多处理机系统

单处理器系统和多处理器系统介绍如果一个计算机系统只包括一个运算处理器，则称之为单机系统;如果有多个运算处理器，则称之为多机系统。

早期的计算机系统是基于单个处理器的顺序处理机器。

程序员编写串行执行的代码，让其在CPU上串行执行，甚至每一条指令的执行也是串行的(取指令、取操作数、执行操作、存储结果)。

为提高计算机处理的速度，首先发展起来的是联想存储器系统和流水线系统，ghost win7前者提出了数据驱动的思想，后者解决了指令串行执行的问题，这两者都是最初计算机并行化发展的例子。

随着硬件技术的进步，并行处理技术得到了迅猛的发展，计算机系统不再局限于单处理器和单数据流，各种各样的并行结构得到了应用。

目前计算机系统可以分为以下4类。

(1)单指令流单数据流(SISD)。

一个处理器在一个存储器中的数据上执行单条指令流。

(2)单指令流多数据流(SIMD)。

单条指令流控制多个处理单元同时执行，每个处理单元包括处理器和相关的数据存储，一条指令事实上控制了不同的处理器对不同的数据进行操作。

向量机和阵列机是这类计算机系统的代表。

(3)多指令流肀数据流(MISD)。

一个数据流被传送给一组处理器,通过这一组处理器卜.的不同指令操作最终得到处理结果。

该类计算机系统的研究尚在实验室阶段。

(4)多指令流多数据流(MIMD)。

多个处理器对各自不同的数据集同时执行不同的指令流。

可以把MIMD系统划分为共享内存的紧密耦合MIMD系统和内存分布的松散耦合MIMD系统两大类。

根据处理器分配策略，紧密耦合M1MD系统可以分为主从式系统(Main/Slave Multiprocessor)和对称式系统(Symmetric Multiprocessor,SMP)两类。

主从式系统的基本思想是:在一个特別的处理器上运行操作系统内核，其他处理器上则运行用户程序和操作系统例行程序，内核负责分配和调度各个处理器，并向其他程序提供各种服务(如输人输出)。

多处理机系统介绍随着用户计算需求的增长，多处理系统能够提供一个自然地、不断提高的升级途径。

只要核心的用户程序能够提供线程级并行，给系统添加处理器，或者将较小的系统替换为较大的、包含更多处理器的系统，都能给用户提供一个直接增加计算能力的途径。

其次，多处理机系统使系统供应商能够将单个微处理器的设计代价分摊到多种设计方案中，这些设计方案能够提供不同层次的性能和扩展能力。

最后，使用一致共享存储器的多处理机系统能够提供与分时共享的但处理机兼容的编程模式，便于用户使用以前已经存在的应用程序，也便于开发新的应用程序。

在这些系统中，硬件和操作系统软件综合起来提供给用户和程序员的功能界面，实际上是基于以下4点多处理机理想假设:完全共享存储器即系统中所有处理机对所有物理存储器的访问都是平等的。

单位延迟即所有的访存请求都能在一个周期内满足。

无竞争即一个处理机的访存不会受到另一个处理机访存的影响。

写的瞬间船舶即某个处理机写存储器导致的更新立刻对所有的处理机可见。

系统及处理机的设计者必须努力使系统尽量接近这些理想假设，从而满足用户对于性能和正确性的要求。

显然，在实现这些目标时，诸如造价以及可扩展性等因素起着重要作用，但是一个优秀的系统必须很好的满足这些假设。

完全共享存储器，单位延迟以及无竞争诸如图9.4所示，大多数提供一致存储器访问（UMA，Uniform Memory Access）的传统共享存储器多处理机系统使用一种“dancehall”的组织结构，一组存储器模块或者存储体通过交叉开关互联网络与另一组处理机连接起来，并且每个处理机通过交叉开关访问存储器的延迟是相通的。

这种方法的弊端在于交叉开关的价格，该价格会随着处理机和存储器的总数按平方增长，同时每次访存都必须穿过交叉开关，另一种方法是非一致存储访问(NUMA,Nonuniform Memory Access),许多系统供应商现在都按照这种方法构造系统，在这种方法中，处理机仍然通过一个交叉开关互联网络连接在一起，但是每个处理机有一个本地的存储器，它的访问延迟要低得多，在NUMA结构中，只有对远程存储器的访问才存在穿越交叉开关的延迟开销。

