计算机体系结构论文

计算机体系结构论文

论文题目：计算机系统结构中多处理机技术 姓名： 班级： 学号：

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摘要：多处理机是指能同时执行多个进程的计算机系统.多处理机通过共享的主存或输入/

输出子系统或高速通信网络进行通信。利用多台处理机进行多任务处理，协同求解一个大 而复杂的问题来提高速度，或者依靠冗余的处理机及其重组能力来提高系统的可靠性、适应性和可用行。该文介绍了微处理器的发展、多处理机的总线以及处理机系统中通信和存储技术的发展和两种特殊的多处理机系统结构，以及现今几种典型的并行计算机体系结构及处理机分配与调度策略。而本篇论文主要根据所阅读的文章进行扩展延伸，主要介绍了多处理机技术，它的总线以及分配调度方面。

关键字：多处理机；体系结构；总线；调度

引言：

微电子技术和封装技术的进步，使得高性能的VLSI微处理器得以大批量生产，性能价格比不断合理，这为并行多处理机的发 展奠定了重要的物质基础。计算机系统性能增长的根本因素有两个：一个是微电子技术，另一个是计算机体系结构技术。五十年代以来，人们先后采用了先行控制技术、流水线技术、增加功能部件甚至多机技术、存储寻址和管理能力的扩充、功能分布的强化、各种互联网络的拓扑结构以 及支持多道、多任务的软件技术等_系列并行处理技术，提高计算机处理速度，增强系统性能。多处理机体系结构是计算机体系结构发展中的一个重要内容，已成为并行计算机发展中人们最关注的结构。

多处理机的介绍：

多处理机是指能同时执行多个进程的计算机系统。

由于超大规模集成电路(VLSI)技术迅速发展的结果，多处理技术能够充分地发挥高性能的32位微处理机的有效性，用大量低价格的部件配置高性能 的计算机结构系统.以典型的

VAX11-780计算机系 统为例，它大约每秒执行101条指令(MIPS),大型中央处理机（CPU)每

秒执行5?10X106条指令,超级计算机毎秒执行50?10X106条指令.现在，正在进行的许多研究课题是将64台每秒可执行10*条指令的处 理机SB置为多指令流多数据流（MIMD)系统.在某些应用场合，它甚至可以达到超级计算机的性能，但价格仅相当于VAX或小型中央处理机。

多处理机的分类：

当前多处理机系统结构主要分成以下三类：

（1）紧耦合的共享内存对称多处理机系统:包 含一个处理机集合，共享一片物理内存，操作系 统的同一副本可以对称地在各个处理机上运行， 且共享同一片系统数据结构空间。进程内多线程 模型就是以这种体系 结构为背景提出来的，由于多线程共享用户进程虚空间，特别适合于中小粒度的 并行任务实现。如图1所示。

（2）松耦合多处理机簇：利用高速网络将各独立计算机互联，各个计算机拥有自己的内存及操作系统副本，各个计算机物理配置能力一致在系统功能分工上，有一主控节点，负责处理机资 源分Si这种体系结构适合独立并行作业或大粒 度并行任务实现，各节点任务通过消息通讯传送 同步消息，如利用PVM MPI通讯库传送消息。如图2所示

图1

图2

(3)多处理机池结构：通常大规模并行处理机采用这种结构，后台的处理机池专门用于并行任务的运行，前台拥有控制、I/O等节点控制节点负责处理机的分配，与多处理机簇不同的是，一但一个用户作业的多任务占用了处理机池内的若 干处理机，在并行作业没完成之前，不再分配其 它作业占用这些处理机后台的处理机存储在实现上有两种方式：一种是完全分布的存储器，即 每个处理机拥有一个独立的存储器；一种是拥有 一个分布共享的存储空间，各处理机拥有存储器 但由硬件支持实现一个线性编址共享的物理存储空间如图3所示。

