диплом Мультипроцессорные SMP-системы

В данной дипломной работе были проведены следующие теоретические и экспериментальные исследования:
1. Дан анализ структур и типов мультипроцессорных вычислительных систем (МВС).
2. Представлены наиболее полные современные классификации МВС с конкретными примерами систем.
3. Приведены недостатки типовой МВС с общей памятью и направления их решения путем создания аппаратно-программной системной поддержки доступа к общей памяти и портам ввода-вывода, включающей в себя вопросы, связанные с заменой общей шины в МВС, обеспечением когерентности кэш-памяти и особенностями функционирования операционной системы (ОС).
4. Раскрыты положения, связанные с технологией аппаратно-программной системной поддержки доступа включающие в себя: выбор и обоснование типа элементной базы аппаратной части, основы реа ...

ВВЕДЕНИЕ
1. КОНСТРУКТОРСКО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 10
1.1. Общетехническое обоснование работы 10
1.1.1. Краткий анализ существующих схемных и конструкторских решений 11
1.1.2. Технико-экономическое обоснование целесообразности разработки 12
1.2. Анализ структур мультипроцессорных вычислительных систем 13
1.2.1. Классификация МВС 13
1.2.1.1. Класс SISD 13
1.2.1.2. Класс SIMD 14
1.2.1.3. Класс MISD 14
1.2.1.4. Класс MIMD 15
1.2.2. Основные классы структур современных мультипроцессорных вычислительных систем 15
1.2.2.1. Массивно-параллельные системы 15
1.2.2.2. Симметричные мультипроцессорные системы 17
1.2.2.3. Векторно-конвейерные системы 17
1.2.2.4. Кластеры 18
1.2.2.5. Гибридные системы 19
1.2.3. Мультипроцессорные SMP-системы 19
1.2.3.1. Мультипроцессорные вычислительные системы с общейпамятью 22
1.2.3.2. Мультипроцессорные вычислительные системы с распределенной памятью 23
1.2.4. Модели связи и архитектуры памяти 24
1.2.5. Мультипроцессорная когерентность кэш-памяти 25
1.3. Комплекс системной поддержки доступа к общей памяти и портам ввода-вывода МВС 27
1.3.1. Недостатки типовой мультипроцессорной вычислительной системы 27
1.3.2. Улучшения типовой мультипроцессорной вычислительной системы 28
1.3.2.1. Структура взаимодействий в МВС с матричным коммутатором 32
1.3.2.2. Матричный коммутатор мультипроцессорной вычислительной системы 34
1.3.2.2.1. Функциональная схема матричного коммутатора 35
1.3.2.2.2. Принципиальная схема матричного коммутатора 37
1.3.2.3. Когерентность кэш-памяти мультипроцессорной вычислительной системы 39
1.3.2.3.1. Протокол MESI 40
1.3.2.3.2. Альтернативные протоколы 41
1.3.2.4. Особенности функционирования ОС в мультипроцессорной вычислительной системе с общей памятью 43
1.3.2.4.1. Симметричная мультипроцессорная обработка 44
1.3.2.4.2. Нити 46
1.3.2.4.3. Семафоры 47
1.3.2.4.4. Тупиковые ситуации 49
1.3.2.4.5. Защита информации в ОС МВС с общей памятью 51
1.4. Временные исследования аппаратной части 52
1.4.1. Параметры производительности матричного коммутатора 52
1.4.2. Временные диаграммы работы матричного коммутатора 53
2. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ 55
2.1. Исследование современных МВС 55
2.1.1. Симметричная многопроцессорная архитектура 55
2.1.2. Массовая параллельная архитектура 56
2.1.3. Кластеры 58
2.1.4. Кластеры с отражением памяти 58
2.1.5. Архитектура ccNUMA 59
2.1.6. Архитектура COMA 60
2.1.7. Примеры МВС различных типов 60
2.2. Оценка производительности систем 61
2.3. Предложения по реализации комплекса системной поддержки доступа к общей памяти и портам ввода-вывода 66
3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 69
3.1. Технология аппаратно-программной системной поддержки доступа к общей памяти и портам ввода-вывода 69
3.1.1. Выбор и обоснование типа элементной базы 69
3.1.1.1. Технология ТТЛ(Ш) 69
3.1.1.2. Технология ЭСЛ 70
3.1.1.3. Технология nМОП 71
3.1.1.4. Технология КМОП 71
3.1.2. Выбор схемотехнологии элементной базы 72
3.1.3. Обоснование выбора элементной базы 73
3.1.4. Основы реализации протоколов когерентности кэш-памяти 77
3.1.5. Особенности реализации ОС МВС 79
3.1.5.1. Подходы к организации нитей и управлению ими 79
3.1.5.2. Реализация семафоров 80
3.1.5.3. Предотвращение тупиковых ситуаций 87
3.1.5.3.1. Линейное упорядочение ресурсов 87
3.1.5.3.2. Иерархическое упорядочение ресурсов 88
4. ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 90
4.1. Разбиение работы на экономико-функциональные блоки 90
4.2. Составление сетевого графика 90
4.3. Диаграмма Гантта 92
4.4. Определение себестоимости и ее структуры 92
4.5. Маркетинговое исследование 96
5. ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ И БЕЗОПАСНОСТЬ 97
5.1. Анализ опасных и вредных факторов, возникающих на рабочем месте пользователя 97
5.1.1. Общий анализ опасных и вредных факторов 97
5.1.2. Общие последствия работы за дисплеем 97
5.1.3. Электромагнитное воздействие 100
5.1.4. Радиобиологическое воздействие 100
5.1.5. Шумовое воздействие 101
5.1.6. Недостаточная освещенность рабочей зоны 101
5.1.7. Психофизическое воздействие воспринимаемой информации 102
5.2. Определение класса условий труда по показателям тяжести и напряженности 103
5.3. Выводы и рекомендации по работе за компьютером 104
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 106
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 107

