- 1. 多处理机简介
- 2. 多处理机硬件
- 2.1. UMA(Uniform Memory Access)
- 2.1.1. 基于总线的 UMA 多处理机体系结构
- 2.1.2. 基于交叉开关的 UMA 多处理机
- 2.1.3. 基于多级交换的 UMA 多处理机
- 2.2. NUMA(nonuniform memory access)
- 2.3. 多核芯片
- 2.1. UMA(Uniform Memory Access)
- 3. 多处理机操作系统类型
- 3.1. 每个 CPU 都有自己的操作系统
- 3.2. 主从多处理机
- 3.3. 对称多处理机 (Symmetric MultiProcessor, SMP)
- 4. 多处理机调度
- 4.1. 分时
- 4.2. 空间共享
- 4.3. 群调度 (Gang Scheduling)
- 4.3.1. 基本思想
- 4.3.2. 调度方法
- 5. 参考资料
1. 多处理机简介
-
共享存储器多处理机
每个 cpu 都可同样访问
-
消息传递多计算机
通过某种高速互联网络连接在一起, 每个存储器局部对应一个 cpu, 且只能被该 cpu 访问, 这些 cpu 通过互联网络发送多字消息通信
易于构建, 编程难
-
广域分布式系统
通过广域网连接, 如 Internet,
多处理机是共享存储器多处理机的简称, 多个 cpu 共享一个公用的 RAM.
2. 多处理机硬件
所以多处理机都具有每个 cpu 可访问全部存储器的性质, 而有些多处理机有一些特性,
2.1. UMA(Uniform Memory Access)
读出每个存储器字的速度一样快
2.1.1. 基于总线的 UMA 多处理机体系结构
2.1.2. 基于交叉开关的 UMA 多处理机
2.1.3. 基于多级交换的 UMA 多处理机
此开关检查 module 域来决定连入哪个存储器, 即连接 x 还是 y
例如
Omega网络
n 个 cpu / 存储器, 有 log2n 级, 每级只需 n/2 个开关,
比较:
| 网络 | 开关数 | 是否阻塞 |
|---|---|---|
| 交叉开关 | n2 | 不阻塞 |
| Omega 网络 | n/2*log2n | 阻塞 |
2.2. NUMA(nonuniform memory access)
特性:
* 具有对所有 cpu 都可见的单个地址空间
* 通过 LOAD 和 STORE 指令来访问运程存储器
* 访问远程存储器慢于访问本地存储器
基于文件的多处理机
基本思想: 维护一个数据库来记录告诉缓存行的位置及其状态. 当一个高速缓存行被引用时, 就查询数据库找出高速缓存行的位置以及它的 dirty 记录,(是否被修改过),
2.3. 多核芯片
每个核就是一个完整的 CPU , 可以共享内存, 但是 cache 不一定共享. 时常被成为 片级多处理机
(Chip-level MultiProcessors, CMP)
.
与基于总线的多处理机和使用交换网络的多处理机的差别不大:
* 基于总线的 每个 CPU 都有自己的 cache
* CMP 容错性低: 连接紧密, 一个共享模块的失效可能导致其他 CPU 出错
片上系统 (system on a chip)
芯片包含多个核, 但是同时还包含若干个专业核, 比如视频与音频解码器, 加密芯片, 网络接口等
3. 多处理机操作系统类型
3.1. 每个 CPU 都有自己的操作系统
优点: 共享操作系统代码
注意
* 在一个进程进行系统调用时, 是在本机的 CPU 上被捕获并处理的, 并使用操作系统表中的数据结构
* 因为每个操作系统都有自己的表, 那么也有自己的进程集合, 通过自身调度这些进程, 而没有进程共享. 如果一个用户登陆到 CPU1 , 那么他的进程全在 CPU1 上, 也就是可能导致其他 CPU 空载
* 没有页面共享: 可能出现 CPU2 不断进行页面替换而 CPU1 却有多余的页面
* cache 不一致
3.2. 主从多处理机
问题
如果有很多 CPU , 主 CPU 会成为瓶颈, 速度慢
3.3. 对称多处理机 (Symmetric MultiProcessor, SMP)
消除了主从处理机的不对称性, 在存储器中有操作系统的一个副本, 但任何 CPU 都可以运行它.
这个模型动态平衡进程和存储器, 因为它只有一套操作系统数据表.
它存在的问题: 当两个或多个 CPU 同时运行操作系统代码时, 如请求同一个空闲存储器页面, 这时应该使用互斥信号量 (锁), 使整个系统成为一大临界区. 这样在任一时刻只有一个 CPU 可运行操作系统
4. 多处理机调度
调度对象: 单进程还是多进程, 线程是内核进程还是用户线程.
* 用户线程: 对内核不可见, 那么调度单个进程,.
* 内核线程: 调度单元是线程,
4.1. 分时
先讨论调度独立线程的情况, 如果有 CPU 空闲则选择优先级队列中的最优先线程到此 CPU
缺点:
* 随着 CPU 数量增加引起对调度数据结构的潜在竞争
* 当线程在 I/O 阻塞时引起上下文切换的开销 (overhead)
亲和调度: 基本思想, 尽量使一个线程在它前一次运行过的 CPU 上运行,
4.2. 空间共享
当线程之间以某种方式彼此相关时, 可以使用此方法. 假设一组相关的线程是一次性创建的, 创建时, 检查是否有足够的空闲 CPU, 有 则 各自获得专用的 CPU, 否则等待,
优点: 消除了多道程序设计, 从而消除上下文切换开销
缺点: 当 CPU 被阻塞或根本无事可做时时间被浪费了
4.3. 群调度 (Gang Scheduling)
4.3.1. 基本思想
让一个进程的所有线程一起运行, 这样互相通信更方便, 在一个时间片内可以发送和接收大量的消息.
4.3.2. 调度方法
- 把一组相关线程作为一个单位, 即一个群, 一起调度
- 一个群中的所有成员在不同的分时 CPU 上同时运行
- 群中的所有成员共同开始和结束其时间片
5. 参考资料
- 现代操作系统
- Multi-Processor Systems | UCLA