Память МПВК должна удовлетворять требованиям высокого быстродействия и высокой надежности. Несмотря на достаточно высокие характеристики по этим показателям, обеспечиваемые современной элементной базой, с помощью относительно несложных и недорогих методов можно достичь существенно более высоких показателей быстродействия и надежности.
С целью повышения быстродействия имеет смысл применить расслоение памяти по адресам на 4 модуля (разбиение на 4 модуля оговорено в задании, так что целесообразно применить данное разбиение для улучшения быстродействия МПВК). Более подробно расслоение по адресам будет рассмотрено ниже.
Для повышения надежности модулей памяти было решено применить корректирующие коды. Наиболее распространен код Хэмминга позволяющий исправлять одиночные и обнаруживать двойные ошибки. Более подробно его применение рассматривается ниже.
Наличие в системе множества микросхем памяти позволяет использовать потенциальный параллелизм, заложенный в такой организации. Для этого микросхемы памяти часто объединяются в банки или модули, содержащие фиксированное число слов, причем только к одному из этих слов банка возможно обращение в каждый момент времени. Как уже отмечалось, в реальных системах имеющаяся скорость доступа к таким банкам памяти редко оказывается достаточной. Следовательно, чтобы получить большую скорость доступа, нужно осуществлять одновременный доступ ко многим банкам памяти. Одна из общих методик, используемых для этого, называется расслоением памяти. При расслоении банки памяти обычно упорядочиваются так, чтобы N последовательных адресов памяти i, i+1, i+2, . . . , i+N-1 приходились на N различных банков. В i-том банке памяти находятся только слова, адреса которых имеют вид k*N + i (где 0 < k < M-1, а M число слов в одном банке). Можно достичь в N раз большей скорости доступа к памяти в целом, чем у отдельного ее банка, если обеспечить при каждом доступе обращение к данным в каждом из банков. Имеются разные способы реализации таких расслоенных структур. Большинство из них напоминают конвейеры, обеспечивающие рассылку адресов в различные банки и мультиплексирующие поступающие из банков данные. Таким образом, степень или коэффициент расслоения определяют распределение адресов по банкам памяти. Такие системы оптимизируют обращения по последовательным адресам памяти, что является характерным при подкачке информации в кэш-память при чтении, а также при записи, в случае использования кэш-памятью механизмов обратного копирования. Однако, если требуется доступ к непоследовательно расположенным словам памяти, производительность расслоенной памяти может значительно снижаться.
Обобщением идеи расслоения памяти является возможность реализации нескольких независимых обращений, когда несколько контроллеров памяти позволяют банкам памяти (или группам расслоенных банков памяти) работать независимо.
Если система памяти разработана для поддержки множества независимых запросов (как это имеет место при работе с кэш-памятью, при реализации многопроцессорной и векторной обработки), эффективность системы будет в значительной степени зависеть от частоты поступления независимых запросов к разным банкам. Обращения по последовательным адресам, или, в более общем случае, обращения по адресам, отличающимся на нечетное число, хорошо обрабатываются традиционными схемами расслоенной памяти. Проблемы возникают, если разница в адресах последовательных обращений четная. Одно из решений, используемое в больших компьютерах, заключается в том, чтобы статистически уменьшить вероятность подобных обращений путем значительного увеличения количества банков памяти. Например, в суперкомпьютере NEC SX/3 используются 128 банков памяти.
Подобные проблемы могут быть решены как программными, так и аппаратными средствами.
С целью повышения общей надежности модулей оперативной памяти было решено применить хранение данных в коде Хэмминга, который за счет избыточности позволяет корректировать одиночные ошибки и обнаруживать ошибки большей кратности. Код Хэмминга получил широкое распространение благодаря простоте кодеров и декодеров, а также минимальной избыточности.
Так как большинство современных высокопроизводительных микропроцессоров имеют разрядность 64 бита, необходимо обеспечить разрядность памяти не менее 64 бит. Этой разрядности соответствует код Хэмминга (72, 64), что означает наличие 64 информационных разрядов и 8 контрольных. Можно рассчитать эффект от применения корректирующего кодирования:
Пусть вероятность отказа одиночного модуля памяти разрядностью 1 бит за некоторое время P1=10-5, тогда вероятность отказа одного из необходимых 64 модулей памяти за то же время Pобщ=64*P1=6.4*10-4. В случае применения кода Хэмминга для потери информации необходимы две ошибки в 72-х разрядах: Pобщ=(72*P1)*(71*P1)= 5.112*10-7. Таким образом надежность возрастает более чем на три порядка при увеличении стоимости на 12.5%. Разумеется эти рассуждения верны лишь в случае пренебрежимо малой вероятности отказов и стоимости кодера и декодера по сравнению с модулями памяти, однако в случае реальных объемов памяти это действительно так.
