Курс лекций по вычислительной технике

       

Дисковые накопители


     В настоящее время наибольшее распространение получили  магнитные,

оптические и магнитно-оптические дисковые накопители.

 Магнитные дисковые накопители.     Несмотря на большое разнообразие физических носителей  и  принципов записи/считывания основной механизм везде одинаковый:

                     

      

   Слой магнитного носителя информации нанесен на  поверхности  дисков, диски вращаются с помощью двигателя шпинделя. На  дисках  имеется

индексный маркер, который, проходя мимо  специального  датчика,  отмечает начало каждого оборота. Информация на диске располагается на концентрических треках (дорожках), нумерация которых начинается с внешнего трека - 00.

     Каждый трек разбит на секторы фиксированного  размера.  Сектор  и

является минимальным блоком для обмена информацией.  Нумерация  секторов начинается от маркера. Каждый сектор имеет служебную область,  со-

держащую адресную информацию, контрольные коды и т.д. область данных,

например, 512байт.

     Если накопитель состоит из пакета дисков,  то  совокупность  всех

треков с одинаковыми номерами образует цилиндр.

Считывание  и  запись информации с рабочих поверхностей диска осуществляется с  помощью  головок (0 и 1), которые во время работы буквально парят над рабочей  поверхностью, а в нерабочем состоянии опускаются на определённую  зону - паркуются.

     Позиционирование головок на нужный цилиндр  осуществляется  шаговым линейным двигателем. Дискретность  перемещения  определяется  либо

шаговым двигателем, либо задается сервометками на диске.  Для  линейных

двигателей часто используется специальная головка.

     Информация записывается и считывается различными методами частот-

ной и фазовой модуляции, используемыми для представления двоичной  ин-

формации. Все процессы управления  накопителем  и  обменом  информации

возложены на контроллер, который может иметь и свою буферную память.

        

  Логическая структура диска.

     С аппаратной точки зрения любой диск можно представить как  совокупность секторов (512байт) адресуемых тем или иным  способом и каждый сектор может быть записан и считан (только целиком) независимо  от


других. Однако, обычно интересуют не сектора, а файлы,  которые  могут

занимать произвольное и при этом не целое число  секторов.  Логическую

структуру диска определяет файловая система, которая  является состав-

ной частью любой операционной системы.  Обычно  принимается,  что  1-й

сектор 0-го трека хранит описатель типа диска и может содержать  программу загрузки ОС (Boot Sector). Диск с загрузчиком и  системным.

            Накопители встроенные - жесткие диски (винчестеры).

     Это устройство объединяет в одном  корпусе  накопитель,  средства

перемещения и контролер и является  условно  несъемным,  хотя  имеются

средства, обеспечивающие его съемность (Моbile Rаcк) и просто ЖД  пере-

носимые.

     Наиболее распространены накопители 2,2;2,3;3,14;5,25 дюймов.

           Работа винчестера.

     При включении контроллер накопителя производит  самотестирование,

а затем запускает двигатель. При достижении определенной скорости давление потока воздуха отрывает головки от поверхности.  Скорость  вращения контролируется по частоте появления маркеров. После достижения номинальной скорости включается система стабилизации скорости вращения и

позиционирования головок. В составе котроллера имеется ПЗУ, в  котором

хранится набор программ для запуска и управления во  время  работы,  и

ОЗУ, в котором частично перегружаются программы и карта дефектных  сек-

торов, обнаруженных при заводской разметки диска. Эти сектора исключены из общей емкости. Если в процессе работы появляются новые  дефектные

сектора, то они могут быть заменены на резервные (либо  автоматически,

либо с помощью специальных программ).

     После выполнения процедуры запуска контроллер  переходит  в  режим

ожидания команд компьютера. Получив команду он выбирает  головку, нужный цилиндр и позиционирует головку на требуемый сектор. Затем  выполняется операция чтения/записи. Обеспечивается  и  блочный  обмен  несколькими секторами. При этом ОЗУ используется в качестве двухпортрвого

буфера. Имеется возможность переводить накопитель в  ждущий  режим  (с



целью энергосбережения), однако злоупотреблять этм не стоит,  т.к.  во

время разгона износ больше.

