并行机紧耦合松耦合系统原理构成以及存储体系结构

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 a

2、nd 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 a

3、ddition 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 syst

4、ems 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。对于并行机来说，这并不是

5、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2.1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，实现多个处理器之间的互连。系统中的所有

6、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设备。整个系统由一个统一的操作系统

7、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，以提高系统的性能。2.3紧耦合系统的结构图2

8、.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。（a）（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

9、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

10、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IOP1。当然这是以增加一个多通路仲裁逻辑为代价的。 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，

11、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

12、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。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

13、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

14、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过局部存储器即可完成。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Km

15、ap，是系统内各计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log2m位代码选择模块，高log2n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。图4.1m个模块的低

16、位交叉编址m个模块的高位交叉编址方式如图4.2所示，由主存物理地址的高log2m位代码选择模块，低log2n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从模块0到模块m-1依次连续分布，且模块内部顺序单元的物理地址也是顺序的。图4.2m个模块的高位交叉编址集中式共享存储器此存储器的三个特点：（1）处理器数量不大从而所有处理器可共享一个集中式存储器，处理器和存储器通过总线互连。（2）采用大容量Cache可使采用单一总线和单一存储器满足数目不多处理器对存储器的要求。（3）每一处理器访问存储器的时间是相等的。4.2.2分布式共享存储器此存储器特点：（1）存储器分布于各节点中，所有节点通过

17、网络互连。（2）访问可以是本地的，也可以是远程的；可以不支持Cache一致性协议，规定共享数据不进入Cache，仅私有数据才保存在cache中。4.3Cache的一致性问题产生Cache不一致性问题的原因Cache是容量较小、速度较快的存储器，Cache中存放经常使用的信息，在多处理机系统中，每个处理机都有自己专用的Cache，处理机每次访问存储器是，首先查看Cache中是否有要访问的信息。程序在刚开始时，Cache中是没有任何信息的，当处理机从主存中取来指令或数据的同时，把指令或数据附近的内容以块为单位取来，放到Cache中，这样以后的访问就有可能从Cache中直接取到所需的信息。产生多处理

18、机Cache不一致性问题的原因在多处理机系统中，当一个处理机访问存储器时，首先检查要访问的数据在cache中是否已经存在，如果存在，则不需要访问共享存储器，若一个处理机向存储器写数据时采用“写回”策略，存储器中仍保留过时的内容，这时另外一个处理机从存储器相应单元读到的将是不正确的内容，即使是采用“写透”策略，仍会出现问题。这就是多处理机系统最有名的Cache一致性问题。归纳起来，多处理机系统产生Cache不一致问题的原因有三个方面：共享可写数据引起的不一致、进程迁移引起的Cache不一致和I/O传输引起的不一致，对于进程迁移引起的Cache不一致，可以通过禁止进程迁移的方法来解决，也可以在进程

19、挂机时，靠硬件的方法将Cache中该进程改写过的信息块强制写回主存相应位置来解决，对于I/O操作引起的不一致，一种直接的方法是将I/O处理机与各个专用Cache直接相连，形成主处理机与I/O处理机共享Cache的结构，于是只要解决了各Cache之间，以及Cache与主存器之间的数据一致性，就可保证I/O操作的一致性。4.4解决多处理机Cache不一致性问题的策略解决多处理机Cache不一致性问题主要有两种办法：监听Cache协议和基于Cache目录的协议。监听Cache协议监听Cache协议，即各处理机的每次写操作都是公开发布，为所有的处理机知道，那么各处理机就根据监听的信息对自身的数据采取保

20、持一致的措施，采用监听Cache协议，当某个Cache中的内容被改写后，可以有两个方法避免出现远程Cache内容不一致，第一种方法是使所有远程Cache中相同数据块“作废”，是全部Cache中该数据块只有一个有效，简称写作废策略，另一种方法是改写时，凡存有该数据块的远程Cache也进行同样的改写，使它们的内容同时“更新”，结果在全部Cache中可能有多个有效的数据块，简称写更新策略。如果采用写更新方式，每当某个Cache中的内容被改写后，就必须将改写的内容送到所有的远程Cache中，在总线方式组织的系统中，将会大大地增加总线的负担，所以一般的应用系统很少使用写更新策略。在采用写作废策略的系统中

