Объединение ЭВМ в многомашинные комплексы, многопроцессорные системы

Многомашинный вычислительный комплекс (ММВК) – комплекс, включающий в себя две или более ЭВМ (каждая из которых имеет процессор, ОЗУ, набор периферийных устройств и работает под управлением собственной операционной системы), связи между которыми обеспечивают выполнение функций, возложенных на комплекс.

Цели, которые ставятся при объединении ЭВМ в комплекс, могут быть различными, и они определяют характер связей между ЭВМ. Чаще всего основной целью создания ММВК является или увеличение производительности, или повышение надежности, или одновременно и то и другое. Однако при достижении одних и тех же целей связи между ЭВМ могут существенно различаться.

По характеру связей между ЭВМ комплексы можно разделить на три типа: косвенно-, или слабосвязанные; прямосвязанные; сателлитные.

В косвенно-, или слабосвязанных, комплексах ЭВМ связаны друг с другом только через внешние запоминающие устройства (ВЗУ). Для обеспечения таких связей используются устройства управления ВЗУ с двумя и более входами. Структурная схема такого ММВК приведена на рис. 1.5. Заметим, что здесь и далее для простоты приводятся схемы для двухмашинных комплексов. При трех и более ЭВМ комплексы строятся аналогичным образом. В косвенно-связанных комплексах связь между ЭВМ осуществляется только на информационном уровне. Обмен информацией осуществляется в основном по принципу «почтового ящика», т. е. каждая из ЭВМ помещает в общую внешнюю память информацию, руководствуясь собственной программой, и соответственно другая ЭВМ принимает эту информацию, исходя из своих потребностей. Такая организация связей обычно используется в тех случаях, когда ставится задача повысить надежность комплекса путем резервирования ЭВМ. В этом случае ЭВМ, являющаяся основной, решает заданные задачи, выдает результаты и постоянно оставляет в общем ВЗУ всю информацию, необходимую для продолжения решения с любого момента времени. Вторая ЭВМ, являющаяся резервной, может находиться в состоянии ожидания, с тем чтобы в случае выхода из строя основной ЭВМ, по сигналу оператора начать выполнение функций, используя информацию, хранимую в общем ВЗУ основной ЭВМ.

Рис. 2.2. Связи между ЭВМ и ММВК

При такой связи может быть несколько способов организации работы комплекса.

1. Резервная ЭВМ находится в выключенном состоянии (ненагруженный резерв) и включается только при отказе основной ЭВМ. Естественно, для того чтобы резервная ЭВМ начала выдавать результаты вместо основной, потребуется определенное время, которое определяется временем, необходимым для включения ЭВМ, вхождением ее и режим, а также временем, отводимым для проверки ее исправности. Это время может быть достаточно большим. Такая организация возможна, когда система, в которой работает ЭВМ, не критична по отношению к некоторым перерывам или остановкам в процессе решения задач. Это обычно имеет место в случаях, когда ЭВМ не выдает управляющую информацию.

2. Резервная ЭВМ находится в состоянии полной готовности и в любой момент может заменить основную ЭВМ (нагруженный резерв), причем либо не решает никаких задач, либо работает в режиме самоконтроля, решая контрольные задачи. В этом случае переход в работе от основной к резервной ЭВМ может осуществляться достаточно быстро, практически без перерыва в выдаче результатов. Однако следует заметить, что основная ЭВМ обновляет в общем ВЗУ информацию, необходимую для продолжения решения, не непрерывно, а с определенной дискретностью, поэтому резервная ЭВМ начинает решать задачи, возвращаясь на некоторое время назад. Такая организация допустима и в тех случаях, когда ЭВМ работает непосредственно в контуре управления, а управляемым процесс достаточно медленным и возврат во времени не оказывает заметного влияния.

При организации работы по первому и второму вариантам ЭВМ используются нерационально: одна ЭВМ всегда простаивает. Простоев можно избежать, загружая ЭВМ решением каких-то вспомогательных задач, не имеющих отношения к основному процессу. Это повышает эффективность системы – производительность практически удваивается.

3. Для того чтобы полностью исключить перерыв в выдаче результатов, обе ЭВМ, и основная и резервная, решают одновременно одни и те же задачи, но результаты выдаст только основная ЭВМ, а в случае выхода се из строя результаты начинает вы давать резервная ЭВМ. При этом общее ВЗУ используется только для взаимного контроля. Иногда такой комплекс дополняется устройством для сравнения результатов с целью контроля. Если при этом используются три ЭВМ, то возможно применение метода голосования, когда окончательный результат выдается только при совпадении результатов решения задачи не менее чем от двух ЭВМ. Это повышает и надежность комплекса в целом, и достоверность выдаваемых результатов. Разумеется, в этом варианте высокая надежность и оперативность достигается весьма высокой ценой – увеличением стоимости системы.

Следует обратить внимание, что при любой организации работы и слабосвязанном ММВК переключение ЭВМ осуществляется либо по командам оператора, либо с помощью дополнительных средств, осуществляющих контроль исправности ЭВМ и вырабатывающих необходимые сигналы. Кроме того, быстрый переход к работе с основной на резервную ЭВМ возможен лишь при низкой эффективности использования оборудования.

Существенно большой гибкостью обладают прямосвязанные ММВК. В прямосвязанных комплексах существуют три вида связей (рис. 1.5): общее ОЗУ (ООЗУ); прямое управление, иначе связь процессор (П) – процессор; адаптер канал – канал (АКК).