     Интересно, что при выключении двигатель работает в режиме  гене-

ратора, обеспечивая питанием корректное завершение работы (в том  чис-

леи парковку головок).

     Физический ЖД  может  содержапть  до  4-х  разделов  (Partition).

Информация о структуре диска (таблица  разделов)  хранится  в  глваной

загрузочной записи (MBR - Master Boot Rekord) - сектор 1,  цилиндр  0,

головка 0 сразу после кода загрузчика.

Здесь же хранится таблица  размещения файлов. (FAT-таблица) В этой таблице хранятся адреса  записанных файлов (номер цилиндра, номер  сектора).  Для  надежности  таблица дублируется.

     Если под адресацию занимается 2Б (FAT-16), то файлов  может  быть

65536, поскольку, вне зависимости от емкости диска.  Количество  байт,

отводимое на любой файл называется кластером. При емкости в 6Г  на  один

кластер (файл) приходится 6000000/64=93750КБ, что нерационально.

Поэтому сейчас под адрес отводится 4Б (FAT-32).

1)      LBA – адресация к дискам не физическая (головка – сектор – цилиндр), а  логическая (по номеру сектора – до224-1).

Параметры дисковых накопителей:

     - ёмкость

     - интерфейс: способ подключения накопителя к контроллеру

     - быстродействие и производительность определяется в свою очередь

следующими параметрами

     1) скорость передачи данных (внутренняя - между накопителем  и  кон-

роллером, внешняя - между контроллером и памятью компьютера).

     2) время доступа - суммарное время,  затрачиваемое  на  установку

головок и ожидание сектора

     - параметры организации  и  конфигурации:  количество  физических

дисков, количество физических головок

     Основные характеристики жестких дисков. Например для W. D.

     1) емкость,  Гбайт;                                          20,48

     2) скорость  вращения  шпинделя, об/мин;          7200

     3) число дисков,  число   головок                  4/8



     4) максимальная плотность на  диск Гбайт/кв. дюйм;     4,56

     5) кэш, кбайт;                                        2048

     6) скорость чтения внутренняя, МБ/с                   до 28

         (внешняя зависит от протокола)

     7) среднее время доступа мс                        9; 2,2*

5.4.3. RAID (Redundant Array of  Independent Disks)  – системы.

RAID – система образуется с помощью  RAID–контроллера.

RAID – системы бывают пяти типов (уровней)

                   Уровень «0»  -  расслоение данных

4

8
 
                                                          

                                                                      


                                                     PM      PS           SM         SS                    

Данные записываются в диски зонами (64К) последовательно по кругу. Если блок данных состоит из нескольких зон, то они считываются одновременно из всех дисков – повышается быстродействие.

                         Уровень 1.        

                                                        PM

                                              

                                                         SM

                                              

                                                        PS

                                                        SS

.1-й уровень – зона записывается одновременно на два диска. Считывание может происходить одновременно с разных зон – повышается быстродействие и  надёжность (дублирование).

Режим 0+1

         Расслоение с дублированием

4
 
8
 
4
 
8
 
1
 
5
 
5
 
1
 


RAID–контроллер
 
                   PM

                   PS

                   SM

                   SS

                           



Массив JBOD( Just Brunch  Of Disks)  формирует из 4-х дисков один большой без потери ёмкости.

Эти три режима – уровня реализованы на чипсете 915

            Уровень  2.

                                                                                                                     

Тоже, что и нулевой, но некоторые диски используются для хранения только контрольных разрядов.

   Уровень  3.

То же, что и 2, но дополнительные диски используются для хранения кода Хэмминга. При отказе одного из дисков – восстановление.

Режим 4.

4-й уровень – аналогичен первому, но дополнительный диск   хранит только зону чётности для остальных дисков.



кх
 


RAID–контроллер
 
                                               Режим 5.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        

Контрольная информация  располагается на всех дисках поочерёдно.

5 –уровень – аналогичен четвёртому, но зоны чётности записываются поочерёдно на все диски.

 Внешняя память на сменных носителях.

     Основная особенность - носитель информации отделен от средств перемещения и контролера.

