簡談多處理機操作系統(tǒng)

張菡

摘 要：20世紀70年代出現(xiàn)了多處理器系統(tǒng)即MPS，進入90年代中后期，功能較強的主機系統(tǒng)和服務器幾乎都采用了多處理機系統(tǒng)，本文主要介紹了多處理機系統(tǒng)的引入，多處理機系統(tǒng)的類型和多處理機系統(tǒng)的結構這三方面內(nèi)容。

關鍵詞：多處理機操作系統(tǒng);多處理機類型;多處理機結構

提高計算機系統(tǒng)性能的主要途徑有兩條：一是提高構成計算機的元器件運行速度;二是改進計算機系統(tǒng)的體系結構，特別是在系統(tǒng)中引入多個處理器或多臺計算機，以實現(xiàn)對信息的高度并行處理。

1 多處理機系統(tǒng)的引入

多處理機系統(tǒng)MPS就是采用并行技術，令多個單CPU同時運行，使總體計算能力比單CPU計算機系統(tǒng)強大得多。引入多處理機系統(tǒng)的原因大致如下：

1.1 CPU時鐘頻率問題

CPU的時鐘頻率受限于信號在介質上的傳輸時間，顯然這對縮小元器件體積的要求越來越高。但是，隨著元器件，尤其是CPU體積的縮小，散熱又成了一個棘手的問題。CPU時鐘頻率越高，產(chǎn)生的熱量也越多，散熱問題越難解決。目前在高端的Pentium系統(tǒng)中，CPU散熱器的體積已經(jīng)超過了其本身的體積。可見目前的這種依靠提高CPU時鐘頻率來提高計算機運算速度的方法，已經(jīng)接近了極限。

1.2 增加系統(tǒng)吞吐量

隨著系統(tǒng)中處理機數(shù)目的增加，系統(tǒng)的處理能力也相應增強，這可使系統(tǒng)在單位時間內(nèi)完成更多的工作，即增加系統(tǒng)吞吐量。為了能使多個處理機協(xié)調工作，系統(tǒng)必須為此付出一定的開銷。因此利用n臺處理機運行時所獲得的加速比，并不能達到一臺處理機時的n倍。

1.3 節(jié)省投資

在達到相同處理能力的情況下，與n臺獨立的計算機相比，采用具有n個處理機的系統(tǒng)，可以更節(jié)省費用。因為此時的n個處理機可以做在同一個機箱中，使用同一個電源和共享一部分資源。

1.4 提高系統(tǒng)可靠性

在MPS中，通常都具有系統(tǒng)重構的功能，即當其中任何一個處理機發(fā)生故障時，系統(tǒng)可以進行重構，然后繼續(xù)運行。可以立即將故障處理機上所處理的任務遷移到其他的一個或多個處理機上繼續(xù)處理，保證整個系統(tǒng)仍能正常運行，其影響僅僅表現(xiàn)為系統(tǒng)性能上的少許降低。

2 多處理機系統(tǒng)的類型

對于多處理機系統(tǒng)而言，為了解決某個問題，需要多個CPU協(xié)同處理，彼此之間交換大量的信息。為此必須將這些處理機加以互連。但是不同互連技術形成了不同類型的系統(tǒng)及軟件組織結構。一般可以從不同角度對多處理機系統(tǒng)的結構進行如下分類：

2.1 緊密耦合MPS和松散耦合MPS

從多處理機之間耦合的緊密程度上，可把MPS分為兩類：

（1）緊密耦合MPS。緊密耦合是通過高速總線或高速交叉開關來實現(xiàn)多個處理器之間的互連的。系統(tǒng)有兩種實現(xiàn)方式：多處理器共享主存儲器系統(tǒng)和I/O設備，每臺處理器都可以對整個存儲器進行訪問;將多處理器與多個存儲器分別相連，或將主存儲器劃分為若干個能被獨立訪問的存儲器模塊，每個處理器對應一個存儲器模塊，每個處理器只能訪問其所對的存儲器模塊。

（2）松散耦合MPS。在松散耦合MPS中，通常是通過通道或通道線路來實現(xiàn)多臺計算機之間的互連。每臺計算機都有自己的存儲器和I/O設備，并配置了OS來管理本地資源和在本地運行的進程。因此每一臺計算機都能獨立地工作，必要時可通過通信線路與其他計算機交換信息，以及協(xié)調它們之間的工作。

2.2 對稱多處理器系統(tǒng)和非對稱多處理器系統(tǒng)

根據(jù)系統(tǒng)中所用處理器相同與否，可將MPS分為兩類：

（1）對稱多處理器系統(tǒng)。在系統(tǒng)中所包含的各處理器單元，在功能和結構上都相同，當前絕大多數(shù)的MPS都屬于SMP系統(tǒng)。

（2）非對稱多處理器系統(tǒng)。在系統(tǒng)中有多種類型的處理單元，它們的功能和結構各不相同。系統(tǒng)中只有一個主處理器，有多個從處理器。

3 多處理機系統(tǒng)的結構

由于程序或進程對不同存儲器模塊的讀寫速度可能存在差異，形成了不同的多處理機體系結構：UMA多處理機結構和NUMA多處理機結構。

3.1 UMA多處理機結構

所謂UMA即統(tǒng)一內(nèi)存訪問。在這種結構的多處理機系統(tǒng)中，各處理器單元在功能和結構上都是相同的，在處理上沒有主從之分，每個處理機可以訪問不同模塊中的存儲器單元，并且對于每個存儲單元的讀寫速度是相同的，根據(jù)處理機與存儲器模塊的連接方式不同，可以分為以下三種結構：基于單總線的SMP結構、使用多層總線的SMP結構、使用單級交叉開關的系統(tǒng)結構。

3.2 NUMA多處理機結構

所謂NUMA多處理機結構即非統(tǒng)一內(nèi)存訪問。在這種結構的多處理機系統(tǒng)，其訪問時間隨存儲字的位置不同而變化，系統(tǒng)中的公共存儲器和分布在所有處理機的本地存儲器共同構成了系統(tǒng)的全局地址空間，可被所有的處理機訪問。

NUMA多處理機結構的特點：所有共享存儲器在物理上是分布式的，在邏輯上是連續(xù)的，所有這些存儲器的集合就是全局地址空間，系統(tǒng)中的每一個CPU都可以訪問整個系統(tǒng)的內(nèi)存，但訪問時所使用的指令不同。

參考文獻：

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