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1、并行机紧耦合松耦合系统原理构成以及存储体系结构姓名：班级：学号：并行机紧耦合松耦合系统原理构成以及存储体系结构摘要 计算机发展的趋势是越来越先进，越来越高级。从数据处理、信息处理到知识处理，最 终到智能处理，每前进一步，都要求增强计算机系统的处理能力。计算机发展的历史表明： 为了达到高性能，除了必须提高元器件的速度外，系统结构的改进是另一种重要途径，特别 是当元器件的速度达到极限时，改进系统结构就成为问题的焦点。对此，了解紧耦合松耦合 系统原理构成以及存储体系结构十分重要。AbstractTrends in computer development is more advanced, more
2、 and more advanced. From the data processing, information processing to knowledge processing, eventually to the intelligent processing. Every step, require enhanced processing capabilities of the computer system .The history of computer development shows that in order to achieve high performance, in
3、 addition to the need to improve the speed of external components. Improved system architecture is another important way. In particular, when the speed limit is reached components. Improved system architecture has become the crux of the problem. Therefore，learn tightly coupled and loosely coupled sy
4、stems theory constitutes storage architecture is very important.关键字：紧耦合；松耦合；存储体系；Cache 一致性一多处理机系统多处理机系统是由多台处理器组成的计算机系统。多处理机系统可分为两大类：基于共 享存储的多处理机系统和基于分布式存储的多处理机系统。前者称为紧耦合多处理机系统， 而后者称为松耦合多处理机系统。多处理机系统也成为并行计算机系统。并行机上使用的操作系统称为并行操作系统。 并行机性能的发挥在一定程度上依赖于操作系统的支持，目前并行计算机的操作系统大 都是以为单处理机系统设计的UNIX操作系统为基础的。对于并行机
5、来说，这并不是真正的 并行操作系统。并行操作系统与传统的单机操作系统的主要区别在于前者在资源调度与管理 进程同步与通信等方面比后者具有更强的功能，因而实现起来也就更为复杂。多处理机系统是由单处理机系统演变而来的。虽然不能排除重新设计、开发并行操作系 统的可能性，但是人们继承已有软件的愿望是不能忽视的。因此，在单机系统下运行的软件 应该能自然地、很少修改地在多机系统下运行。这是衡量一个多机系统是否成功的重要标志。二紧耦合系统21 紧耦合（Tightly Coupled各处理机之间通过快速总线或开关阵列相连，共享内存，整体系统由一个统一的 OS 管 理。通过高速总线或高速交叉开关，实现多个处理器之
6、间的互连。系统中的所有资源和进程， 都由操作系统实施统一的控制和管理该类型的系统有两种方式：（1） 多处理器共享主存储器系统和I/O设备；（2） 将多处理器与多个存储器分别相连，或将主存储器划分为若干个能独立访问存 储器模块，每个处理器对应一个存储器或存储器模块，而且每个处理器只能访 问其所对应的存储器或存储器模块，以便多个处理机能同时对主存进行访问。2.2 原理构成一般所说的多处理机主要还是指的紧耦合多处理机，它是通过共享主存来实现处理机之 间的通信的。系统中的各台处理机，既可以共同执行一个任务，也可以同时执行多个任务。 所有的处理机或者通过同一通道，或者通过不同的通道，共享一批处理输入输出
7、设备。整个 系统由一个统一的操作系统来管理，各个处理机之间在作业、程序、任务、文件盒和数据连 接，处理机间的数据通信速率将受限于主存的频宽，而处理机的个数将受限于处理机-主存 互联网络带宽以及多台处理机同时访问主存所引起的冲突概率。为了减少发生访问主存冲突，多处理机的主存都采用摸m多体交叉存取。模数m越大， 发生冲突的概率越低，但必须注意解决好数据在各存储器模块中的定位和分配。可以让各处 理机自带一个小容量的局部存储器，存放该处理机运行进程的核心代码和经常使用的操作系 统表格，来进一步减少访问主存的冲突。也可以让处理机自带高速缓冲存储器Cache，减少访问主存的次数。上面这些办法通常被综合使用
8、，以提高系统的性能。2.3紧耦合系统的结构图2.1 (a)和(b)是两种紧耦合多处理机系统的基本结构形式。两种形式的主要区别 是处理机是否自带专用 Cache。中断信号互连网络ISINLM-IULM专用Cache处理机/存储器 互连网络 PMIN共享存储器模块a)I/O通道I/O-处理机互连网络IOPIN01d-1DMA及缓冲器亠 1ln-1ln-1 1L0Lm-1共享存储器模块流水线工作( b)图 2.1 紧耦合多处理机系统的结构由图2.1可以看出，该系统由p台处理机、m个存储模块和d个I/O通道组成。通过处 理机-存储器互连网络、I/O-处理机互连网络和中断信号互连网络进行互连。处理机-存