В настоящее время эффективность самых быстрых мультипроцессорных вычисли-тельных систем возросла почти по экспоненте по сравнения с их первыми экземплярами. Первые МВС выполнили несколько десятков операций с плавающей запятой в секунду, а производительность параллельных компьютеров конца девяностых достигает сотен миллиардов операций в секунду, и, скорее всего, этот рост будет продолжаться. Однако архитектура вычислительных систем, определяющих этот рост, изменилась радикально – от последовательной до параллельной. Эра МВС началась с появлением семейства Cray X-MP/Y-MP – параллельных векторных компьютеров с 4 - 16 процессорами, которое в свою очередь сменили системы с массовым параллелизмом, то есть компьютеры с сотнями или тысячами процессоров.
Эффективность МВС зависит непосредственно от времени, требуемого для выпол-нения базовой операции и числа базовых операций, которые могут быть выполнены одновременно, а также от самой архитектуры системы. Время выполнения базовой операции ограничено временем выполнения внутренней элементарной операции процессора (тактом процессора). Уменьшение такта ограничено физическими пределами, такими как скорость света. Чтобы обойти эти ограничения, производители процессоров пытаются реализовать параллельную работу внутри чипа – при выполнении элементарных и базовых операций. Однако теоретически было показано, что стратегия сверхвысокого уровня интеграции является дорогостоящей, что время выполнения вычислений сильно зависит от размера микросхемы.
Наряду с этой стратегией для повышения производительности компьютера исполь-зуются и другие способы: конвейерная обработка (различные стадии отдельных команд выполняется одновременно), многофункциональные модули (отдельные множители, сумматоры и т.д. управляются одиночным потоком команды).
Типовая архитектура мультипроцессорных вычислительных систем имеет изрядное число недостатков, ограничивающих их производительность и быстродействие. Наибольшее количество таких недостатков связано с обращениями к общей и кэш-памяти МВС. Непосредственно решение этих вопросов и будет рассмотрено ниже.