Muxammad al-xorazmiy nomidagi toshkent axborot texnologiyalari universiteti urganch filiali

Arxitekturaga umumiy munosabarlar.

SMP - bu dasturni hisoblashni amalga oshirish uchun zarur bo'lgan talablar va qo'llab-quvvatlovchi harakatlarni bajarish uchun zarur bo'lgan barcha quyi tizimlar va komponentlarga ega bo'lgan to'liq o'zini o'zi ta'minlaydigan kompyuter tizimi. U umumiy xotirali ko'p tarmoqli dasturlar sifatida yoki kengaytiriladigan taqsimlangan xotira massiv parallel protsessor (MPP) yoki tovar klasterini shakllantirish uchun birlashtirilgan ko'plab ekvivalent quyi tizimlardan biri sifatida tarqatilgan foydalanuvchi ilovalari uchun mustaqil ravishda ishlatilishi mumkin. Shuningdek, u bir vaqtning o'zida mustaqil ishlarni ko'p dasturlashni qo'llab-quvvatlaydigan o'tkazuvchan kompyuter sifatida yoki jarayonlararo ma'lumotlar almashinuvi parallel dasturlash interfeysi uchun shaffof umumiy xotira orqali amalga oshirilsa ham, ko'p jarayonli xabarlarni uzatish uchun platforma sifatida ishlashi mumkin. Quyidagi bo'limlar asosiy quyi tizimlarni batafsil tavsiflab beradi, ular ishlashga erishishga qanday hissa qo'shishadi, asosan parallellik va turli xil funksionallik orqali alohida texnologiyalar. Ushbu bo'lim SMP arxitekturasining to'liq tashkil etilishi va uning asosiy tarkibiy qismlarining asosiy maqsadlari haqida qisqacha ma'lumot bilan boshlanadi, bu esa keyingi batafsil muhokamalar uchun kontekstni ta'minlaydi.

Har qanday umumiy maqsadli kompyuter kabi, SMP foydalanuvchi ilovasi nomidan to'g'ridan-to'g'ri apparat yoki bilvosita qo'llab-quvvatlovchi operatsion tizim orqali asosiy funktsiyalar to'plamini bajaradi. Bular odatda:

• 
  Protsessor yadrosi orqali ko'rsatmalar masalasi va ishlash funktsiyalari
  
• 
  Protsessor yadrolari ishlaydigan dastur ko'rsatmalarini saqlash va dastur ma'lumotlarini saqlash
  
• 
  Uzoq vaqt davomida talab qilinadigan barcha ma'lumotlarni saqlash uchun ommaviy va doimiy saqlash
  
• 
  SMP ichidagi quyi tizimlar va komponentlar o'rtasida oraliq qiymatlarni uzatish uchun ichki ma'lumotlar harakati aloqa yo'llari va boshqaruvi
  
• 
  SMP dan tashqari tashqi qurilmalarga kirish/chiqarish (I/U) interfeyslari, shu jumladan boshqa ommaviy saqlash, hisoblash tizimlari, o'zaro ulanish tarmoqlari va foydalanuvchi interfeyslari va
  
• 
  ayta ishlash, xotira, ichki ma'lumotlar yo'llari va tashqi aloqa kanallari o'rtasida SMP ishlashi va muvofiqlashtirishni boshqarish uchun mantiqiy va quyi tizimlarni boshqarish.
  

SMP protsessor yadrolari amaliy dasturlar uchun asosiy ijro funktsiyalarini bajaradi. Ushbu qurilmalar dizaynning sezilarli murakkabligini o'z ichiga olgan bo'lsa-da (keyinroq tavsiflanadi), ularning asosiy vazifasi bajarilishi kerak bo'lgan xotiradagi keyingi ko'rsatmani aniqlash, ushbu ko'rsatmani maxsus ko'rsatmalar registrida o'qish va operatsiya maqsadini aniqlash uchun ikkilik buyruq kodini dekodlash va bajarilishini nazorat qilish uchun hosil qilinadigan apparat signallarining ketma-ketligi. Ko'rsatma quvurli ijro bo'limiga beriladi va unga tegishli ma'lumotlar bilan yakuniy natijani aniqlash uchun mikrooperatsiyalar ketma-ketligidan o'tadi. Odatda boshlang'ich va natijaviy ma'lumotlar registrlar deb ataladigan maxsus saqlash elementlaridan olinadi va saqlanadi: vaqtinchalik qiymatlarni saqlaydigan juda yuqori tezlikda (yuqori tarmoqli kengligi, past kechikish) qulflar. Bir oz soddalashtirilgan holda, protsessor yadrosining umumiy funksionalligini tashkil etuvchi beshta operatsiyalar sinfi mavjud.

