Багатопроцесорність

Размещено на http://www.allbest.ru/

План

1. Багатопроцесорні комп'ютери

2. Гіперпотокова технологія (Hyper-threading)

Використана література

1. Багатопроцесорні комп'ютери

багатопроцесорна обробка гіперпотокова технологія

Багатопроцесорність (Мультипроцесор, Багатопроцесорна обробка, англ. Multiprocessing) -- використання пари або більшої кількості фізичних процесів в одній комп'ютерній системі. Термін також відноситься до здатності системи підтримати більш ніж один процесор і здатність розподілити завдання між ними. Існує багато варіантів даного поняття, і визначення Багатопроцесорність може мінятися залежно від контексту, головним чином залежно від того, як визначені процесори (багато ядер в одному кристалі, безліч чіпів в одному корпусі, безліч корпусів в одному системному модулі, і т. д.).

Багатопроцесорністью іноді називають виконання множинних паралельних програмних процесів в системі в протилежність виконанню одного процесу у будь-який момент часу. Проте терміни багатозадачність або мультипрограмування є більш відповідними для опису цього поняття, яке здійснене головним чином в програмному забезпеченні, тоді як багатопроцесорна обробка є більш відповідною, щоб описати використання множинних апаратних процесорів. Система може бути і багато-процесорною і мульти-програмованою, тільки одній з двох, або ні тій і ні іншій.

Процесорна симетричність

У багатопроцесорній системі всі центральні процесори можуть бути рівними, або деякі можуть бути зарезервовані для особливих цілей. Комбінація конструктивних міркувань програмного забезпечення апаратної і операційної системи визначає симетрію (або відсутність її) в даній системі. Наприклад, апаратні або програмні міркування можуть зажадати, щоб тільки один центральний процесор відповідав на всі апаратні переривання, тоді як вся інша робота в системі може бути розподілена однаково серед процесорів; або виконання коди привілейованого режиму може бути обмежене тільки одним процесором (або певним процесором, або тільки один процесор за один раз), тоді як код непривілейованого режиму може бути виконаний на будь-якій комбінації процесорів. Часто багатопроцесорні системи простіше проектувати, якщо введені такі обмеження, але вони мають тенденцію бути менш ефективними чим системи, в яких використовуються всі центральні процесори.

Системи, які обробляють всі центральні процесори однаково, називають системами з симетричною багатопроцесорною обробкою (SMP). У системах, де всі центральні процесори не рівні, системні ресурси можуть бути розділені багатьма способами, зокрема асиметричною багатопроцесорною обробкою (ASMP), багатопроцесорною обробкою з неоднорідним доступом до пам'яті (NUMA) і кластеризованою багатопроцесорною обробкою (qq.v.).

Потоки команд і даних

У багатопроцесорній обробці процесори можуть використовуватися для виконання однієї послідовності команд в множинних контекстах (єдина машинна команда, множинні дані або SIMD, часто використовуваний у векторній обробці), множинні послідовності команд в єдиному контексті («множинний потік команд, одиночний потік даних» або Архітектура MISD, використовувана для надмірності у відмовостійких системах і іноді вживана, щоб описати конвеєрні процесори або гіперпотокова), або множинні послідовності команд в множинних контекстах («множинний потік команд, множинні потік даних» або MIMD).

З'єднання процесорів

Багатопроцесорні системи з сильним зв'язком (англ. Tightly-coupled multiprocessor systems) містять декілька процесорів, які підключені на шинному рівні. Ці процесори можуть мати доступ до центральної пам'яті (SMP або UMA), що розділяється, або можуть брати участь в ієрархії пам'яті і з локальною і з пам'яттю, що розділяється (NUMA). IBM p690 Regatta є прикладом могутньої системи SMP. Процесори Intel Xeon домінували над багатопроцесорним ринком для ділових РС і були єдиними x86-опцій до випуску лінійки процесорів AMD Opteron в 2004 році. Обидві лінійки процесорів мали свій власний вбудований кеш, але по різному забезпечують доступ до пам'яті, що розділяється: процесори Xeon через загальний канал, а процесори Opteron через незалежні магістралі до системної оперативної пам'яті.

Багатопроцесорні (багатоядерні) чіпи, включає більше одного процесора, поміщеного в однокристальну схему, і можуть вважатися самою граничною формою багатопроцесорної обробки з сильним зв'язком. Мейнфреймовиє системи з безліччю процесорів -- часто є системами з сильним зв'язком.