Связь через общее ОЗУ гораздо сильнее связи через ВЗУ. Хотя первая связь также носит характер информационной связи и обмен информацией осуществляется по принципу «почтового ящика», однако, вследствие того, что процессоры имеют прямой доступ к ОЗУ, все процессы в системе могут протекать с существенно большей скоростью, а разрывы в выдаче результатов при переходах с основной ЭВМ на резервную сокращаются до минимума. Недостаток связи через общее ОЗУ заключается в том, что при выходе из строя ОЗУ, которое является сложным электронным устройством, нарушается работа всей системы. Чтобы этого избежать, приходится строить общее ОЗУ из нескольких модулей и резервировать информацию. Это, в свою очередь, приводит к усложнению организации вычислительного процесса в комплексе и в конечном счете к усложнению операционных систем. Следует отметить также и то, что связи через общее ОЗУ существенно дороже, чем через ВЗУ.

Непосредственная связь между процессорами – канал прямого управления – может быть не только информационной, но и командной, т. е. по каналу прямого управления один процессор может непосредственно управлять действиями другого процессора. Это, естественно, улучшает динамику перехода от основной ЭВМ к резервной, позволяет осуществлять более полный взаимный контроль ЭВМ. Вместе с тем передача сколько-нибудь значительных объемов информации по каналу прямого управления нецелесообразна, так как в этом случае решение задач прекращается: процессоры ведут обмен информацией.

Связь через адаптер канал – канал в значительной степени устраняет недостатки связи через общее ОЗУ и вместе с тем почти не уменьшает возможностей по обмену информацией между ЭВМ по сравнению с общим ОЗУ. Сущность этого способа связи заключается в том, что связываются между собой каналы двух ЭВМ с помощью специального устройства – адаптера. Обычно это устройство подключается к селекторным каналам ЭВМ. Такое подключение адаптера обеспечивает достаточно быстрый обмен информацией между ЭВМ, при этом обмен может производиться большими массивами информации. В отношении скорости передачи информации связь через АКК мало уступает связи через общее ОЗУ, а в отношении объема передаваемой информации – связи через общее ВЗУ. Функции АКК достаточно просты: это устройство должно обеспечивать взаимную синхронизацию работы двух ЭВМ и буферизацию информации при ее передаче. Хотя функции АКК и его структура (рис. 1.5) достаточно просты, однако большое разнообразие режимов работы двух ЭВМ и необходимость реализации этих режимов существенно усложняет это устройство.

Прямосвязанные комплексы позволяют осуществлять все способы организации ММВК, характерные для слабосвязанных комплексов. Однако за счет некоторого усложнения связей эффективность комплексов может быть значительно повышена. В частности, в прямосвязанных комплексах возможен быстрый переход от основной ЭВМ к резервной и в тех случаях, когда резервная ЭВМ загружена собственными задачами. Это позволяет обеспечивать высокую надежность при высокой производительности.

В реальных комплексах одновременно используется не один вид связи между ЭВМ, а два или более. В том числе очень часто в прямосвязанных комплексах присутствует и косвенная связь через ВЗУ.

Для комплексов с сателлитными ЭВМ характерным является не способ связи, а принципы взаимодействии ЭВМ. Структура связей в сателлитных комплексах не отличается от связей в обычных ММВК: чаще всего связь между ЭВМ осуществляется через АКК. Особенностью же этих комплексов является то, что в них, во-первых, ЭВМ существенно различаются по своим характеристикам, а во-вторых, имеет место определенная соподчиненность машин и различие функций, выполняемых каждой ЭВМ. Одна из ЭВМ, основная, является, как правило, высокопроизводительной и предназначается для основной обработки информации. Вторая, существенно меньшая по производительности, называется сателлитной или вспомогательной ЭВМ. Ее назначение – организация обмена информацией основной ЭВМ с периферийными устройствами, ВЗУ, удаленными абонентами, подключенными через аппаратуру передачи данных к основной ЭВМ. Кроме того, сателлитная ЭВМ может производить предварительную сортировку информации, преобразование ее вформу, удобную для обработки на основной ЭВМ, приведение выходной информации к виду, удобному для пользователя, и др. Сателлитная ЭВМ, таким образом, избавляет основнуювысокопроизводительную ЭВМ от выполнения многочисленных действий, которые не требуют ни большой разрядности, ни сложных операций, т. е. операций, для которых большая, мощная ЭВМ не нужна. Более того, с учетом характера выполняемых сателлитной машиной операций она может быть ориентирована на выполнение именно такого класса операций и обеспечивать даже большую производительность, чем основная ЭВМ.

Некоторые комплексы включают в себя не одну, а несколько сателлитных ЭВМ, при этом каждая из них ориентируется на выполнение определенных функций: например, одна осуществляет связь основной ЭВМ с устройствами ввода–вывода информации, другая – связь с удаленными абонентами, третья организует файловую систему и т. д.

Появление в последнее время дешевых и простых микро-ЭВМ в немалой степени способствует развитию сателлитных комплексов. Сателлитные комплексы решают только одну задачу: увеличивают производительность комплекса, не оказывая заметного влияния на показатели надежности.

Подключение сателлитных ЭВМ принципиально возможно не только через АКК, но и другими способами, однако связь через АКК наиболее удобна.

2.2. Вычислительные сети