1. 
   Asosiy registrdan ro'yxatga olish butun son, mantiq va belgilar operatsiyalari.
   
2. 
   Haqiqiy qiymatlar bo'yicha suzuvchi nuqta operatsiyalari.
   
3. 
   Oraliq ma'lumotlar qiymatlariga (odatda mantiqiy) bog'liq holda bajariladigan operatsiyalar ketma-ketligini nazorat qilish uchun shartli filial operatsiyalari.
   
4. 
   Ma'lumotlarni registrlarga va asosiy xotira tizimiga ko'chirish uchun xotiraga kirish operatsiyalari.
   
5. 
   Tashqi kiritish-chiqarish kanallari orqali ma'lumotlarni boshqarishni boshlaydigan harakatlar, shu jumladan ommaviy saqlashga o'tkazish.
   

2005 yilgacha juda keng ko'lamli integratsiya (VLSI) texnologiyasi davridagi barcha protsessorlar bir mikroprotsessorli integral mikrosxemalar edi. Ammo Mur qonunini aks ettiruvchi yarimo'tkazgich texnologiyasining rivojlanishi va quvvat cheklovlari tufayli ko'rsatmalar darajasidagi parallelizm (ILP) va soat tezligining cheklanishi bilan so'nggi o'n yil ichida ikki yadroli rozetkalardan boshlangan ko'p yadroli protsessorlar (yoki rozetkalar) protsessorlar bozorida ustunlik qildi. . Bugungi kunda protsessorlar bir nechta yadrolardan iborat bo'lishi mumkin, 6-16, engil arxitekturaning yangi sinflari chipda 60 dan ortiq yadroli rozetkalarga ruxsat beradi. SMP qayta ishlash qobiliyatini ta'minlash uchun bir yoki bir nechta shunday rozetkalarni o'z ichiga olishi mumkin (2.2-rasm). SMP ning eng yuqori ishlashi rozetkalar soni, rozetkadagi yadrolar soni, ko'rsatma bo'yicha operatsiyalar soni va odatda ko'rsatmalarni chiqarish tezligini belgilaydigan soat tezligining mahsuloti bilan taxmin qilinadi. Bu tenglamada umumlashtirilgan.

2.2-rasm.SMP arxitekturasi

SMP xotirasi protsessor yadrolari tomonidan xotiradan ma'lumotlarga kirishni boshqarish, kesh ierarxiyasi orqali shaffof vertikal ko'chirish va protsessor yadrosi va protsessorni qo'llab-quvvatlaydigan ko'plab kesh steklari bo'ylab kesh izchilligini boshqarish uchun murakkab boshqaruv mantig'iga ega yarimo'tkazgichli xotiraning bir nechta qatlamlaridan iborat. stek keshlari. Ishlayotgan ma'lumotlarning joylashuvi nuqtai nazaridan SMP xotirasi, aslida, uchta alohida turdagi apparatdir. Protsessor yadro registrlari haqida allaqachon aytib o'tilgan; o'z nom maydoniga ega bo'lgan va eng tez kirish vaqtini (bir tsikldan kam) va eng past kechikishni ta'minlaydigan juda tez qulflar. Har bir yadro o'ziga xos va boshqalardan ajratilgan o'ziga xos registrlar to'plamiga ega. SMP ning asosiy xotirasi barcha protsessorlar va ularning yadrolari tomonidan foydalanish mumkin bo'lgan xotira banklariga bo'lingan xotira modullarining katta to'plamidir. Asosiy xotira alohida dinamik tasodifiy kirish xotirasi (DRAM) chiplarida amalga oshiriladi va SMP anakartning sanoat standartidagi xotira interfeyslariga (jismoniy, mantiqiy va elektr) ulanadi. Asosiy xotiradagi ma'lumotlarga kirish virtual manzil orqali amalga oshiriladi, uni protsessor asosiy xotiradagi jismoniy manzil joyiga aylantiradi. Odatda SMP protsessor yadrosi uchun 1-4 gigabayt asosiy xotira sig'imiga ega bo'ladi.

