117. Приведите основные структуры объединения процессоров в многопроцессорных системах. В чем суть ограничений архитектуры Фон-Неймана

Традиционно архитектура Фон Неймана имеет четыре основные характеристики:

1. Единое вычислительное устройство, включающее процессор, средства передачи информации и память;

2. Линейную структуру адресации памяти, включающую слова фиксированной длины (формат команд представляется байтами, сложные команды — несколько байт);

3. Низкий уровень машинного языка (команды процессора выполняют простые операции, т.е. сложные процедуры выполняются последовательно);

4. Централизованное последовательное управление (последовательно читаются команды, последовательно выполняются операции).

В гарвардской архитектуре память данных и память команд разделены, т.е. процессор читает команды из памяти команд по шине команд и читает данные из памяти данных по шине данных. Между ними (шинами) может быть связь через мультиплексор.

Как в традиционной, так и гарвардской структуре существует принципиальное явление, ограничивающее производительность процессора — канал связи. Если увеличивать быстродействие процессора, то скорость выполнения начинает ограничиваться задержкой в канале. Эта величина конечна, поэтому ее практически не преодолеть. Если увеличить число процессоров работающих параллельно с общей памятью, то при реальных характеристиках увеличение производительности, возможно, не более чем в 3…4 раза с большим числом процессоров. Основная причина падения производительности на один процессор (снижение эффективности) в мультипроцессорных системах — сама архитектура вычислителя, предусматривающая общую память и последовательный к ней доступ. Поэтому разрабатываются варианты увеличения производительности с применением параллельных процессоров.

Режим мультипрограммирования применяют не только для нескольких задач, но и для одной большой задачи, если возможно выполнение ее по частям, т.е. несколько подпрограмм одной задачи могут выполняться параллельно. Особенностью мультипрограммных режимов считается то, что задание разбивается на составляющие части — пункты или шаги задания. Каждый пункт задания может в результате работы вызывать другую программу. В этом режиме могут создаваться подзадачи, т.е. в целом режим мультипрограммирования предусматривает деление задания на составляющие, с которыми процессор работает как с самостоятельными задачами. Память разбивается на системную область где храниться ядро операционной системы и основные программы и динамическую область в которой располагаются сведения о всех заданиях. Приоритет — в сторону увеличения адресов, т.е. программа находящаяся в динамической памяти с большим адресом имеет больший приоритет.

Структуру такого режима можно представить в следующем виде.

С учетом мультипрограммного режима в пакетном режиме число одновременно находящихся в памяти задач также конечно. Рост числа задач требует увеличения памяти, поэтому с учетом стоимостных характеристик величина Мопт снижается до 4-5 задач. При рассмотрении обоих режимов следует учитывать, что выполнение процессором второго задания после первого требует небольшого времени на перезагрузку управляющих программ.