                Память на гибких магнитных дисках.

     Накопители на гибких магнитных дисках применялись с первых  моде-



лей РС, у которых они были единственным средством хранения и  переноса

информации.

              Таблица дискет. У всех число треков = 80

     Тип.   Обозн.    Ёмкость    Скорость     Время             Скорость

                                               вращения    доступа, мс       Мбайт/сек

     5"        DD        360 КБ     300об/м         100                           0,027

     5"        QD        720 КБ

     5"    HD            1,2 MБ

     3,5"  QD                   720 КБ     360об/м

     3,5"  HD                  1,44 МБ                         100                 0,055

     3,5"  ED                 2,88 MБ                          100

     3,5   LS   120 МБ      ГМОД

     Защита записи - механическая.

     При каждом обращении к дискете включается мотор,  который  выключается через 2с., если нет других обращений.

             

  Другие  устройства внешней памяти.

  •                     СD-ROM - Compact Disk Read Only Memory– кодирование впадинами и выступами. (Красный лазер). CD-R – кодирование тёмными (прожжёнными) и светлыми


  •      Оптический диск, используется только для чтения.

         В оптических дисках для хранения используется изменение  оптических свойств (степени отражения) поверхности носителя. В процессе  считывания при освещении  трека  лучом  лазера  возникает  модуляция  отражённого луча, воспринимаемого фотоприёмником. В компьютеры  оптический диск пришёл из техники аудио записи.

         В нем имеется одна спиральная дорожка, нанесенная на  нижнюю  поверхность диска. Эта спираль имеет 22188 витков (600в на 1мм)  -  5км.

         Запись информации на поверхность диска,  покрытого  тонким  слоем

    металла, осуществляется путем прожигания дорожки лучом мощного лазера.

    В результате образуются впадины (протяженностью порядка 1мкм) и непрожженные выпуклости. Чтение осуществляется лучом полупроводникового лазерного диода, (изобретение Жореса Алферова),который при  вращении  диска перемещается по спиральной дорожке.


    Отражается  луч  на  фотодетектор, который в отсутствии металлизации (впадина) фиксирует "0",  в  противном случае "1"

    Запись дисков может производиться печатью с матрицы или непосредственно записью на носитель.

         Минимально  адресуемая  единица - сектор  (2048Б),  последовательность секторов (больше300) образует трек (до 99 треков-записей).

         Начальный трек хранит информацию  об  организации  диска.(VTOC  -

    Volume Table Of Contents). Ёмкость - 650Мбайт или 780.

         Скорость считывания зависит от скорости вращения диска,   который

    вращается с переменной угловой скоростью, чтобы обеспечить  постоянную

    линейную скорость при чтении. При оценке скорости считывания за  эталон

    принята величина в 150 Кбайт/сек. Дисковод, обеспечивающий такую  скорость называется 1-скоростным.

         Вслед за первыми моделями, имеющими  скорость  считывания  150Кб,

    появились устройства с 2-х, 4-х, 6-х, 8-х, 10-х, 12-х, 16-х, 20-х,  24

    кратным увеличением скорости. Чем выше скорость, тем меньше время доступа.

               Однако сверхбыстрые приводы КД  не лишены ряда недостатков:

         - повышенный шум и вибрация

         - большое тепловыделение

         - капризность при чтении некачественных дисков

         - медленный разгон

         Для хранения архивов  применяются  СД,  запись  в  которые  может

    производиться пользователем.

         СD-R - дозаписывемые (запись 2-6 скоростная, чтение 8-12)

         CD-WO - с однократной записью,

         CD-RW - перезаписываемые (запись 4-скоростная, чтение 6-8).

         DVD - диски  для    цифровой    видеозаписи    или    многоцелевой

  • (Versetile). впадины меньшего размера, более плотная спираль, меньшая длина волны лазера.


