2. Структури зв’язку між процесорами
Процесори та модулі пам'яті системи мають бути зв'язані через відповідні комутаційні структури, щоб утворити єдину загальну систему. Структура зв'язку обчислювальної системи має відповідати критеріям:
По-перше, забезпечувати
високу коннективність,
тобто гарантувати зв'язок між двома
будь-якими елементами
ОС без
потреби переходу через
проміжні пункти комутацій.
Крім цього, має забезпечуватись найбільша кількість одночасних зв'язків, щоб комутаційна мережа не обмежувала паралельну обробку інформації.
Проте об'єктивно існують різноманітні обмеження на реалізацію цих критеріїв:
1) кількість ліній зв'язку на один процесор не може збільшуватися безмежно;
2) ширина частотної смуги пропускання (швидкість передачі) комутаційної мережі має також фізичні обмеження.
Для паралельної системи з n процесорними елементами (ПЕ) можна визначити такі види витрат:
а) кількість зв'язків на один ПЕ (витрати на виготовлення системи);
б) дистанція між ПЕ (витрати під час експлуатації).
Як видно з наведених вище міркувань, кількість зв'язків на один процесор і дистанція, тобто найкоротша лінія зв'язку між двома заданими ПЕ, мають бути якомога меншими. Структура зв'язку має бути масштабованою, тобто малі мережі зв'язку мають збільшуватися завдяки доповненням.
Структури зв’язку поділяються на три великих класи:
• Шинні сітки.
• Сітки з комутаторами.
• Структури, що забезпечують зв'зок типу "пункт-пункт".
2.1. Шинні сітки
Один з найпростіших способів організації мультипроцесорних систем спирається на використання загальної шини (рис .2.1), до якої підключаються як процесори, так і пам'ять. Сама шина складається з якогось числа ліній, необхідних для передачі адрес, даних і управляючих сигналів між процесорами і пам'яттю. Щоб запобігти одночасному зверненню декількох процесорів до пам'яті, використовується та або інша схема арбітражу, що гарантує монопольне володіння шиною пристроєм, що захопив її.
Рис. 2.1. Шинна система
Тут кількість зв'язків на один ПЕ завжди дорівнює 1, тобто оптимальна.
Відстань між двома ПЕ такої зостається незмінною і дорівнює 2 (не 1, тому що кожний зв'язок має йти від ПЕ до шини і назад: ПЕі шина; ПЕі).
Недоліки шини зумовлені тим, що в кожний момент може відбуватись одне з''єднання. Паралельне читання за однією й тією адресою модуля пам'яті можливе, однак запис - ні. Ні в якому разі процесори не можуть незалежно обмінюватися даними; паралельна обробка при обміні даними між процесорами неможлива.
Крім того, проблема таких систем полягає у тому, що навіть невелике збільшення числа пристроїв на шині (4—5) дуже швидко робить її вузьким місцем, що викликає значні затримки при обмінах з пам'яттю і катастрофічне падіння продуктивності системи в цілому. У зв’язку із сказаним шинні системи як засоби зв'язкув паралельних ЕОМ, в яких кількість процесорів перевищує десять, застосовуватись не можуть.
Сітки з комутаторами
Сітки з комутаторами - це динамічні структури зв'язку.
Рис. 2.2. Шинний розподілювач
Кожний ПЕ має n-1 пункт комутації, бо діагональні пункти не потребують контакту. Загалом ця сітка має n*(n-1) пунктів комутації і дає можливість встановити будь-яку кліькість з'єднань між всіма ПЕ. Тобто без всяких колізій може відбуватись повністю паралельний обмін даними. Суттєвим недоліком цього комутатора є витрати на його побудову, становлять n*(n-1) пунктів з'єднань для n ПЕ. Практично така кількість пунктів може бути реалізована лише для невеликої кількості процесорів. Вже для 100 ПЕ потрібно 9900 перемикань.
Дельта - сітки
Щоб зменшити витрати порядку n2, що виникли під час побудови розподілювачів перехресних шин, були розроблені дельта-сітки. В найпростішому випадку (рис.2.3)
Рис.2.3. Дельта-мережі комутації
дві лінії даних можуть перемикатись нахрест за допомогою єдиної лінії керування або на пряму передачу з входу на вихід.
На рис.2.4 показано, як проходять сигнали всередтні "чорного ящика" дельта-сітки. Якщо керуючий сигнал дорівнює нулю, то обидві лінії даних (або пучки ліній) приєднуються прямо до вихідних ліній. У випадку, коли керуючий сигнал дорівнює одиниці, лінії даних перемикаються на виході нахрест.
Рис.2.4. Перемикач дельта-мережі
З таких простих базових елементів можна будувати більш об'смні сітки. На рис.2.5 наведено триступеневу дельта-сітку, яка •з'єднує 8 входів з 8 виходами. Кожний елемент сітки відподає базисному елементу, що показаний на рис.2.3.
Рис. 2.5. Дельта-сітка розміром 8х8
Перевагою дельта-сіток над розподілювачами перехесних шин є менша потреба у дельта-перемикачах, що оцінюється як — (n*log n)/2. Вирішальним же недоліком є те, що не не всі можливі комбінації зв'язків між процесорами можуть бути реалізовані.