Лекция: ПРИМЕРЫ СХЕМ АРБИТАЖА
Мультипроцессорные системы разделяются на два класса – симметричные и асимметричные ВС /1,2/. Симметричные мультипроцессорные системы позволяют получить лучшие эксплуатационные характеристики по сравнению с асимметричными системами, но увеличение числа процессоров (масштабирование) в симметричных системах требует решения ряда фундаментальных задач.
Сложной проблемой в симметричных мультипроцессорных системах является управление доступом многих равноправных и независимых процессоров к общим системным ресурсам – памяти, устройствам ввода-вывода, системной шине. Поэтому в симметричные вычислительные системы вводят специальные аппаратно-программные средства, осуществляющие арбитраж /13,14/. Система арбитража получает запросы от процессоров на системные ресурсы, формирует разрешения тем или иным процессорам на основе принятых критериев, например приоритетов.
Существуют различные системы арбитража: централизованные параллельный или последовательный, централизованный или децентрализованный опрос, децентрализованный арбитраж и ряд других /2-5/, отличающихся сложностью, временем арбитража, возможностью перепрограммирования в процессе работы.
При централизованном арбитраже в ВС имеется специальное устройство – контроллер арбитра, ответственное за предоставление доступа к шине только одному из запросивших ведущих модулей (процессоров).
централизованном параллельном арбитраже
Получив запрос от ведущего модуля, приоритет которого выше, чем у текущего ведущего, контроллер арбитра снимает сигнал разрешения шины на входе текущего ведущего модуля и выдает сигнал разрешения шины запросившему ведущему. В свою очередь, текущий ведущий, обнаружив, что контроллер арбитра снял с его входа сигнал разрешения шины, завершает передачу информации по шине, снимает сигналы запроса и занятости шины. После этого запросивший шину ведущий модуль получает право управления шиной, т.е. доступ к системным ресурсам. Эта система арбитража выгодно отличается высоким быстродействием и гибкостью, так как допускает динамическое изменение приоритетов модулей путем перепрограммирования контроллера арбитра. Однако эта система имеет повышенную сложность и стоимость из-за большого числа линий арбитража, которые требуется ввести в системную шину.
централизованном последовательном арбитраже
централизованного опроса
При децентрализованном или распределенном арбитраже единый контроллер арбитра отсутствует. Каждый ведущий модуль содержит локальный контроллер арбитра, управляющий доступом к шине своего модуля. Эти локальные контроллеры взаимодействуют друг с другом, разделяя между собой ответственность за доступ к шине. По сравнению с централизованным арбитражем децентрализованный более надежен, т.к. отсутствует единственная точка отказа.
(разреш. шины N) = (запр. шины N); ____________
(разреш. шины N-1) = (запр. шины N-1)&(запр. шины N);
____________ ______________
(разреш. шины N-2) = (запр. шины N-2)&(запр. шины N)&(запр. шины N-1) и т.д.
Получив сигнал разрешения шины, контроллер арбитра анализирует состояние линии занятости шины и, если шина свободна, занимает шину и формирует сигнал занятости шины.
Вне зависимости от принятой системы арбитража должна быть реализована стратегия ограничения времени использования шины каждым из ведущих модулей. Одним из вариантов является разрешение ведущему занимать шину в течение одного цикла шины с предоставлением ему возможности конкуренции за шину в последующих циклах.
Сложной проблемой в симметричных мультипроцессорных системах является создание высокоскоростной коммуникационной среды, посредством которой осуществляется доступ процессоров к общим системным ресурсам, и межпроцессорный обмен сообщениями. Типовые системные шины, например PCI, PCI-X, имеют недостаточную скорость обмена, а коммутаторы, многопортовая память и специальные высокоскоростные сети сложны и дороги для широкого применения /4,5/. Одним из возможных решений этой проблемы является выделение для каждого из процессоров вычислительной системы локальных ресурсов – памяти и каналов ввода-вывода, которые подключаются к процессору с помощью локальных шин. Этими локальными ресурсами каждый из процессоров владеет монопольно, что сокращает число обращений к общим системным ресурсам и снижает требования к пропускной способности коммуникационной среды. По сути наблюдается переход от мультипроцессорных к мультикомпьютерным системам, реализуемым на основе высокоскоростных сетей – к кластерным системам /4,5/. Если в качестве коммуникационной сети используется типовая локальная сеть, такая вычислительная система называется распределенной.