操作系统教程——Linux实例分析 教学课件 作者 孟庆昌 第9－11章第9章 多处理器系统.ppt

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1、第9章多处理器系统9.1概述9.2多处理器结构9.3多处理器操作系统类型9.4多处理器调度和同步习题9.1概述通常所说的多CPU系统，其实包括四种类型，即多处理器系统（MultiprocessorSystems）、多计算机系统（MulticomputerSystems）、网络系统（NetworkSystems）和分布式系统（DistributedSystems）。由于网络系统和分布式系统都具有通过网络互连的分布属性，因此往往又把二者统归为分布式系统。图9-1示出多处理器系统、多计算机系统和分布式系统的一般模型。图9

2、-1各系统的一般模型(a)多处理器系统；(b)多计算机系统；(c)分布式系统图9-1(a)示出了共享内存的多处理器系统的模型。从图(a)中可以看出，它的每个节点只有一个CPU，所有外部设备都是共享的。图9-1(b)示出了传送消息的多计算机系统的模型。这种系统又称为集群计算机（ClusterComputers）系统或COWS（ClustersofWorkstations）系统。图9-1(c)示出了广域分布式系统的模型。每个节点是一个完整的计算机，不仅有CPU、内存，还有完整的一组设备，即各自是一个自治系统。9.2多处理

3、器结构一般认为，多处理器的概念应包含以下几点：（1）包含两台或多台功能相近的处理器，且彼此可交换数据；（2）所有处理器共享内存；（3）所有处理器都共享I/O通道、控制器和外部设备；（4）整个系统由统一的操作系统控制，在处理器和程序之间实现作业、任务、程序段、数组及其元素各级的全面并行。9.2.1UMA多处理器结构1.基于总线的UMASMP结构最简单的多处理器结构是基于单一总线的结构，如图9-2(a)所示。问题的一种解决办法是对每个CPU增加一个高速缓存（Cache），如图9-2(b)所示。图9-2(c)是另一种设计，

4、其中每个CPU不仅有缓存，而且还有本地私有的内存，通过专用总线进行存取。图9-2基于总线的三种多处理器(a)没有缓存；(b)有缓存；(c)有缓存和私有内存2.利用交叉开关的UMA多处理器利用缓存可以改善总线的传输压力，但是单个总线仍把UMA多处理器的水平限制在16个或32个CPU的范围内。为了超越这个限制，就需要采用不同类型的互连网络。把n个CPU连到k个内存中的最简单的电路是交叉开关，如图9-3所示。图9-3交叉开关的互连方式(a)8×8交叉开关；(b)打开的交叉点；(c)闭合的交叉点3.利用多级开关网络的UMA多

5、处理器另一种完全不同的设计方式是基于低档的2×2开关，有两个输入端和两个输出端，到达任一输入端的消息都可被切换到任一输出端，如图9-4(a)所示。因此，消息由四个部分组成，如图9-4(b)所示。其中“模块”字段表示使用哪个内存；“地址”部分指定模块中的地址；“操作码”给出具体操作，如READ或WRITE；“值”字段是可选的，包括一个操作数，如要写出的一个32位的字。这种开关检查模块字段，用来确定消息是送往X端还是Y端。图9-4基于低档的2×2开关设计方式(a)2×2开关；(b)消息格式利用这种2×2开关可以构造更大型

6、的多级开关网络，方法很多。如图9-5所示的称为omega网络的模型。其中有8个CPU连到8个内存中，使用12个开关。更一般的关系是，如果CPU和内存分别有n个，则需要设立的级数为lg2n，每级的开关个数为n/2个，总开关数为(n/2)lg2n。很显然，这比n2个交叉点要少得多，尤其当n值较大时。图9-5omega开关网络omega网络的连线方式往往称为“洗牌”，因为每一级的信号混合起来，类似于插入一半牌，然后再混合起来。其工作过程是：设CPU011要从内存模块110中读取一个字。该CPU向开关1D发送一个READ消息

7、，其中的模块字段包含110。这个开关取出110的第一位（最左位），用它进行寻径，规则是：“0”切换到输出高端，“1”切换到输出低端。然后依次取第二位、第三位。因而，从CPU011到内存模块110的路径是1D→2D→3D。在图9-5中用字母a表示。回答时使用011（CPU号码）寻径，并且要反过来读：从右至左。9.2.2NUMA多处理器结构NUMA机器有三个关键性质，这些性质区别于其他多处理器。它们是：（1）有单一地址空间，对所有CPU可见；（2）通过LOAD和STORE指令存取远程内存；（3）存取远程内存比存取本地内

8、存要慢。图9-6大型CC-NUMA多处理器(a)基于目录的处理器；(b)32位内存地址的结构；(c)节点36的目录9.3多处理器操作系统类型9.3.1多处理器系统的问题多处理器操作系统在功能上与多道程序操作系统有很多相似之处，例如二者都要解决以下问题：（1）资源分配和管理；（2）各种表格和数据集的保护；（3）防止出现系统死锁；（4）非正常终止；