21、，为了表示Cache中每个数据块当前的状态，必须安排一些标志位说明该数据是有效或无效，有时可能需要两个标志位，除说明本地的数据块状态外，还需要表明与系统中对应数据块之间的某种关系。基于Cache目录的协议基于Cache目录的协议，就是当某个处理机的写操作无法为其他的处理机知道时，通过修改目录间接地向其他处理机报告，以便其他处理机采取措施，目录协议的思想是非常简单的，即将所有使用某一数据块的处理机登记在册，每次变动前都要查目录，变动后则修改目录，根据目录存储方法的不同可以将基于Cache目录的协议分为集中式目录协议和分布式目录协议。4.集中式目录协议集中式目录协议是指在主存储器中只用一个目录来标

22、志数据块在各个处理机Cache中存储的情况。集中式目录协议有几种方案，其中全映射方案就是采用一个集中式存储的目录，每个数据块都在目录中建立一个项，目录项中设有与系统处理机个数相同的“存在位”，每个处理机一位，如果该数据块存在于某处理机的Cache中，相应位就置1，反之就置0，此外，在每一项中还设置了一个重写位，如果该位为1，表示该数据块的内容已经被改写过，此时存在位中只能有一位为1，即改写此数据块的那个处理机拥有该块与目录表相对应，每个Cache中也为每个数据块安排两个控制信息位，一个是有效位（V），表示该数据的有效或无效，只有当V=1时，该数据块才可用的，另外一位称为专用位（P），如P=1，

23、处理机可以直接向该数据块执行写操作，实际上这时的Cache是数据块唯一正确的Cache拷贝，反之，当P=0时，不允许直接写入。如图4.4.1所示，全映射目录协议中各标志位的情况。图全映射目录协议分布式目录协议分布式目录协议又称为链表式目录协议，该协议将目录分散配置到各Cache中，用链表将有关的Cache连接在一起，每个数据块建立一个数据链表，每个链表中只包含拥有该数据块的Cache。于是，存储器中的每个数据块都只有一个指针，指向使用这个数据块的头节点，头结点再指向下一个拥有此数据块的Cache，直到最后一个结点，链表可以是单向也可以是双向，单向链表只是一个指针，双向链表则需要前项指针和后项指

24、针。如图所示是分布式目录协议所用双向链表示意图。图分布式目录协议所用双向链表五总结多处理机系统按其耦合方式分为紧耦合和松耦合两种不同的系统结构。耦合系统是指通过电信号连接在一起的系统，或者说是一个共享硬件资源的系统。紧耦合多处理机系统是通过一个共享的高速主存来实现处理机之间的联系的，松耦合多处理机系统是通过机间通信来实现处理机间联系的。松耦合多处理机也称为分布式存储器多处理机系统。紧耦合多处理机系统，各处理机与主存之间通过互连网络连接，处理机间的数据通信速率受限于主存的频宽，而处理机的个数受限于处理机-主存互连网络带宽以及多个处理机同时访问主存所引起冲突的概率。为减少访问存冲突，多处理机的主存

25、宜采用多体交叉存取。松耦合多处理机系统，没有共享的高速主存，处理机数可以很多，但是要求任务之间的交互作用小，在这种情况先，可以把松耦合多处理机系统看成是一个分布式计算机系统。设置Cache的目的就是为了提高存储系统的速度，使之尽可能小地影响CPU的运行速度。在多处理机系统中，保持Cache内容与主存内容一致性，使多个处理机并行协调完成一个复杂问题的计算，使并行处理机系统展现出在性能价格比、可靠性、可扩展型的优势。参考文献1徐甲同. 高级操作系统M. 西安：西安电子科技大学出版社，19982赵庆敏，李伟平. 多处理机系统分析J. 微计算机应用 2005，26(01)：115-117.3Abraham Silberschatz /Peter Baer Galvin /Greg Gagne著，郑扣根 译 操作系统概念M. 高等教育出版社，2010.14李亚民. 计算机组成与系统结构M. 清华大学出版社， 20005徐甲同，李学干. 并行处理技术M. 西安电子科技大学出版社，19996赵敬 操作系统M. 中国铁道出版社，20097傅麒麟，徐勇. 现代计算机体系结构M. 北京希望电子工业出版社，20028陈国良. 并行计算机体系结构M. 高等教育出版社，20029郑纬民. 计算机系统结构M. 清华大学出版社，199810AnderwS.Tanenbaum,陈向群，马洪兵