Программное обеспечение и его разработка - [115]
Мультипрограммирование — это метод, применяемый в системном программировании для такого управления вычислительной машиной, при котором переключение с одной программы (например, составляющей платежную ведомость) на другую (занимающейся, к примеру, инвентаризацией) происходит без загрузки и откачки какой-либо из этих программ. Такой прием приводит к повышению уровня использования ЦП. Одновременно в памяти машины может располагаться несколько десятков программ, которые выполняются, периодически переключаясь с одной на другую. Тем самым резко уменьшается время простоев ЦП, вызванное ожиданием ответов от диска или другими действиями по вводу/выводу.
При многопроцессорной обработке к общей памяти или нескольким общим блокам памяти подключается сразу несколько центральных процессоров, которыми управляет одна операционная система. Многопроцессорность практически всегда подразумевает мультипрограммирование.
Два ЦП могут обладать и не одинаковыми возможностями. Для увеличения скорости решения задач один ЦП может делаться ведущим, а второй — вспомогательным, но при этом используются две разные операционные системы и, по нашему определению, нет никакой многопроцессорной обработки. Высокопроизводительный центральный процессор может соединяться с медленным ЦП, на котором, однако, имеется много разнообразных устройств ввода/вывода. Медленный ЦП будет выполнять все функции по обеспечению ввода/вывода, оставляя быстрому ЦП заботы по выполнению выстроенных в очередь заданий. Такой метод часто называется методом присоединенного вспомогательного процессора. С появлением мультипрограммных операционных систем этот метод применяется все реже.
Если в состав многопроцессорного комплекса входят машины в 1 МКС — каждая из них выполняет миллион команд в секунду — и у нас их четыре, мы, конечно же, получим систему в 4 МКС, не так ли? Нет, не так. Когда сразу несколько ЦП пытаются обратиться к одному блоку памяти, возникает эффект блокирования. В некоторых приложениях специально формулируются требования по синхронизации, позволяющие достичь целостности данных, когда несколько ЦП пытаются обратиться к одному файлу данных или к одной физической ячейке памяти. При этом может возникать некоторое снижение производительности, измерить которое и понять очень сложно. (См. рис. 7.1.)
Рис. 7.1. Производительность многопроцессорной системы
Если кто-то говорит, что такая-то и такая-то системы имеют по 16 ЦП, можно побиться об заклад, что либо 1) они работают с очень специальной задачей в крайне жестких граничных условиях, либо 2) такие системы не более чем любопытная лабораторная диковина, которая вряд ли может быть применена в настоящих приложениях. На путях внедрения 16-процессорных систем в практику универсальной обработки данных еще остается много препятствий.
Существуют, однако, и замечательные примеры применения многопроцессорных систем в системах реального времени. Система диспетчеризации авиалиний FAA имеет четыре процессора, четыре программируемых канала ввода/вывода и несколько десятков отдельных блоков памяти. В качестве многопроцессорной системы она начала работать более шести лет назад в 21 центре. Это очень дорогостоящая разработка, причем средства защиты от отказов (продолжения работы в более ограниченных условиях, когда часть аппаратуры отключается) еще до конца не запрограммированы. Но многопроцессорная обработка уже ведется.
До появления многопроцессорной обработки надежность системы гарантировалась с помощью дублирования — две одинаковые системы ставились бок о бок, и каждая из них выполняла все задание целиком. Этот метод применялся в десятках систем и работал весьма удовлетворительно. И в военно-воздушных силах — в системе раннего оповещения о появлении баллистических ракет, — и в большинстве систем NASA по освоению космического пространства в начале 1960-х г. с успехом применялся этот метод. Его используют и сейчас, но доля его в общем числе разработок намного снизилась.
Почему? Какой же недостаток можно усмотреть в таком способе обеспечения работоспособности? В основном стоимость. Ведь дублирующая система фактически не работает до тех пор, пока не выведена из строя основная.
Для того чтобы определить, что надежнее — дублирование или многопроцессорность, разберем простой пример. Для простоты рассмотрим случай многопроцессорной системы всего с двумя блоками памяти и двумя ЦП, не обращая внимания на каналы ввода/вывода и другие детали. (См. рис. 7.2.) Единственная разница между системами состоит в том, что устройства памяти разделяются обоими процессорами (доступны им обоим). Следовательно, потеря одного ЦП в системе 1 и одного блока памяти в системе 2 не должна приводить к прекращению функционирования. Теперь нам надо представить себе, что мы хотим определить вероятность готовности системы к продолжению работы.
Рис. 7.2. Дублирование и многопроцессорная обработка.
Нам надо принять во внимание среднее время между отказами для каждого