  • Ёмкость 4,7Гб (SS/SL ),  8,5Гб  (SS/DL),  9,4Гб  (DS/DL),

    17Гб (DS/DL) SS - односторонний, SL-однослойный, DS  -  двухсторонний,

    DL - двухслойный. У двухсторонних дисков отражающаяя поверхность рабо-

    тает в обе стороны. В двухслойных дисках (золотистые)один слой  полуп-

    розрачен, чтобы лазер смог сфокусироваться сквозь  него  на  следующий



    слой.  Большая емкость обусловлена  уплотнением  дорожек  и  уменьшением

    длины, отводимой под бит (пит). Примененный способ исправления  ошибок

    (RS-PC) позволяет не замечать царапин длиной до 6мм.

         Появилиссь диски DVD-R (записывемые однократно), DVD-RW  (переза-

    писывемые до 1000 раз), DVD-RAM (перезаписывемые до 100000 раз).

         Магнитооптические диски используют оптику  в  процессе  магнитной

    записи.     Конструктивно МОД представляет собой стеклянную  поверхность,  на которую наносятся три слоя пленки:

         - алюминевая (светоотражающая)

         - ферромагнитная (носитель информации)

         - пластиковая (защитная)

         Работа МОД основана на явлении изменения поляризации  отраженного

    луча лазера в зависимисти от состояния намагниченности  чаcтиц  ферро-

    магнитной пленки.

         Диски Бернулли

         Iomega ZIP, емкость 100МБ и 250МБ, скорость чтения 0,8-1,4МБ/с

         Iomega JAZ, емкость 1ГБ, скорость чтения 3,5-6,6МБ/с

         Imation  Superdisk  (LS-120),  емкость  120МБ,  скорость     чтения

    0,6,6МБ/с (может читать 1,44МБ)

         ORB Drive емкость  2,2ГБ,  скорость чтения до 12МБ/с

         НМО от 640МБ до 9ГБ

         Накопители на магнитной ленте (стриммеры).

         Это - устройства кассетного  типа  с  последовательным  доступом,

    позволяют хранить от 25ГМб до 50Гб (в сжатом виде), скорость  считыва-

    ния 1МБ/с и 2МБ/с, соответственно.

               Перспективные накопители.

         Фирма LaserFan разработала новую технологию: диск  неподвижен,  а

    вращается линейка импульсных лазерных диодов (5400об/мин). Новый  привод бесшумен, а среднее время доступа равно времени полуоборота линейки - 5,6мсек. Дальнейшие усовершенствования позволят приблизить потребительские свойства к современным винчестерам.

    Фирма Seagate Technologies разработала 3-х дюймовый винчестер ем-

    костью 181,6Гбайт (Ultra 160 Scsi Seagate Barracuda  180).  Накопитель

    состоит из 12 двухсторонних пластин (24 головки). Пакет  вращается  со

    скоростью - 7200об/мин.  Внутренняя  скорость  чтения  -  508мбит/сек.



    Среднее время поиска - 7,4мсек при чтении и - 8,2мсек при записи

          Флюорисцентные многослойные диски    FMD (CHIP 06 2001)

         Новые диски будут иметь тот же формат, как CD или DVD,  но  будут

    иметь емкость в 140ГБ. Хотя на одном слое 4.7ГБ (как у DVD), но  таких

    слоев будет до 30. Отражение от каждого слоя  идет  на  разных  длинах

    волн. Принцип записи основан на  явлении  фотохромизма  -  способности

    вещества изменять свои свойства по действием света.

             DVR-blue (Sony)

         Емкость 22,5ГБ, скорость 35МБ/с с использованием голубого лазера.

         Накопители на флэш памяти

         Энергонезависимость

         Большая емкость

         Возможность репрограммирования в составе изделия

         Секторная организация (8 секторов по 64КБ).

         Низкая потребляемая мощность

         Высокое быстродействие.

                    Flash USB, SCASI, ISA, PCI до 128МБ

         HandyDrive - USB-накопитель  емкостью  1ГБ,    скорость    чтения

    -750КБ/с и скорость записи - 450КБ/с. Вес 20г.

