多处理器系统习题-read.ppt

第9章 多处理器系统 9.1 概述 9.2 多处理器结构 9.3 多处理器操作系统类型 9.4 多处理器调度和同步 习题 9.1 概 述 通常所说的多CPU系统， 其实包括四种类型， 即多处理器系统（Multiprocessor Systems）、 多计算机系统（Multicomputer Systems）、 网络系统（Network Systems）和分布式系统（Distributed Systems）。 由于网络系统和分布式系统都具有通过网络互连的分布属性， 因此往往又把二者统归为分布式系统。图9-1示出多处理器系统、 多计算机系统和分布式系统的一般模型。 图9-1(a)示出了共享内存的多处理器系统的模型。 从图(a)中可以看出， 它的每个节点只有一个CPU， 所有外部设备都是共享的。 图9-1(b)示出了传送消息的多计算机系统的模型。 这种系统又称为集群计算机（Cluster Computers）系统或COWS（Clusters of Workstations）系统。 图9-1(c)示出了广域分布式系统的模型。 每个节点是一个完整的计算机， 不仅有CPU、 内存， 还有完整的一组设备， 即各自是一个自治系统。 9.2 多处理器结构 一般认为， 多处理器的概念应包含以下几点： （1） 包含两台或多台功能相近的处理器， 且彼此可交换数据； （2） 所有处理器共享内存； （3） 所有处理器都共享I/O通道、 控制器和外部设备； （4） 整个系统由统一的操作系统控制， 在处理器和程序之间实现作业、 任务、 程序段、 数组及其元素各级的全面并行。 9.2.1 UMA多处理器结构 1. 基于总线的UMA SMP结构 最简单的多处理器结构是基于单一总线的结构， 如图9-2(a)所示。 问题的一种解决办法是对每个CPU增加一个高速缓存（Cache）， 如图9-2(b)所示。 图9-2(c)是另一种设计， 其中每个CPU不仅有缓存， 而且还有本地私有的内存， 通过专用总线进行存取。 2. 利用交叉开关的UMA多处理器 利用缓存可以改善总线的传输压力， 但是单个总线仍把UMA多处理器的水平限制在16个或32个CPU的范围内。 为了超越这个限制， 就需要采用不同类型的互连网络。 把n个CPU连到k个内存中的最简单的电路是交叉开关， 如图9-3所示。 3. 利用多级开关网络的UMA多处理器 另一种完全不同的设计方式是基于低档的2×2开关， 有两个输入端和两个输出端， 到达任一输入端的消息都可被切换到任一输出端， 如图9-4(a)所示。 因此， 消息由四个部分组成， 如图9-4(b)所示。 其中“模块”字段表示使用哪个内存； “地址”部分指定模块中的地址； “操作码”给出具体操作， 如READ或WRITE； “值”字段是可选的， 包括一个操作数， 如要写出的一个32位的字。 这种开关检查模块字段， 用来确定消息是送往X端还是Y端。 利用这种2×2开关可以构造更大型的多级开关网络， 方法很多。 如图9-5所示的称为omega网络的模型。 其中有8个CPU连到8个内存中， 使用12个开关。 更一般的关系是， 如果CPU和内存分别有n个， 则需要设立的级数为lg2n， 每级的开关个数为n/2个， 总开关数为(n/2)lg2n。 很显然， 这比n2个交叉点要少得多， 尤其当n值较大时。 omega网络的连线方式往往称为“洗牌”， 因为每一级的信号混合起来， 类似于插入一半牌， 然后再混合起来。 其工作过程是： 设CPU 011要从内存模块110中读取一个字。 该CPU向开关1D发送一个READ消息， 其中的模块字段包含110。 这个开关取出110的第一位（最左位）， 用它进行寻径， 规则是： “0”切换到输出高端， “1”切换到输出低端。 然后依次取第二位、 第三位。 因而， 从CPU 011到内存模块110的路径是1D→2D→3D。 在图9-5中用字母a表示。 回答时使用011（CPU号码）寻径， 并且要反过来读： 从右至左。 9.2.2 NUMA多处理器结构 NUMA机器有三个关键性质， 这些性质区别于其他多处理器。 它们是：