Информационные технологии

Прерывания являются основной движущей силой любой операционной системы. Отключите систему прерываний — и «жизнь» в операционной системе немедленно остановится. Периодические прерывания от таймера вызывают смену процессов в мультипрограммной ОС, а прерывания от устройств ввода-вывода управляют потоками данных, которыми вычислительная система обменивается с внешним миром.

Как верно было замечено: «Прерывания названы так весьма удачно, поскольку они прерывают нормальную работу системы»1. Другими словами, система прерываний переводит процессор на выполнение потока команд, отличного от того, который выполнялся до сих пор, с последующим возвратом к исходному коду. Из сказанного можно сделать вывод о том, что механизм прерываний очень похож на механизм выполнения процедур. Это на самом деле так, хотя между этими механизмами имеется важное отличие. Переключение по прерыванию отличается от переключения, которое происходит по команде безусловного или условного перехода, предусмотренной программистом в потоке команд приложения. Переход по команде происходит в заранее определенных программистом точках программы в зависимости от исходных данных, обрабатываемых программой. Прерывание же происходит в произвольной точке потока команд программы, которую программист не может прогнозировать. Прерывание возникает либо в зависимости от внешних по отношению к процессу выполнения программы событий, либо при появлении непредвиденных аварийных ситуаций в процессе выполнения данной программы. Сходство же прерываний с процедурами состоит в том, что в обоих случаях выполняется некоторая подпрограмма, обрабатывающая специальную ситуацию, а затем продолжается выполнение основной ветви программы.

Воп8

Мультипроцессорная обработка — это способ организации вычислительного процесса в системах с несколькими процессорами, при котором несколько задач (процессов, потоков) могут одновременно выполняться на разных процессорах системы.

Концепция мультипроцессирования ненова, она известна с 70-х годов, но до середины 80-х доступных многопроцессорных систем не существовало. Однако к настоящему времени стало обычным включение нескольких процессоров в архитектуру даже персонального компьютера. Более того, многопроцессорность теперь является одним из необходимых требований, которые предъявляются к компьютерам, используемым в качестве центрального сервера более-менее крупной сети.

Не следует путать мультипроцессорную обработку с мультипрограммной обработкой. В мультипрограммных системах параллельная работа разных устройств позволяет одновременно вести обработку нескольких программ, но при этом в процессоре в каждый момент времени выполняется только одна программа. То есть в этом случае несколько задач выполняются попеременно на одном процессоре, создавая лишь видимость параллельного выполнения. А в мультипроцессорных системах несколько задач выполняются действительно одновременно, так как имеется несколько обрабатывающих устройств — процессоров. Конечно, мульипроцессирование вовсе не исключает мультипрограммирования: на каждом из процессоров может попеременно выполняться некоторый закрепленный за данным процессором набор задач

Последовательная обработка информации) — модель обработки информации в мозге головном, согласно коей информация поочередно проходит ряд преобразований в определенных «функциональных блоках» мозга — так, что в каждый момент времени ее обработка ведется лишь в одном «блоке». Используется в психологии когнитивной. Альтернативная модель предполагает параллельную обработку информации в нескольких одновременно работающих «блоках»

Традиционно компьютер рассматривается как машина, предназначенная для выполнения последовательных действий. В большинстве языков программирования алгоритм задается в виде последовательных инструкций; при работе программы процессор выполняет машинные команды последовательно, одну за другой. Каждая команда представляется в виде последовательности операций (выборка команды, выборка операндов, выполнение операции, сохранение результатов).Такая точка зрения на компьютер никогда не соответствовала действительности полностью. На уровне микроопераций одновременно генерируются несколько управляющих сигналов. Уже давно применяется конвейерная обработка команд, позволяющая выполнять одновременно, по крайней мере операции выборки и выполнения. Оба приведенных примера являются образцами параллельного выполнения функций.

По мере развития компьютерных технологий и уменьшения стоимости аппаратного обеспечения разработчики компьютеров находили все больше возможностей реализации параллелизма. Обычно это делалось для повышения производительности, а в некоторых случаях — для повышения надежности. В данной книге исследуются два наиболее популярных подхода обеспечения одновременной работы процессоров в многопроцессорных системах: симметричная многопроцессорность (symmetric multiprocessor — SMP) и кластеры.

Рассмотрим, каким образом архитектура SMP соотносится с общей категорией параллельных процессоров. Общепринятым методом классификации таких систем по-прежнему является систематика, в которой выделяются системы с параллельными процессорами, впервые введенная Флинном (Flynn) [FLYN72]. Флинн предложил ввести следующие классы компьютерных систем. Архитектура с одним потоком команд и одним потоком данных (Single Instruction Single Data — SISD). На одном процессоре выполняется один поток команд; операции выполняются над данными, которые хранятся в единой области памяти.

Архитектура с одним потоком команд и многими потоками данных (Single Instruction Multiple Data — SIMD). С каждым из обрабатываемых элементов связаны хранящиеся в памяти данные, и каждая команда выполняет действия с различными наборами данных, относящимися к разным процессам. Под эту категорию подпадают векторный и матричный процессоры.

Архитектура со многими потоками команд и одним потоком данных

(Multiple Instruction Single Data — MISD). Последовательность данных передается набору процессоров, каждый из которых выполняет свою последовательность команд. Такая структура еще не была реализована.

Архитектура со многими потоками команд и многими потоками данных

Одна из общих классификаций многопроцессорных систем основана на том, как процессы распределяются между процессорами. Два главных подхода — выделение основных и подчиненных процессоров и симметричная многопроцессорная обработка. В архитектуре с ведущим и ведомыми процессорами (muster/slave architecture) ядро операционной системы всегда выполняется на специально выделенном процессоре. На других процессорах могут выполняться только пользовательские программы и, возможно, утилиты операционной системы. Ведущий процессор отвечает за планирование процессов или потоков. Симметричные мультипроцессоры и кластеры имеют сложную архитектуру. Для их разработки нужно решать вопросы, связанные с физической организацией, структурами взаимосвязей, обменом информацией между процессорами, архитектурой операционной системы и обеспечением прикладными программами.