     

         Основным недостатком полупроводниковой памяти при применении ее в качестве массовой памяти является ее низкая фоностойкость.  Таким  не-

    достатком не обладает память на ППМД (ЦМД) Они  выполняются на  основе

    монокристаллических пленок из ферро гранатов. В пленках  создаются  области спонтанной намагниченности (домены),  которые  способны  перемещаться под действием внешнего магнитного поля.  Однако  публикации  по ним прекратились.                                                                                                                                                                                                     

    Многослойные диски фирмы Хитачи (до 100 слоёв,  включение слоёв через  контакты шпинделя) позволяют достичь ёмкости в 1000 Гбайт.

             

                      МПС  и  МКС.

    Системы обработки больших объемов информации можно условно раз­делить на две группы: системы обработки информации по единообразному ал­горитму (по  одной программе) и системы одновременной переработки  разно­образной  информации по взаимосвязанным алгоритмам,  требующих  мульти­программного  режима работы.



    Потребность в вычислительной системе возни­кает  в  следующих случаях: пользователям требуется общая база данных или производительность одной машины недостаточно для решения  задачи  в  за­данное время.

    Проблема обеспечения обработки все возрастающих объемов  информа­ции разрешается тремя путями: (причем  два  пути  совпадают  для  обеих групп).

         1) разработка более производительных процессоров (в частности спецвычислителй)

         2) разработка мультипроцессорных и мультикомпьютерных систем.

     Первый путь технически оказывается проще и  пригоден  для систем об­работки обоих классов, но может предъявить такие требования к быстродейст­вию, которые не могут быть удовлетворены исходя из  сложности и стоимости.

      Второй путь также пригоден для задач обоих классов, но для задач  пер­вого класса встает проблема распараллеливания алгоритмов.

    Итак, проблема повышения производительности всегда получает  разре­шение либо путем применения распределенной мультипроцессорной,  либо  мультикомпьютерной системы.

    Одним из достоинств ВС является появление такого качества, как  способность к постепенной деградации (живучесть), за счет  возможности перераспределения задач путём реконфигурации системы.

    Вместе с тем наличие двух и более  процессоров,  решающих  задачу со­вместно и использующих общие ресурсы порождают проблему  организации связей между ними и распределения ресурсов и информации, для чего  могут применяться различные системы арбитража.

    В случае МКВС о приходится  решать  проблему  взаимодействия  отдель­ных компьютеров.

     Мультипроцессор – система с совместно используемой памятью (физи­чески одно адресное пространство). Пример – обработка изображения (кар­тинка отображена на общую память)

    Мультикомпьютер – система с распределённой памятью. Отдельные части картинки разложены по памятям разных    компьютеров.

    Связь между компьютерами осуществляется посредством соединитель­ной сети.

    Мультипроцессоры легче программировать, но сложнее реализовывать,



    Мультикомпьютер легче реализовать, но сложнее программировать.            Все разработки направлены на создание  смешанной архитектуры. Тем более что, в микропроцессорах  также существует проблема межсоединений памятей и процессоров.

    Способов классификации, как МПС, так и МКС имеется великое  множе­ство.

    Рассмотрим классификации, предложенную Флинном, по способу связи ВЭ с памятью команд (способ организации  вычислительного процесса).

         Здесь различают 4 типа построения.

         ОКОД – традиционный компьютер (SISD).

         МКОД - конвейерный мультипроцессор (MISD)- спецвычислитель.



               

         Процесс обработки разделен на несколько процессов,  каждый  из ко­торых выполняется на отдельном процессоре. Память команд может  быть об­щей, раздельной или смешанной. Структура наиболее приспособлена  для об­работки векторных данных и не эффективна при обработке скалярных величин.

         ОКМД - выполнение одной операции над множеством данных SIMD.



         Один поток команд  обрабатывает  несколько  параллельных  потоков данных.  Архитектура хорошо приспособлена для задач, обладающих естест­венным параллелизмом (матричные операции). Память данных может  быть общей, раздельной или смешанной.

         МКМД - параллельная архитектура ( множество  процессоров,  вы­полняющих различные  операции  над  разными  данными).  Несколько  парал­лельных потоков команд  обрабатывают  несколько  параллельных  потоков данных.

         Программа разбивается на п/п или ветви. Обмен  данными  обеспечи­вается коммутатором или посредством главной ЦВМ.

    Однако имеются два параметра, характеризующие как МПС, так и  МКС и позволяющие проводить различие между ними:

    - Топология - расположение процессоров или компьютеров системе.

