多处理机操作系统论文

多处理机操作系统
【摘要】本文通过对操作系统的发展对引入多操作系统的原因和采用多处理机操作系统的优点进行了阐述。

分别对多处理机操作系统的三种模式类型分别就其工作原理和特点进行了详细说明。

随后对多处理机操作系统的共享公用存储器的实现方法进行了阐述，即处理机和存储器的几种连接方式的优缺点和实现原理进行了说明。

【summary】In this paper, the development of the operating system into multiple operating systems on the causes and the use of the advantages of multiprocessor operating system has been described. Multiprocessor operating systems, respectively, for the three model types in respect of its working principle and characteristics are described in detail. Then the multi-processor operating system share a common memory implementation are described,The processor and memory advantages and disadvantages of several connections and implementation principles described
【关键词】多处理机操作系统、主从式(master-slave)、
独立监督式(separate supervisor)
浮动监督式(floating superviso)、公用存储器、
操作系统经过上个世纪60、70年代的发展，到了本世纪80年代已趋于成熟，随着VLSI和计算机体系结构的发展，操作系统随之发展，形成了多处理机操作系统、微机操作系统、网络操作系统、分布式操作系统和嵌入式操作系统等。

从广义上说，多处理机操作系统，就是由多台计算机协同工作来完成所要求的任务的计算机系统操作系统。

而传统的侠义上，多处理机系统的作用是利用系统内的多个CPU来并行执行用户的多个指令。

这样做的优点有三。

第一、利用多个处理机提供在发生故障的情况下的冗余性，建立高度可靠的系统。

第二、将程序可以分成几个能作为进程独立执行的部分，减少程序执行的时间。

第三、通过并行执行多个用户程序，增加系统的吞吐量。

多个CPU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CPU均可访问系统内的所有存储器是其显著的特点。

引入多处理机系统的原因有以下三点：
1、增加系统的吞吐量
2、节省投资
3、提高系统的可靠性
多处理机操作系统的模式类型可分为三种：
1、主从式(master-slave)主从式操作系统即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。

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。

主从式操作系统的特点有如下几个特点：
1）：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。

2）：操作系统程序只在一台处理机上运行。

3）：由于是有一台主机控制，因此，当主处理机故障时很容易引起整
个系统的崩溃。

4）：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。

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）：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。

2、独立监督式(separate supervisor)独立监督式操作系统，每一个除了
及均有各自的管理程序。

独立监督式操作系统的特点如下所示：
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）：管理程序的代码是可重入的。

3）：每个处理机都有专用的程序管理程序，因此，较少，系访问的传
统较少，系统的效率高。

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。

5）：每个处理机都有专用的I/O设备和文件等。

6）：存储冗余太多，利用率不高。

7）：要实现处理机负载平衡很困难。

3、浮动监督式(floating supervisor)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，多用于紧耦合多处理机体系。

其特点如下所示：
1）：每次只有一台处理机执行全面的功能，容许少许处理机同时执行
统一管理服务的子程序。

2）：由于“主处理机”是可浮动的，即从一台切换到另一台处理机。

所以，
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）：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。

有
很高的可靠性和相当大的灵活行。

多处理机系统的结构类型又可分为一下两点：
1、紧密耦合（Tightly Coupled）MPS。

2、松散耦合（Loosely Coupled）MPS
多处理机系统中的通信方式：
①基于共享变量的通信方式（主要适用于紧耦合多处理机）
②基于消息传递的通信方式（主要适用于松耦合多处理机）
在多处理机系统中①加速比定义：它表示一个作业在单机上的执行时间与花在多处理机上执行时间的比值。

公式：SP=ET1/ET2其中SP为作业J的加速比，ET1为作业J在单机上的执行时间，ET2为作业J在多处理机上的执行时间。

作业J的加速比不能超过处理机数P，即0≤Sp≤P。

②处理机利用率的定义：
它表示P台处理机实际执行时间(扣除空闲时间)与P台处理机被占用时间(空闲时间与P台处理机执行时间之和)的比值。

0≤Up≤1。

由于科技的发展，现如今，人们的对计算机的需求越来越高，提高时钟频率和优化执行流技术当前已经很难再有进展，而Cache技术则随着芯片集成度的增高仍旧能够发挥巨大的作用。

在传统的处理器技术已经不再能够推动处理器性能遵循“摩尔定律”向前发展的时候，以单芯片多核技术（CMP）为主流的新一代处理器体系结构开始崭露头角并已经逐渐占据了处理器市场的主导地位。

为了能够充分利用新一代处理器体系结构带来的种种优势，软件设计者们必须能够掌握并使用多线程并行的编程思想。

这将是软件产业的一场革命。

在新一代处理器体系结构的研究中，各种新技术层出不穷。

在当前逐渐趋于成熟的技术当中，有三项技术已经被应用于新一代处理器当中。

它们分别是：单核多线程技术、单片多核（CMP）技术和Cache技术。

单核多线程技术是指在单个处理器核上同时运行两个或更多个线程。

CMP技术是指在单个芯片内集成两个或更多个真正的处理器核，不同的线程同时运行在不同的处理器核上。

多处理机系统的另一个显著的特点是这些处理机共享公用存储器，要实现这一点，必须使处理机和存储装置之间连接起来，多处理机系统的系统体系结构主要是随互联方法的不同而不同。

连接处理机和存储器的最简单方法是采用多口存储器。

如系图所示，
多处理机系统的共享存储器可以分成几个存储体，每个存储体有几个端口，每个处理机连到各存储体的一个端口。

不同的处理机可以并行的存取不同的存储体。

同一存储体的存取必须按顺序进行，每个存储体中的控制器硬件更具某种固定的算法对对个存取要求进行调度。

由于，端口书是固定的，这就限制了所连接的处理机的最大数目，因此多口存储器的多处理系统就只能用于处理机比较少的场合.
而利用集中开关（又称纵横开关）取代每个存储体控制器中的逻辑电路，即可消除多口存储结构的局限性。

如下图所示
集中开关的工作原理是：把处理机的存取请求发送到合适的存储体。

这个开关对发向同一存储体的多个请求进行判断，集中开关的优点在于原理简单，能支持的处理机的数目比对口存储器多。

而其缺点在于需要一个相当复杂的集中开关，这就降低了系统的可靠性。

一般来说，多处理机系统有一个重要的缺陷，当多个处理机争用共享存储器时，它们就可能相互牵制，因此每个处理机对存储的平均争取时间就会增加，从而使得共享存储器上的处理机的个数受到限制。

解决这一问题的方法有采用多个存储体，从而达到减少对单个存储体的争用次数，还有就是在每个处理机和开关之间设立高速缓存存储器。

采用这种方法，处理机就不需要频繁的访问共享存储器。

参考文献
《操作系统原理技术与编程》蒋静徐志伟著《多处理机操作系统》M.约瑟夫著《windows操作系统原理》第2版
其他参考资料收集。