图3

多处理机的总线：

目前，在多处理机系统中有两种主要的连接方式：一种是共享存贮器的的多处理机系统，另一种是消息传递的分布式多处理机 系统。由于专用信号处理系统一般要求结构紧凑，在满足实时性要求的前提下，对系统资源的利用率要求放在比较次要的位置上，故其操作系统简单实用，不具备消息传递的多处理机系统中的复杂的消息寻径能力；另外，由于信号处理场合的大计算量要求，系统内处理机比较多，单纯的共享总线结构效率不高。因此，共享总线结构和分布式结构相结合是一种发展趋势。大多数多处理机系统的互连结构都会趋于同一基本形式，处理机之间交换数据会因为没有通信口的原因必须通过共享存贮器，其处理效率随着处理机数目增加而下降。

在通信和存储技术上的发展：

在通信技术上的发展，新型的多计算机系统采用的是虫蚀寻径方式，它克服了上述的缺点。包被进_步分成更小的片，每个片相当于虫的_个节，“蠕 动”是以节为单位顺序地向前爬行。只有头片知道包发往何处，所有数据片必须跟着头片。不同的包可交替地传送，但不同包的片不 能交叉，否则它们可能被送到错误的目的地。每个消息中的片以流水方式在网络中向前“蠕动”。当消息的头片到达一个节点A的寻径器后，寻径器根据头片的寻径消息立即作出路由选择。虫蚀寻径通信技术作为一种新型的消息通信方式，具有很好的应用前景。 在存储技术上的发展，目前新型计算机逐渐衍生出了虚拟存储器。新型系统有种叫全Cache存储系统，就是不用主存，只用Cache和辅存两种存储器构成“Cache—辅存”存储系统。这种系统的等 效访问周期与Cache很接近，等效存储容量就是虚拟地址空间的容量。所以存储空间对于计算机是完全够用的。而且MPP系统采用分布式存储方式使系统容易扩充，虽然也存在其他一些问题。

多处理机的调度：

并行计算推动了并行计算机的发展由于用户并行任务在多处理机系统中运行，处理机分配 与调度的好坏，直接影响系统资源的利用率及用 户作业的周转时间。多处理机系统的体系结构不同，则处理机分配与调度算法也存在很大差异不同的多处理机系统体系结构对不同

粒度的用户并行任务有不同的适应性，如何选择并行计算机体系结构，如何组织用户并行任务利用并行机制，也是并行处理的关键问题。

调度是指将作业分给各处理机操作的一种功能.依据调度的内容可以分为高级、中级和低级。

高级调度是对作业进行调离，每 个活动作业可以建立一个或多个进程， 每个进程完成作业的部分功能.中级调 度是响应短时间的负载波动，暂时挂起 活动的进程达到系统操作的均衡.低级 调度是将已准备的进程分S给相应的处 理机.每级调度可以应用先入先出，循 环法，先最短作业或最短保持时间等调 度策略.

若按另一种分类法，调度可分为静态和动态两种.静态调度是使用者在设 计算法或编译程序时将任务分配给处理 机.如OCCAM语言能允许程序员禪 定指令执行顺序、通信通道和执行的部 件.动态调度表示在系统运行时对任务 进行分配.动态调度提高了处理机的利 用率，但增加了调度时间.动态调度还 可分为分布调度和集中调度两种.

多机系统一般具有多级调度控制，毎一级可以使 用静态调度或动态调度、集中动态调度或分布动态调 度.动态调度可以采用先进先服务、先最小服务时间 和随机选择等方案.当把任务分配给多个处理机操作时，则需要有更完善的调度策略.任务所需要的最大 处理机数目是在编译时确定的.若运行中遇到处理机 数目不足时，调度器必须等待或根据较小数目的处理机折迭任务.模拟试验证明，折迭任务与等待方法相比，折迭任务的方法可以取得良好的系统性能和处理机的高利用率.

多处理机的调度主要有组调度、多级动态调整、负载共享与指定处理机调度。每一种调度都有其特点，目前调度方面的研究还有待加强，但主要在多级动态 调度方面和组调度方面，如用户多线库调度器与 操作系统内核调度器之间建立一种通讯机制的研究；探索如何利用UNIX中的信号机制，实现内核调度与核外多任务库调度之间的信息交换等。

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