Protsessor yadro registrlari to'plamlari va SMP asosiy xotira banklari o'rtasida keshlar joylashgan. Keshlar protsessor yadrosining ma'lumotlarga kirish tezligi va DRAM uni taqdim etish tezligi o'rtasidagi tezlik bo'shlig'ini ko'paytiradi. Bu ikkisi o'rtasidagi farq osonlikcha ikki kattalik darajasida bo'lib, asosiy olish tezligi nanosekundda ikkita kirish tartibida va xotira aylanish vaqti 100 ns. Bunga erishish uchun kesh qatlamlari vaqtinchalik va fazoviy joylashuvdan foydalanadi. Oddiy qilib aytganda, bu kesh tizimi ma'lumotlarni qayta ishlatishga tayanishini anglatadi. Ideal holda, ma'lumotlarga kirish so'rovlari protsessor yadrosining talab tezligiga ekvivalent o'tkazuvchanlik va birdan to'rt tsiklgacha kechikishda ishlaydigan 1-darajali (L1) keshidagi ma'lumotlar bilan qondiriladi. Bu qidirilayotgan ma'lumotlar allaqachon olingan (vaqtinchalik joylashuv) yoki u allaqachon foydalanilgan ma'lumotlarga juda yaqin (fazoviy joy) deb taxmin qiladi. Bunday sharoitda protsessor yadrosi eng yuqori ishlash qobiliyatiga juda yaqin ishlashi mumkin. Ammo o'lcham va quvvat talablari tufayli L1 keshlari (ma'lumotlar va ko'rsatmalar) nisbatan kichik va toshib ketishga moyil; faqat L1 keshida saqlanishi mumkin bo'lgandan ko'ra ko'proq ma'lumotlarga ehtiyoj bor. Buni hal qilish uchun 2-darajali kesh (L2) deyarli har doim har bir yadro uchun protsessor rozetkasiga kiritiladi yoki ba'zan yadrolar o'rtasida taqsimlanadi. L2 keshi ham ma'lumotlar, ham ko'rsatmalarni o'z ichiga oladi va L1 keshlaridan ancha kattaroqdir, lekin juda sekinroq. L1 va L2 keshlari statik tasodifiy kirish xotirasi (SRAM) sxemasi dizayni bilan amalga oshiriladi. Yadro soat tezligi va asosiy xotira aylanish vaqtlari o'rtasidagi farq oshgani sayin, keshning uchinchi darajasi L3 qo'shildi, garchi ular odatda protsessor rozetkasining bir xil ko'p chipli modul paketiga o'rnatilgan DRAM chipi sifatida amalga oshirilgan bo'lsa ham. L3 keshi ko'pincha protsessor paketidagi ikki yoki undan ortiq yadrolar orasida taqsimlanadi.

Bu SMP xotira ierarxiyasining ikkinchi muhim xususiyatiga erishishga yordam beradi: kesh muvofiqligi. Simmetrik multiprocessing atributi tezkor kirishning izchil bo'lishi uchun keshlarda saqlanadigan asosiy xotira ma'lumotlari qiymatlarining nusxalarini talab qiladi. Agar virtual manzilga ega qiymatning ikki yoki undan ortiq nusxalari aniq jismoniy keshlarda bo'lsa, ulardan birining qiymatining o'zgarishi barcha boshqalarining qiymatlarida aks ettirilishi kerak. Ba'zida haqiqiy qiymat yangilangan qiymatga o'zgartirilishi mumkin, lekin ko'pincha boshqa nusxalar bekor qilinadi, shuning uchun eskirgan qiymat o'qilmaydi va ishlatilmaydi. Ma'lumotlar nusxalarining to'g'riligini ta'minlaydigan ko'plab apparat protokollari mavjud bo'lib, ular 1980-yillarda o'zgartirilgan eksklyuziv umumiy yaroqsiz protokollar oilasi bilan boshlangan. SMP ichidagi keshlar bo'ylab ma'lumotlarning bunday muvofiqligini ta'minlash zarurati dizayn murakkabligini, ma'lumotlarga kirish vaqtini va energiyani oshiradi.

