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西安交通大学计算机 Part 2: 多处理机操作系统 第7章 多处理机系统Multiple Processor Systems 7.1多处理器系统Multiprocessor Systems 持续需求更快的计算机Continuous need for faster computers 运算能力不能满足需要、 计算机体积更小型化 解决办法 提高速度——大量使用并行计算机 分布式系统——全球计算机互连 独立计算机在小空间互连，构成一个系统 共享存储器模型shared memory model 消息传递多计算机系统message passing multiprocessor 广域网分布式系统wide area distributed system 多处理器Multiprocessors 定义Definition:两个或更多的CPU全部共享访问一个公有的RAM A computer system in which two or more CPUs share full access to a common memory 基于共享存储器的多处理机 特点：任何一个CPU上都可以看到一个普通的虚拟地址空间 特性 某CPU对存储器写入一个值，然后读取，则可能获得另一个值 每个存储器字读写的速度一样快（UMA统一内存存取） 与之相对应的操作系统——多处理机操作系统 通常的操作系统：处理系统调用、进行存储管理、提供文件系统、管理I/O设备 独特的性质：进程之间的同步、资源的管理以及相关的调度问题 多处理器硬件 Multiprocessor Hardware (1) 基于总线的多处理器Bus-based multiprocessors UMA多处理机——采用UMA的多处理机为UMA多处理机 UMA（Uniform memory Access,统一内存访问）——存储器字读出速度一样快 多处理器硬件Multiprocessor Hardware (2) 使用交叉开关的UMA多处理器UMA Multiprocessor using a crossbar switch 多处理器硬件Multiprocessor Hardware (3) 由2×2个交换机构成多级交换网络的UMA多处理器UMA multiprocessors using multistage switching networks can be built from 2x2 switches (a) 2×2开关 2x2 switch (b)消息格式Message format 多处理器硬件Multiprocessor Hardware (4) ω交换网络Omega Switching Network 多级交换网络 交换机的数量 交叉开关方案——n2 多级交换log2n个级、每级n/2个交换机、共需要n/2* log2n个交换机 工作机制——路由规则：0 路由到上端，1 路由到下端 例如：CPU011要从模块110读取一个字的路由（a） 多处理器硬件Multiprocessor Hardware (5) NUMA多处理机的特性NUMA Multiprocessor Characteristics 引入NUMA（Non Uniform memory Access ）的原因是让所有的存储模块都具有相同的平均访问时间 具有对所有CPU都可见的一个地址空间Single address space visible to all CPUs 通过指令访问远程存储器Access to remote memory via commands LOAD STORE 访问远程存储器慢于访问本地存储器Access to remote memory slower than to local NUMA多处理机类型 没有高速缓存的NUMA——NC-NUMA（Non- Cache-Coherent NUMA ） 具有高速缓存的NUMA——CC-NUMA（Cache-Coherent NUMA） 大型CC-NUMA多处理机的构造方法 基于目录的多处理机（directory-based multiprocessor） 数据库——表示每个高速缓存行的位置和状态 高速缓存行被引用时，要在数据库中查找该行的位置以及状态（干净/脏） 查找需要专用硬件支持 多处理器硬件Multiprocessor Hardware (6) (a)基于目录256个节点的多处理机256-node directory based multiprocessor (b) 32位存储地址域Fields of 32-bit memory address 整个存储器容量=16M*256=4096M=232 目录容量=64（B的高速缓存行）*