9、储器互连网络实现各处理机与各存储模块的连接，使之经仲裁后，每个存储模块在一个存储周期只能相应一台处理机的访存请求。为了减少多台处理机同时访问同一存 储模块的冲突，存储器模块数m应等于或略大于处理机数p。每台处理机自带一个局部存储 器的方案，不仅可以减少访问主存的信息量，降低访问主存冲突的概率，也可以减少处理机 -存储器互连网络的使用冲突。如果同时自带专用Cache，就可以进一步减少这类冲突。存 储器映像模块用于控制将处理机访问地址映像到局部存储器、专用Cache或主存模块。至于 存储器的每个模块，又可以是由按流水方式工作的多个子模块构成。2.4对称多处理机系统和非对称多处理机系统处理机和连接外
10、设的I/O通道通过I/O-处理机互连网络进行通信。能实现各处理机与各 I/O通道之间完全连接的对称型的互连网络，尽管有很大的连接灵活性，但成本高。所以多 数处理机还是采用非对称型的互连，即连到一台处理机的设备是不能被其他处理机直接访问 的。图2.2就是非对称型I/O子系统的多处理机的结构。在非对称的 I/O 子系统中，一旦某一处理机失效，它所连接的外设就无法被其他处理机 所使用。这是对称I/O子系统所不会发生的。然而，很多多处理机系统都是通过采用适当的 冗余连接，在一定程度上克服了这一缺点。图2.3 就是一个采用冗余连接的非对称子系统的例子。在此例中，处理机1发生故障时，处理机p仍可访问IOP
11、。当然这是以增加一个多 通路仲裁逻辑为代价的。设备 . 设备 设备图 2.2 具有非对称 I/O 子系统的多处理机图2.3采用冗余连接的非对称I/O子系统p三松耦合系统3.1 松耦合（Loosely Coupled各处理机带有各自的存储器、I/O设备和操作系统，通过通道或通信线路相连。每个处 理机上独立隐形 OS。通过通道或通信线路，来实现多台计算机之间的互连。每台计算机都有自己的存储器和 I/O设备，并配置了 OS来管理本地资源和在本地运行的进程。每一台计算机都能独立地工 作，必要时可通过通信线路与其它计算机交换信息，以及协调它们之间的工作。3.2 原理构成在构成松耦合的多处理机系统中，每台
12、处理机都有一个容量较大的局部存储器，用于存 储经常要用到的指令和数据，以减少紧耦合系统中存在的访问主存冲突。不同处理机间或者 通过通道互连来实现通信，以共享某些外部设备；或者通过消息传送系统 MTS(Message Transfer System)连接，来交换信息，这是各台处理机可带有自己的外部设备。消息传送系 统通常采用简单的分时总线或环形、星形或树形拓扑结构。松耦合多处理机系统比较适合于作粗粒度的并行计算，处理的作业被分割成若干相对独 立的任务，在各个处理机上并行执行，而各任务间的信息流量较小。如果各处理机任务间交 互作用很小，这种耦合很松的系统是很有效的，常常可以把它看成是一个分布式系统
13、。3.3松耦合系统的结构3.3.1 非层次型图 3.1 是一个典型的、通过消息传送系统进行互连的松耦合非层次型多处理机系统。该 系统有n个计算机模块(或称节点)。每个计算机模块中有处理器CPU、局部存储器LM(Local Memory)和一组I/O设备。此外，还有一个与消息传送系统MTS的接口部件，即通道和仲 裁开关CAS (Channel and Arbiter Switch),用于对两个或多个计算机模块同时请求访问MTS 的某个物理段时进行仲裁。按照一定的算法，选择其中的一个请求并延迟其他的请求，直至 被选择的请求服务完成。CAS的通道中，有一个高速通信存储器来缓冲传送的请求块，该通信存储
14、器经MTS可 被所有的处理机所访问。 MTS 可以是一个单总线，让各通信存储器连到此时使用的单总线 上。由于总线上数据传送的速度要求不是很高，其互连网络成本又比紧耦合的低，因而可以 构成由数百台到数千台微处理机相连的多处理机系统。 MTS 也可以是一个共享的存储器系 统，此时可由一组存储模块和一个处理机-存储器互连网络来实现或由一个多端口存储器来 实现。采用多端口存储器形式互连，开关的仲裁和选择逻辑被分布于存储器的模块之中。在 这种松耦合多处理机系统中，处理机数目一般很小，在松耦合的处理机系统中，不同处理机 上的任务之间的通讯都是通过通信存储器进行的，而同一处理机内的各任务之间的通讯则只 需经
15、过局部存储器即可完成。计算机模块0计算机模块N-1图 3.1 通过消息传送系统连接的松耦合多处理机结构3.3.2 层次型常采用多级总线实现层次连接。像卡内基-梅隆大学设计的松耦合多处理机C*m则是一 m 个层次型总线形式的多处理机系统，其结构如图3.2 所示。所有计算机模块通过两级总线按 层次连接。Map总线可连多达14个计算机模块C,构成一个计算机模块组，以加强组内各 处理机间的协作，用低的通信开销来实现数据共享。连到Map总线的K，是系统内各计 map 算机模块组间的连接器。多个模块组间为提高可靠性，通过两条 intercluster 组间总线，连接成一个完全的 C* m 系统，采用包交换作为通信手段。图 3.2 松耦合多处理机 C *m 的系统结构PM I/OL四存储体系结构4.1存储器的组织由 m 个存储器模块构成的并行存储器，存储单元的地址是按交叉方式编址的。这种地 址交叉编址方式，主要有低位交叉和高位交叉两种。m个模块的低位交叉编址方式如图4.1所示，由主存物理地址的低logm位代码选择模 块，高logn位代码选择模块内的单元，整个存储器存储单元按物理地址顺序轮流地分布在 各个存储器模块中，模块内部顺序单元的物理地址不连续，其步距为m。模块2m+1im+1主存物理地址模块内部单元号模块号1Log n位