Ko'pgina SMP tizimlari katta hajmdagi ma'lumotlarni, ham dastur kodlarini, ham foydalanuvchi ma'lumotlarini saqlash uchun o'zlarining ikkilamchi xotirasini o'z ichiga oladi va buni bog'langan ilovalar tugagandan so'ng saqlangan ma'lumotlarni yo'qotmaslik uchun doimiy tarzda qiladi, boshqa foydalanuvchilar tizimdan foydalanadilar yoki tizim o'chirilgan. Ommaviy saqlashga odatda bir yoki bir nechta aylanadigan diskli qattiq magnit disk texnologiyasi orqali erishiladi. Yaqinda, bir oz pastroq zichlikka ega bo'lsa-da, qattiq holatdagi drayvlar (SSD) bu maqsadga xizmat qildi. Qimmatroq bo'lsa-da, SSD-lar yuqori kirish va aylanish vaqtlarini va yaxshi ishonchliligini namoyish etadi, chunki ularda harakatlanuvchi qismlar yo'q. Ommaviy saqlash foydalanuvchiga ikkita mantiqiy interfeysni taqdim etadi. To'g'ridan-to'g'ri, u kataloglarning grafik tuzilmasidan iborat fayl tizimini qo'llab-quvvatlaydi, har birida boshqa kataloglar va ma'lumotlar va dasturlarning oxirgi foydalanuvchi fayllari mavjud. Muayyan fayl va katalogga kirish xizmati qo'ng'iroqlarining to'liq to'plami foydalanuvchilarga ikkilamchi xotiradan foydalanish uchun operatsion tizimning bir qismi sifatida taqdim etiladi. Ommaviy saqlash tomonidan taqdim etilgan ikkinchi abstraksiya virtual xotira tizimining bir qismi bo'lib, u erda virtual manzillarga ega blok ma'lumotlarining "sahifalari" diskda saqlanishi va kerak bo'lganda asosiy xotiraga va asosiy xotiraga almashtirilishi mumkin. Xotirada topilmagan ma'lumotlar uchun sahifa so'rovi amalga oshirilganda, sahifa xatosi ko'rsatiladi va operatsion tizim kamroq foydalaniladigan sahifani diskka ko'chirish va keyin asosiy xotirada so'ralgan sahifa uchun joy bo'shatish uchun zarur vazifalarni bajaradi. turli jadvallarni yangilashda kerakli sahifani xotiraga olib kirish. Bu foydalanuvchi uchun shaffof tarzda amalga oshiriladi, lekin keshga o'xshash ma'lumotlarga kirish so'rovidan million marta ko'proq vaqt talab qilishi mumkin. Ba'zi SMP tugunlari, ayniqsa tovar klasterlari yoki MPPlarning quyi tizimlari sifatida ishlatiladiganlar, o'zlarining ikkilamchi xotirasini o'z ichiga olmaydi. "Disksiz tugunlar" deb ataladigan ular o'rniga superkompyuterning quyi tizimi yoki hatto bir nechta kompyuterlar va ish stantsiyalari tomonidan baham ko'rilgan tashqi fayl tizimlari bo'lgan ikkilamchi xotirani baham ko'radi. Disksiz tugunlar kichikroq, arzonroq, kamroq energiya va ishonchli.

Har bir SMP tashqi qurilmalar (SMP dan tashqari), foydalanuvchi interfeyslari, ma'lumotlarni saqlash, tizimli tarmoq tarmoqlari, mahalliy tarmoqlar va keng maydon tarmoqlari va boshqalar bilan aloqa qiladigan bir nechta kiritish-chiqarish kanallariga ega. Har bir foydalanuvchi bularning ko'pchiligi bilan tanish, chunki ular ish stoli va noutbuk tizimlarida ham mavjud. Mahalliy va tizimli tarmoqlar uchun interfeyslar Ethernet va InfiniBand (IB) ga kengroq klasterning boshqa SMP-lariga yoki umumiy ommaviy xotira, printerlar va internet kabi institutsional muhitlarga ulanish uchun taqdim etiladi. Umumjahon seriyali avtobus (USB) har xil maqsadlarda, jumladan, portativ flesh-disklar uchun shunchalik keng qo'llanila boshlandiki, u hamma joyda mavjud bo'lib, asosan ekran paneli yoki noutbukdan kattaroq hamma narsada va, albatta, har qanday ish stolida yoki stendga o'rnatilgan SMPda mavjud. JTAG tizimni boshqarish va texnik xizmat ko'rsatish uchun keng qo'llaniladi. Serial Advanced Technology Attachment (SATA) tashqi disk drayvlar uchun keng qo'llaniladi. Video grafik majmuasi va yuqori aniqlikdagi multimedia interfeysi yuqori aniqlikdagi video ekranlarga bevosita ulanishni ta'minlaydi. Odatda to'g'ridan-to'g'ri ulangan foydalanuvchi klaviaturasi uchun maxsus taqdim etilgan ulanish mavjud. Tizimga qarab, bir qator boshqa kiritish-chiqarish interfeyslari bo'lishi mumkin.