多处理机系统

计算机术语

广义上说，使用多台计算机协同工作来完成所要求的任务的计算机系统都是多处理机系统。传统的狭义多处理机系统是指利用系统内的多个CPU并行执行用户多个程序，以提高系统的吞吐量或用来进行冗余操作以提高系统的可靠性。

简介

定义

多个处理机及存储器模块构成的并行处理机被称为多处理机系统(multiprocessor system)，简称多处理机。多机系统是将多个VLSI（超大规模集成电路）工艺集成的微处理机芯片结合在一起，由多个处理机并行工作以达到所需的高速度的，因此多机系统实际上是并行处理技术和VLSI技术相结合的产物。

特点

包含两个或多个功能大致相当的处理机；所有的处理机都共享一个公共的内存；所有的处理机都共享I/O通道、控制器和外围设备；整个系统由统一的操作系统控制，在处理机和程序之间实现作业、任务、程序段(进程)、数组和数据元素各级的全面并行。多个处理机在物理位置上处于同一机壳中，有一个单一的系统物理地址空间和每一个处理机均可访问系统内的所有存储器。

分类

主从式(master-slave)

主从式操作系统由一台主处理机记录、控制其它从处理机的状态，并分配任务给从处理机。例如，Cyber-170就是主从式多处理机操作系统，它驻留在一个外围处理机Po上运行，其余所有处理机包括中心处理机都从属于Po。另一个例子是DEC System 10，有两台处理机，一台为主，另一台为从。操作系统在主处理机上运行，从处理机的请求通过陷入传送给主处理机，然后主处理机回答并执行相应的服务操作。主从式操作系统的监控程序及其提供服务的过程不必迁移，因为只有主处理机利用它们。当不可恢复错误发生时，系统很容易导致崩溃，此时必须重新启动主处理机。由于主处理机的责任重大，当它来不及处理进程请求时，其它从属处理机的利用率就会随之降低。主从式操作系统有如下特点： 1、操作系统程序在一台处理机上运行。如果从处理机需要主处理机提供服务，则向主处理机发出请求，主处理机接受请求并提供服务。不一定要求把整个管理程序都编写成可重入的程序代码，因为只有一个处理机在使用它，但有些公用例程必须是可重入的才行。 2、由于只有一个处理机访问执行表，所以不存在管理表格存取冲突和访问阻塞问题。 3、当主处理机故障时很容易引起整个系统的崩溃。如果主处理机不是固定设计的，管理员可从其他处理机中选一个作为新主处理机并重新启动系统。 4、任务分配不但容易使部分从处理机闲置而导致系统效率下降。 5、用于工作负载不是太重或由功能相差很大的处理机组成的非对称系统。 6、系统由一个主处理机加上若干从处理机组成，硬件和软件结构相对简单，但灵活行差。

独立监督式

独立监督式与主从式不同，在这种类型中，每一个处理机均有各自的管理程序(核心)。采用独立监督式操作系统的多处理机系统有IBM 370/158等。独立监督式的特点： 1、每个处理机将按自身的需要及分配给它的任务的需要来执行各种管理功能，这就是所谓的独立性。 2、由于有好几个处理机在执行管理程序，因此管理程序的代码必须是可重入的，或者为每个处理机装入专用的管理程序副本。 3、因为每个处理机都有其专用的管理程序，故访问公用表格的冲突较少，阻塞情况自然也就较少，系统的效率就高。但冲突仲裁机构仍然是需要的。 4、每个处理相对独立，因此一台处理机出现故障不会引起整个系统崩溃。但是，要想补救故障造成的损害或重新执行故障机未完成的工作非常困难。 5、每个处理机都有专用的I/O设备和文件等。 6、这类操作系统适合于松耦合多处理机体系，因为每个处理机均有一个局部存储器用来存放管理程序副本，存储冗余太多，利用率不高。 7、独立监督式操作系统要实现处理机负载平衡更困难。

浮动监督式

每次只有一台处理机作为执行全面管理功能的“主处理机”，但根据需要，“主处理机”是可浮动的，即从一台切换到另一台处理机。这是最复杂、最有效、最灵活的一种多处理机操作系统，常用于对称多处理机系统(即系统中所有处理机的权限是相同的，有公用主存和I/O子系统)。浮动监督式操作系统适用于紧耦合多处理机体系。采用这种操作系统的多处理机系统有IBM 3081上运行的MVS，VM以及C·mmp上运行的Hydra，等等。浮动监督式的特点： 1、每次只有一台处理机作为执行全面管理功能的“主处理机”，但容许数台处理机同时执行同一个管理服务子程序。因此，多数管理程序代码必须是可重入的。 2、根据需要，“主处理机”是可浮动的，即从一台切换到另一台处理机。这样，即使执行管理功能的主处理机故障，系统也能照样运行下去。 3、一些非专门的操作（如I/O中断）可送给那些在特定时段内最不忙的处理机去执行，使系统的负载达到较好的平衡。 4、服务请求冲突可通过优先权办法解决，对共享资源的访问冲突用互斥方法解决。 5、系统内的处理机采用处理机集合概念进行管理，其中每一台处理机都可用于控制任一台I/O设备和访问任一存储块。这种管理方式对处理机是透明的，并且有很高的可靠性和相当大的灵活行。

意义

VLSI技术使硬件资源的重复变成经济可行，同时也是多机系统可靠性的保证。采用VLSI技术制成的微处理机芯片集成度高，系统所用器件数少，联接点也少，功耗小，模块化程度高，可靠性好，易于维修，配之以较好的通信线路和并行技术来保证算法的正确性，从而使多机系统具有很好的可靠性。

VLSI技术提供高性能的微处理机及其配套芯片，多机系统利用并行技术，充分发挥每合处理机的处理能力，在并行处理的操作系统支持下，多机系统的速度可以很高，随着处理机数目的增加，可使处理速度进一步加快，而且并行算法的日趋成熟，也为处理的正确性和高速度提供了保证，使多机系统的计算速度达到或接近超级计算机。

大量的微处理机作为结点机以一定的拓扑结构相联接，或共享内存或采用分布式存贮器，拓扑结构上对结点机和存贮器的数量并没有限制，显现出易扩展性。系统可以通过增加结点机和存贮容量而方便地升级，提高计算能力。模块化结构也给维护和故障诊断带来方便。

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