Багатопроцесорні системи з гнучким зв'язком (Loosely-coupled multiprocessor systems), часто звані кластерами, засновані на множинних автономних одиночних або подвійних комп'ютерах, зв'язаних через високошвидкісну систему зв'язку (наприклад, Gigabit Ethernet). Кластер Беовульфа під управлінням Linux -- приклад гнучко зв'язаної системи.

Системи з сильним зв'язком працюють краще і фізично вони менші, ніж гнучко зв'язані системи, але історично зажадали великих початкових інвестицій і можуть швидко амортизуєтся; вузли в гнучко зв'язаній системі -- зазвичай недорогі комп'ютери і можуть бути використані як незалежні машини після видалення з кластера.

Системи з сильним зв'язком мають тенденцію бути набагато більше енергоефективними, чим кластери. Це відбувається тому що значні економічні системи можуть бути реалізовані, за допомогою проектування компонентів, спочатку призначених для роботи в системах з сильним зв'язком, тоді як гнучко зв'язаних системах використовують компоненти, які призначені не обов'язково для використання в таких системах.

Багатопроцесорна обробка з SISD

У комп'ютері з одиночним потоком команд і одиночним потоком даних один процесор послідовно обробляє команди; кожна машинна команда обробляє один елемент даних. Приклад -- фон-неймановска архітектура.

Багатопроцесорна обробка SIMD

У комп'ютері з одиночним потоком команд і множинним потоком даних один процесор обробляє потік команд, кожна з яких може виконати паралельні обчислення на безлічі даних.

Багатопроцесорна обробка SIMD добре підходить для паралельної або векторної обробки, в якій великий набір даних може бути роздільний на частини, які обробляються ідентичними, але незалежним операціями. Одиночний потік команд направляє операцію модулів мультипрограмування для виконання однотипних маніпуляцій одночасно на потенційно великій кількості даних.

Для певних типів обчислювальних застосувань цей тип архітектури може дати значне збільшення продуктивності з погляду витраченого часу. Проте, недолік цієї архітектури полягає в тому, що велика частина системи починає простоювати при виконанні програм або системних завдань, які не можуть бути розділені на модулі (підзадачі), які можуть бути оброблені паралельно.

Крім того, програми повинні бути ретельно і спеціально написані, щоб мати можливість максимально задіювати можливості архітектури. Часто застосовуються спеціальні оптимізуючі компілятори, спроектовані щоб створити код спеціально для використання в цьому середовищі. Деякі компілятори в цій категорії забезпечують спеціальні конструкції або розширення, щоб дозволити програмістам безпосередньо визначати операції, які будуть виконані паралельно (наприклад, оператори DO FOR ALL у Фортрані, використовуваного на ILLIAC IV, який був багатопроцесорним суперкомп'ютером з SIMD-архітектурой).

Багатопроцесорна обробка SIMD знаходить широке застосування в деяких областях, таких як комп'ютерне моделювання, але малокорисна в універсальному настільному комп'ютері і бізнес-задачах.

Багатопроцесорна обробка MISD

Багатопроцесорна обробка з множинним потоком команд і одиночним потоком даних пропонує головним чином перевагу надмірності, оскільки модулі мультипрограмування виконують одні завдання на одних даних, зменшуючи можливості неправильних результатів, якщо один з модулів виходить з ладу. Архітектура MISD дозволяє порівнювати результати обчислень в цілях виявлення відмов. Окрім надмірності і відмовостійкої у цього типу багатопроцесорної обробки трохи переваг. До того ж він весма дорогий. Він не збільшує продуктивність.

Багатопроцесорна обробка MIMD

Архітектура багатопроцесорної обробки MIMD є відповідною для великого числа різноманітних завдань, в яких реалізовано повністю незалежне і паралельне виконання команд, що стосуються різних наборів даних. З цієї причини і тому що це просто здійснити, MIMD переважає в багатопроцесорній обробці.

Обробка розділені на декілька потоків, кожен з власним апаратним станом процесора, в рамках єдиного визначеного програмним забезпеченням процесу або в межах множинних процесів. Оскільки система має декілька потоків, чекаючих виконання (системні або призначені для користувача потоки), ця архітектура ефективно використовує апаратні ресурси.