2.4 Организация резервирования и восстановления при отказе любого компонента МПВК
Одной из целей создания МПВК является достижение повышенной надежности вычислительной системы. Повышение надежности функционирования в МПВК достигается проще, чем в однопроцессорных ЭВМ, однако требует усложнения организации как аппаратуры МПВК, так и системного программного обеспечения, а для достижения наилучшего эффекта такой модификации нередко требует и прикладное программное обеспечение. При правильной организации МПВК отказы не приводят к потере данных или прекращению вычислительного процесса, а либо вообще не сказываются на работе МПВК, либо вызывают постепенную деградацию вычислительной мощности. Меры по обеспечению отказоустойчивости свои для каждого компонента МПВК.
Отказы оперативной памяти были рассмотрены выше. Отказы в коммутационной матрице также как и отказы оперативной памяти целесообразно маскировать применением кодов, корректирующих ошибки. Наиболее сложны для обнаружения и восстановления информации отказы процессоров, однако в случае наличия встроенных средств самоконтроля или при периодическом прогоне на каждом процессоре контрольных тестов, задача обнаружения решается довольно легко. Восстановление вычислительного процесса состоит в исключении операционной системой отказавшего процессора из списка доступных и запуске на другом процессоре пострадавшего процесса с последней контрольной точки. Отказы процессоров ввода-вывода обнаруживаются довольно легко, восстановление ввиду наличия 4-х идентичных по функциям ПВВ также несложно – необходимо лишь подключение критичных для работы МПВК периферийных устройств ко всем ПВВ с соответствующей коммутацией. Отказы самих периферийных устройств – наиболее простая и хорошо проработанная часть организации отказоустойчивости. Наиболее часто применяется тот или иной вид резервирования на уровне устройств – нагруженное, ненагруженное или скользящее.
Необходимо отметить, что поддержки операционной системы не требует в данном случае лишь организация отказоустойчивости оперативной памяти, коммутационной матрицы и некоторых периферийных устройств. Все остальные решения требуют той или иной поддержки на уровне ядра операционной системы МПВК.
ОС МПВК должна выполнять все функции ОС однопроцессорной ЭВМ, однако дополнительно она должна обеспечивать эффективное использование ресурсов многопроцессорного комплекса (см. разделы “Симметричная многопроцессорная обработка”, “Нити”). Так как проблемы реализации ОС более серьезны, чем в однопроцессорном варианте, необходимо уделить особое внимание обеспечению корректного конкурентного доступа (предлагается использование семафоров – см. “Семафоры”). Для избежания простоев системы необходимо избегать тупиковых ситуаций (см. разделы “Тупиковые ситуации”, “Предотвращение тупиковых ситуаций”). Так как эффективных алгоритмов разрешения тупиков без потери информации, в общем случае, не существует, данные методы не рассматриваются (это в основном уничтожение процессов, начиная с наименее приоритетных процессов по какому-либо определенному заранее критерию).
В общем можно сказать, что ОС многопроцессорных ЭВМ похожи по функциям и реализации на ОС однопроцессорных ЭВМ, однако они выполняют некоторые дополнительные функции, а реализация основных функций часто более сложна.
3.1 Симметричная многопроцессорная обработка
(Symmetric Multiprocessor Processing – SMP)
Для многопроцессорной обработки всегда требуются и соответствующие аппаратные платформы, и операционные системы. Однако ОС могут использовать многопроцессорные платформы несколькими разными способами. При асимметричной многопроцессорной обработке процессы прикладных программ назначаются конкретному процессору на аппаратной платформе. Нити каждого процесса должны ждать, пока назначенный им процессор освободится. Такой метод, как правило, менее эффективен, чем симметричный метод. Симметричная многопроцессорная обработка предполагает, что все процессоры имеют одинаковые возможности.