    - Степень связности процессоров в  системе определяется  числом пере­ключателей, через которые должно пройти сообщение  от  процессора (компьютера) к про­цессору (компьютеру).

                 Основные топологии.

    Полно связная (каждый с каждым).


    Недостаток - число связей равно п-1, где п – число процессоров. Достоинство - отсутствие конфликтов,  высокая  живучесть.

    Связность - "1".

    Более широкое распространение получили неполно связанные системы с коммутацией каналов

         При коммутации каналов между передатчиком и приемником уста­навливается сквозной физический канал передачи данных (как  при  телефон­ном разговоре).

         Звездообразная. Центральный процессор используется в качестве пе­реключателя (коммутатор). Недостаток - надежность  и  скорость  обмена оп­ределяются  коммутатором. Достоинство низкие требования к периферийным процессорам. Связность - "2".

         Иерархическая (или двоичное дерево). Любые два процессора в  де­реве могут быть связаны друг с другом. Можно устанавливать  одновременно множество связей, поскольку для любой связи не требуются все ветви дерева.

                         0

                     01       00

                      011 010   001 000

         Кольцевая (или петлевая). Информация либо воспринимается  соседом либо пропускается далее. Слабосвязанная система. Надежность определяется линией связи и надежностью одного процессора.

         Развитием петли является регулярная сеть (двухмерное  кольцо),  в ко­торой обеспечивается множество путей  между  двумя  процессорами,  а также двойные петли и всевозможные сплетения.

         Гиперкуб. N-мерный гиперкуб объединяет Р=2^n процессоров в  форме N-мерного двоичного куба. В гиперкубе каждый узел связан с "п" сосе­дями. Гиперкуб размерности "N" может быть получен из  гиперкуба  размерно­сти "N-1" добавлением к каждому его узлу еще одной связи.  Гиперкубы инте­ресны тем, что они на них хорошо реализуются некоторые  алгоритмы, напри­мер, БПФ. Первый гиперкубический  мультипроцессор был  разработан неким Калтехом на МП 8086 1883г.    

    Архитектура с координатным переключателем.

         Аналогом такой структуры является телефонная сеть.





      

    Имеется строка из "m" процессоров и столбец из "n" с  общим  числом m+n процессоров. Каждый процессор в строке  подсоединен  к  вертикальной шине, а каждый процессор в столбце -  к  горизонтальной.  Сеть переключате­лей соединяет процессоры между собой. Т.  о.  требуется  m*n переключателей для m+n процессоров.

    Достоинством координатной матрицы - быстрота соединений. При этом при отказе одного переключателя имеется множество альтернативных путей.

    Наличие альтернативных путей позволяет устанавливать большое  коли­чество соединений одновременно. Недостаток связан  ограничениями  на рас­ширение системы: добавление одного  процессора  требует  добавления строки или столбца переключателей.

    Отдельную категорию топологий составляют топологии на основе  об­щей шины.

    По существу общая шина есть дальнейшее расширение внутри процес­сорной шины. Основной недостаток - необходимость арбитража для  распреде­ления времени занятости шины между пользователями. В общем случае  ар­битром является тот, кто сейчас на шине главный.

    Основное достоинство - экономичность.

              Разновидности ОШ.

         1. Шина с опросом.

    Контроллер шины опрашивает остальных  резидентов  (перекличка)  и запускает необходимые обмены (прием сначала к себе, затем выдача  кому сле­дует; или устанавливая непосредственную связь между резидентами).

    ОШ по способу уплотнения можно разделить на шины с временным уп­лотнением и  шины с частотным уплотнением.

    Гибридом звездно-шинной топологии обеспечивающей повышенную  надежность является гнездовая или кластерная топология.



         

    Группы      ВС объединены в гнезда с  мажоритарным  элементом на вы­ходе. МО подключены к общей шине.

           

    Поскольку МПС представляет особое направление, то  рассмотрим  их несколько подробнее.

    Мультипроцессорные структуры весьма разнообразные и главная клас­сификация проходит по границе: системы с  однородными процессорами  и системы с разными процессорами.



