нс;
- умножение 64-разрядных чисел – 1300 нс;
- выполнение логических операций – 520 нс.
Комплексы «Эльбрус» являются классическими многопроцессорными не только по структуре, но и по способу организации обработки информации. Все задания находятся в общей очереди или при использовании приоритетов в нескольких очередях. Процессор, выполнив свою часть работы, немедленно обращается к очереди и выбирает первый из процессов.
К недостаткам «Эльбруса» можно отнести его громоздкость, значительное энергопотребление и огромное тепловыделение. Печатные платы процессоров пришлось охлаждать проточной водой. Комплекс требовал мощных систем кондиционирования и вентиляции, строительство градирен. Далее версия (вариант) - Эльбрус-2» должен был обеспечить производительность более 100 млн. операций в секунду, то есть примерно в 10 раз большую, чем предыдущий вариант. Главное заключается в том, что комплексы эксплуатировались, выполняя значительные объемы вычислений в самых важных научных направлениях и производственных областях.