У MIMD можуть виникнути проблеми взаємного блокування і змагання за володіння ресурсами, оскільки потоки, намагаючись дістати доступ до ресурсів, можуть зіткнутися непередбачуваним способом. MIMD вимагає спеціального кодування в операційній системі комп'ютера, але не вимагає змін в прикладних програмах, окрім випадків коли програми самі використовують множинні потоки (MIMD прозорий для однопоточних програм під управлінням більшості операційних систем, якщо програми самі не відмовляються від управління з боку ОС). І системне і призначене для користувача програмне забезпечення, можливо, повинні використовувати програмні конструкції, такі як семафори, щоб перешкоджати тому, щоб один потік втрутився в інший, у випадку якщо вони містять посилання на одні і ті ж дані. Таку дію збільшує складність коди, знижує продуктивність і значно збільшують кількість необхідного тестування, хоча зазвичай не настільки щоб звести нанівець переваги багатопроцесорної обробки.

Подібні конфлікти можуть виникнути на апаратному рівні між процесорами, і повинен зазвичай вирішуватися апаратними засобами, або з комбінацією програмного забезпечення і устаткування.

2. Гіперпотокова технологія (Hyper-threading)

Hyper-threading (англ. Hyper-threading -- гіпер-нитевість, офіційна назва Hyper-Threading Technology (HTT)) -- торгова марка компанії Intel для реалізації технології «одночасної багатонитевості» (англ. Simultaneous multithreading) на мікроархітектурі Pentium 4.

Розширена форма супер-нитевості (англ. Super-threading), що вперше з'явилася у процесорах Intel Xeon і пізніше додана в процесори Pentium 4. Ця технологія збільшує продуктивність процесора при певних робочих навантаженнях шляхом надання «корисної роботи» (англ. useful work) виконавчим блокам (англ. execution units), які без цієї функції не будуть використовуватись (наприклад, у випадках кеш-промаху). Процесори Pentium 4 з увімкненим Hyper-threading операційна система визначає як два різних процесора замість одного.

Основні переваги Hyper-threading представлені як: покращена підтримка багатонитевого коду, що дозволяє запускати ниті одночасно; поліпшена реакція і час відгуку; збільшена кількість користувачів, що може підтримувати сервер.

Компанія Intel стверджує що перша реалізація призвела до 5-відсоткового збільшення площі кристала але натомість дозволяла збільшити продуктивність на 15 -- 30 %.

Intel стверджує, що надбавка до швидкості складає 30 % в порівнянні з ідентичними процесорами Pentium 4 без технології «Simultaneous multithreading». Однак надбавка до продуктивності змінюється від застосунку до застосунка: деякі програми взагалі дещо сповільнюються при включеній технології Hyper-threading. Це, в першу чергу, пов'язано з «системою повторення» процесорів Pentium 4, що займає необхідні обчислювальні ресурси, від чого і починають «голодувати» інші ниті.

Технологія Hyper-threading не була успадкована в сімействі процесорів Intel Core.

Intel в листопаді 2008 випустив процесор Core i7 (кодова назва Nehalem), в якому технологія hyper-threading була відроджена. Nehalem містить 4 ядра і ефективно маштабується до 8 нитей в пікових режимах.[2]

Черговим процесором, де інкарнувалася технологія hyper-threading, став Intel Atom, який використовується для енергоефективних мобільних пристроїв і дешевих настільних комп'ютерів.

Використана література

1. «Микропроцессоры и микропроцессорные комплекты интегральных микросхем», справочник, под ред. В.А. Шахнова, том 2, Москва «Радио и связь», 1988.

2. А.С. Басманов «МП и ОЭВМ», Москва, «Мир», 1988.

3. В.В. Сташин, А.В. Урусов «Программирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах», Москва, «Энергоатомиздат», 1990.

4. «Микропроцессоры», Учебное пособие в 5-ти книгах, под редакцией В.А. Шахнова, Москва «Высшая школа», 1988.

5. «Персональные ЭВМ и микроЭВМ», справочник, А.А. Мячеев, В.Н. Степанов, Москва, «Радио и связь», 1991г.

6. М. Гук Современные микропроцессоры Pentium, Pentium II, Pentium III. Издательство “Питер” 2000г.

7. М. Гук Аппаратные средства IBM PC Издательство «ПитерКом» С.-П.1999г.

8. Жаров А. Железо IBM 2000 или все о современном компьютере М.2000 Издательство «Микроарт».

Размещено на Allbest.ru