    С теоретической точки зрения наибольший интерес представляют  одно­родные системы.

    С этой же точки зрения мы и будем их рассматривать.

    Собственно для классической мультипроцессорной системы характерно:

         1) она образована двумя или более процессоров одного типа

         2) каждый процессор имеет доступ к общей памяти данных и команд

         3) каждый процессор имеет доступ к системе в/в

         4) вся система находится под управлением единой ОС

       

     Архитектура МПС характеризуется следующими факторами:

         - способом связи процессоров с памятью данных

       

     1. С временным разделением шины

                 

         УОШ обеспечивает арбитраж шины

         2. С перекрёстным переключателем

         Основной недостаток - сложность коммутатора

        

         

    Будуар"

              

          Память каждого процессора доступна для всех  процессоров  сети  (с

    виртуальной памятью).

       

     3. Многовходовая память с многими шинами.



          Необходимо чтобы число процессоров соответствовало числу  входов ПД. На память накладывается требование обеспечения арбитража между обра­щениями процессоров. Каждый процессор может имеет свою ПД.

    При построении систем с общей  памятью возникают  две  проблемы: разрешения конфликтов при одновременном обращении двух процессоров и разрешение конфликтов при использовании процессорами общих  массивов.

    Первая проблема разрешается двумя способами:

         1) Временное разделение обращений к памяти -  подразумевает,  что период обращения процессора к памяти больше чем цикл обращения к памяти.

         2) Временное разделение с включением аппарата ожидания в процес­соре.

    Вторая проблема решается посредством специальных средств  синхрони­зации. Например, наиболее часто возникает конфликт между  "писателями" и "читателями". ( Писатель не должен затирать массив пока  его  не прочел чита­тель).  С этой целью писатель перед записью массива записывает его номер в одну ячеек, а по завершении записи тот же номер в другую.


    Читатель же перед  чтением массива сначала считывает номер из второй ячейки, а после чтения - из первой. Если они равны,  то  чтение произведено правильно. В противном случае  читатель  должен  замедлить работу писателя, например, сбрасывая его таймер.

    Uniform Memory Access и Non- Uniform Memory Access

    Системы с однородным и неоднородным доступом к памяти.



               

    Кластеры.

    Под кластером обычно понимается массив из отдельных компьютеров, соединённых каналом связи с целью реализации параллельных вычислений.

    Преимущества кластерных систем.

    -          управляемая производительность

    -          наращиваемость

    -          надёжность

    -          возможность использования любых компьютеров (дешевизна)

    Недостаток – необходимость в специальных операционных системах.

    В простейшем случае кластер есть группа из нескольких компьютеров, объединённых сетью. Кластер основан  на принципе параллельного 

    выполнения  участка программы.

    Примером такой программы  может служить пример:

    Do i= 1,n

                Do j=1,m

              …

         end

    end

    В этом случае имея N  процессоров мы можем каждому из них дать задание на выполнение внутреннего цикла.

    В этом случае  фрагмент программы будет выполнен за время

    Txn/N+ k, где

    T – время  выполнения фрагмента программы на одном компьютере; k – коэффициент потерь на обмен данными.  Конечно, в общем случае, машины могут решать не одинаковые фрагменты программ.

    Путей построения кластеров великое множество, но, как правило, они предполагают, что одна  из машин является главной. Она способна замерять скорости других машин, назначать им выполнение соответствующих фрагментов,  рассылать необходимые данные и принимать результаты. При этом оказывается, что высокая производительность   для неё не обязательна.

                Производительность мультипроцессорных систем (закон Амдала).



    Пусть

    Р - количество процессоров в системе.

    F – та часть вычислений,  которая может выполняться параллельно

    SP -  величина ускорения вычислений для Р процессоров.

    SP = Р/[Р- F(Р-1)] 



    Р



    1



    2



    2



    2



    16



    64



    F



    1



    1



    0,5



    0,95



    0,95



    0,95



    SP



    1



    2



    1,3



    1,9



    9,14



    15,42

       

    2/ 2- 0,95=2/1,05=

    16/16-0,95х15=   64/64-0,95х63=


    Содержание раздела