Примеры схем арбитажа

Мультипроцессорные системы разделяются на два класса – симметричные и асимметричные ВС /1,2/. Симметричные мультипроцессорные системы позволяют получить лучшие эксплуатационные характеристики по сравнению с асимметричными системами, но увеличение числа процессоров (масштабирование) в симметричных системах требует решения ряда фундаментальных задач.

Сложной проблемой в симметричных мультипроцессорных системах является управление доступом многих равноправных и независимых процессоров к общим системным ресурсам – памяти, устройствам ввода-вывода, системной шине. Поэтому в симметричные вычислительные системы вводят специальные аппаратно-программные средства, осуществляющие арбитраж /13,14/. Система арбитража получает запросы от процессоров на системные ресурсы, формирует разрешения тем или иным процессорам на основе принятых критериев, например приоритетов.

Существуют различные системы арбитража: централизованные параллельный или последовательный, централизованный или децентрализованный опрос, децентрализованный арбитраж и ряд других /2-5/, отличающихся сложностью, временем арбитража, возможностью перепрограммирования в процессе работы.

При централизованном арбитраже в ВС имеется специальное устройство – контроллер арбитра, ответственное за предоставление доступа к шине только одному из запросивших ведущих модулей (процессоров).

В централизованном параллельном арбитраже, схема которого изображена на рис. 5.1, контроллер арбитра связан с каждым потенциальным ведущим модулем индивидуальными линиями «Запрос» и «Разрешение» шины.

Получив запрос от ведущего модуля, приоритет которого выше, чем у текущего ведущего, контроллер арбитра снимает сигнал разрешения шины на входе текущего ведущего модуля и выдает сигнал разрешения шины запросившему ведущему. В свою очередь, текущий ведущий, обнаружив, что контроллер арбитра снял с его входа сигнал разрешения шины, завершает передачу информации по шине, снимает сигналы запроса и занятости шины. После этого запросивший шину ведущий модуль получает право управления шиной, т.е. доступ к системным ресурсам. Эта система арбитража выгодно отличается высоким быстродействием и гибкостью, так как допускает динамическое изменение приоритетов модулей путем перепрограммирования контроллера арбитра. Однако эта система имеет повышенную сложность и стоимость из-за большого числа линий арбитража, которые требуется ввести в системную шину.

В централизованном последовательном арбитраже, схема которого приведена на рис.5.2, запросы ведущих модулей объединяются на единственной линии запроса шины по схеме «монтажное ИЛИ». Получив сигнал запроса шины, контроллер арбитра анализирует состояние линии занятости шины и, если шина свободна, формирует сигнал разрешения шины. Сигнал разрешения шины последовательно распространяется по цепочке от одного ведущего к другому до тех пор, пока не поступит в первый из модулей, которые запрашивали доступ к шине. Этот модуль блокирует дальнейшее распространение сигнала разрешения шины по цепочке, формирует активный сигнал занятости шины и получает управление шиной.

Основные достоинства этой системы арбитража заключаются в простоте реализации, в малом количестве используемых линий и простом наращивании числа модулей, подключаемых к шине. Недостатками централизованного последовательного арбитража являются низкие быстродействие и надежность, а также статическое (фиксированное) распределение приоритетов, определяемое положением модулей в цепочке. Пример системы арбитража на основе централизованного опроса приведен на рис. 5.3. В этой системе, как и в предыдущей, запросы ведущих модулей объединяются на единственной линии запроса шины по схеме «монтажное ИЛИ». Получив сигнал запроса шины, контроллер арбитра анализирует состояние линии занятости шины и, если шина свободна, формирует сигналы опроса модулей. Опрос модулей может производиться путем формирования последовательности адресов модулей. Когда запрашивающий модуль распознает свой адрес, он формирует активный сигнал занятости шины и получает право на ее использование. Эта система арбитража является гибкой, так как позволяет динамически назначатьприоритеты ведущих модулей путем изменения последовательности их опроса, требует сравнительно небольшого числа линий шины, но очевидно, что быстродействие этой системы арбитража невелико.

При децентрализованном или распределенном арбитраже единый контроллер арбитра отсутствует. Каждый ведущий модуль содержит локальный контроллер арбитра, управляющий доступом к шине своего модуля. Эти локальные контроллеры взаимодействуют друг с другом, разделяя между собой ответственность за доступ к шине. По сравнению с централизованным арбитражем децентрализованный более надежен, т.к. отсутствует единственная точка отказа.

Одна из возможных систем децентрализованного параллельного арбитража показана на рис. 5.4. Каждый ведущий модуль имеет собственный локальный арбитр, который задает свой уровень приоритета. Сигналы запроса шины от любого ведущего модуля поступают на входы всех остальных ведущих. В каждом из локальных контроллеров арбитра сигнал разрешения шины формируется следующим образом:

(разреш. шины N) = (запр. шины N); ____________

(разреш. шины N-1) = (запр. шины N-1)&(запр. шины N);

____________ ______________

(разреш. шины N-2) = (запр. шины N-2)&(запр. шины N)&(запр. шины N-1) и т.д.

Получив сигнал разрешения шины, контроллер арбитра анализирует состояние линии занятости шины и, если шина свободна, занимает шину и формирует сигнал занятости шины.

Вне зависимости от принятой системы арбитража должна быть реализована стратегия ограничения времени использования шины каждым из ведущих модулей. Одним из вариантов является разрешение ведущему занимать шину в течение одного цикла шины с предоставлением ему возможности конкуренции за шину в последующих циклах.

Сложной проблемой в симметричных мультипроцессорных системах является создание высокоскоростной коммуникационной среды, посредством которой осуществляется доступ процессоров к общим системным ресурсам, и межпроцессорный обмен сообщениями. Типовые системные шины, например PCI, PCI-X, имеют недостаточную скорость обмена, а коммутаторы, многопортовая память и специальные высокоскоростные сети сложны и дороги для широкого применения /4,5/. Одним из возможных решений этой проблемы является выделение для каждого из процессоров вычислительной системы локальных ресурсов – памяти и каналов ввода-вывода, которые подключаются к процессору с помощью локальных шин. Этими локальными ресурсами каждый из процессоров владеет монопольно, что сокращает число обращений к общим системным ресурсам и снижает требования к пропускной способности коммуникационной среды. По сути наблюдается переход от мультипроцессорных к мультикомпьютерным системам, реализуемым на основе высокоскоростных сетей – к кластерным системам /4,5/. Если в качестве коммуникационной сети используется типовая локальная сеть, такая вычислительная система называется распределенной.