М. М. Мусаев компьютер тизимлари ва тармоқлари

1.4. Ҳисоблаш тизимлари хотирасининг ташкил қилиниши

Бир процессорли ҳисоблаш тизимларида процессор ва хотиранинг тезлиги орасидаги фарқ ҳар доим катта муаммо бўлган. Кўп процессорли ҳисоблаш тизимлари яна битта муаммони - бир неча процессорлар томонидан бир вақтнинг ўзида хотирага мурожаат қилиш муаммосини келтириб чиқаради.

Умумий хотирали (биргаликда фойдаланиш ёки ажратилган хотира деб ҳам аталади) тизимларда ҳисоблаш тизимининг хотираси умумий ресурс сифатида қаралади ва ҳар бир процессор манзиллар оралиғига мурожаат қилиш ҳуқуқига эга. Ҳисоблаш тизимининг бундай қурилиши SIMD синфида ҳам, MIMD синфида ҳам ўрин топган.
Тақсимланган хотирали тизимларда ҳар бир процессорга шахсий хотира бириктирилган. Процессорлар тармоққа бирлаштирилиб, хотирасида сақланаётган маълумотларни хабар кўринишида алмашиши мумкин. Бундай заиф боғланган тизимлар SIMD синфида ҳам, MIMD синфида ҳам учрайди.
Баъзи ҳолларда умумий хотирали ҳисоблаш тизимлари мультипроцессорли, тақсимланган хотирали тизимлар эса мультикомпьютерли деб ҳам аталади.
Дастурчилар иккита тизим хотираси орасидаги фарқни ҳисобга олишлари керак, чунки у паралеллаштирилган дастур қисмларининг ўзаро ишлаш усулларини аниқлайди. Умумий хотирали тизимда хотирада маълумотлар структурасини яратиш ва бу структурага параллел қўлланилаётган нимдастур мурожаатларини узатиш етарли бўлади. Тақсимланган хотирали тизимда ҳар бир локал хотирада биргаликда ишлатилаётган маълумотларнинг нусхаси бўлиши етарлидир. Бу нусҳалар ажратилган маълумотларни хабарларга солиш йўли билан яратилади.
Биргаликда қўлланиладиган умумий хотирали архитектуралар.
Ҳар қандай процессорнинг хотирага мурожаат қилиши бир хил бўлган ва бир хил вақтни эгаллайдиган умумий хотирали ҳисоблаш тизимлари хотирага бир усулда мурожаат қиладиган UMA (Uniform Memori Access) тизимлар дейилади. Бу умумий хотирали параллел тизимларнинг нисбатан кенг тарқалган архитектурасидир. Бундай тизимларда ҳар бир n процессорни ҳар бир m модул билан боғловчи боғламалар мавжуддир. Бундай тизимларни қуришнинг энг содда усули – бу бир неча (Р) процессорнинг (М) ягона хотира билан умумий шина ёрдамида бирлаштирилишидир (1.4,а-расм). Аммо бу ҳолатда ҳар бир оний вақтда шина бўйлаб алмашинувни фақат битта процессор амалга ошириши мумкин, қолган процессорлар шинанинг бўшашини кутиб туради.
Агар тизим таркибида фақат иккита процессор бўлса, уларнинг унумдорлиги максимал ҳолатга яқин бўлади, чунки уларнинг шинага мурожаати навбатма навбат бўлиши мумкин: бир процессор буйруқни декодлаб бажаргунча, бошқа процессор шинани хотирадан кейинги буйруқни танлаш учун қўллаши мумкин. Аммо учинчи процессор қўшилса, унумдорлик пасаяди. Шинадан ўнта процессор (Р) фойдаланса, шина тезлигининг кўрсатгичи (1.4,в-расм) горизонтал ҳолатга келади, шунинг учун 11 – процессорнинг қўшилиши унумдорликни (У) оширмайди. Бу расмдаги қуйи эгри чизиқ, хотира ва шина - хотира циклининг давомийлик комбинацияси билан аниқланадиган қайдланган ўтказиш имкониятига эга эканлигини кўрсатади. Бу ўтказиш хусусияти умумий шинали кўп процессорли тизимларда бир неча процессорлар орасида тақсимланади.
Агар процессор циклининг давомийлиги хотира циклига нисбатан катта бўлса, шинага кўп процессорни улаш мумкин бўлади. Аммо, одатда, процессор хотирага нисбатан тезкор, шунинг учун бу схема кенг кўламда қўлланилмайди.
Афсуски, UMA архитектураси яхши масштабланмайди. Таркибида 4-8 процессоргача бўлган тизим нисбатан кенг тарқалган бўлиб, 32-64 процессорли тизимлар эса кам тарқалган. Бундан ташқари, бундай тизимларни бузилишга барқарор тизимлар деб бўлмайди, чунки битта процессор ёки хотира модули ишдан чиқса, бутун ҳисоблаш тизими ишламайди.
Умумий хотирали ҳисоблаш тизимининг қурилишининг яна бир тури NUMA (Non-Uniform Memory Access) деб белгиланувчи хотирага бевосита мурожаат қилишдир. Бунда ҳозиргача манзил оралиғи ягона бўлиб, ҳар бир процессор эса локал хотирага эгадир. Процессорнинг шахсий локал хотирасига мурожаат қилиши тўғридан – тўғри амалга оширилади, бу коммутатор ёки тармоқ орқали хотирадан масофавий мурожаат қилишдан тезроқ амалга ошади. Бундай тизим глобал хотира билан тўлдирилиши мумкин, унда локал сақлаш қурилмалари глобал хотира учун тезкор кэш – хотира вазифасини бажаради. Бундай схемалар тизимнинг унумдорлигини яхшилаши мумкин, аммо унумдорлик чизиғини чекланмаган равишда тўғрилашни орқага суриш ҳолатида эмас. Процессорларда локал m кэш – хотирасининг (1.4,б-расм) мавжуд бўлиши, керакли буйруқ ёки маълумотларни локал хотирада жойлашганлик эҳтимоли юқорилигидан далолат беради. Локал хотирага зеҳнли тушиш эҳтимоли процессорнинг глобал хотирага мурожаат сонини камайтиради ва шу тариқа, самарадорликнинг ошишига олиб келади. Унумдорликнинг эгри чизиғининг дарз кетиши энди 20 та процессор соҳасига, эгри чизиқнинг горизонтал ҳолатга келиши эса 30 та процессор соҳасига силжийди (1.4,в-расмдаги юқори эгри чизиқ).