多cpu操作系统的工作原理多CPU操作系统，也称为多处理器操作系统，是一种能够同时管理和协调多个中央处理器（CPU）的操作系统。

它通过将计算任务分配给不同的处理器，以提高系统的整体性能和效率。

下面将介绍多CPU操作系统的工作原理。

在多CPU操作系统中，存在多个物理或逻辑的CPU核心。

这些核心可以是同一种类型的处理器，也可以是不同类型的处理器。

每个CPU核心都有自己的寄存器和执行单元，可以独立地执行指令。

多CPU操作系统利用并行处理的能力，将任务划分为多个子任务，并将它们分配给空闲的CPU核心进行处理。

这种任务分配和调度的过程可以通过多种方式实现，如轮转调度、优先级调度、时间片轮转等。

在任务分配过程中，操作系统需要考虑到各个任务之间的依赖关系和资源竞争。

例如，如果两个子任务之间存在数据共享和依赖关系，那么它们应该被分配给同一个CPU核心执行，以避免数据不一致性的问题。

此外，多CPU操作系统还需要实现进程间通信（IPC）机制，以便不同的CPU 核心之间能够共享信息和进行协作。

常用的IPC机制包括共享内存、消息传递、信号量等。

在多CPU操作系统中，还需要进行资源管理和调度。

操作系统需要监视CPU核心的使用情况，以便及时发现并处理负载的不平衡问题。

通过动态调整任务分配和调度策略，操作系统可以实现负载均衡，提高系统的整体性能。

总而言之，多CPU操作系统通过将任务分配给多个CPU核心并实现适当的任务调度和资源管理，实现了并行处理和负载均衡，从而提高了系统的性能和效率。

这种工作原理使得多CPU操作系统成为处理大规模计算任务和高性能需求的理想选择。

多处理器操作系统管理和协调多个处理器的工作多处理器操作系统（Multiprocessor Operating System）是指能够有效管理和协调多个处理器（或多核）并发执行任务的操作系统。

随着计算机硬件技术的不断发展，多处理器系统在科学计算、服务器、云计算等领域得到广泛应用。

在多处理器操作系统中，如何实现任务的并发执行、共享资源的合理利用以及任务调度的优化，是一个重要的挑战。

本文将从进程调度、内存管理和同步机制三个方面来介绍多处理器操作系统的管理和协调工作。

一、进程调度在多处理器操作系统中，进程调度的目标是使所有处理器尽可能高效地执行任务，并确保任务的平衡性和负载均衡。

为了实现这一目标，多处理器操作系统采用了不同的调度算法，例如最短作业优先（SJF）、时间片轮转（Round Robin）和多级反馈队列（Multilevel Feedback Queue）等。

这些调度算法根据任务的优先级、执行时间和资源使用情况等因素，决定任务在处理器上的顺序执行。

在多处理器操作系统中，不同的进程可能需要共享同一份数据或资源。

为了确保数据的一致性和正确性，多处理器操作系统引入了同步机制，例如互斥锁、信号量和条件变量等。

这些同步机制能够确保不同进程之间的正确通信和协调，并避免出现资源竞争和死锁等问题。

三、内存管理在多处理器操作系统中，内存管理是一个重要的任务。

多处理器系统通常具有多个存储单元，如缓存、主内存和外存等。

为了高效利用这些存储单元，并防止数据的冲突和不一致，多处理器操作系统需要实现适当的内存管理机制。

多处理器操作系统采用了分布式内存管理和共享内存管理两种方式。

在分布式内存管理中，每个处理器分配和管理自己的内存空间，以提高内存访问速度和并行度。

而在共享内存管理中，多个处理器共享同一块内存区域，以提高数据的共享和通信效率。

多处理器操作系统通过合理地组织内存空间和地址映射机制，来实现对内存的高效管理和利用。

总结多处理器操作系统通过进程调度、内存管理和同步机制等手段来管理和协调多个处理器的工作。

简谈多处理机操作系统作者：张菡来源：《科学与财富》2020年第08期摘要：20世纪70年代出现了多处理器系统即MPS，进入90年代中后期，功能较强的主机系统和服务器几乎都采用了多处理机系统，本文主要介绍了多处理机系统的引入，多处理机系统的类型和多处理机系统的结构这三方面内容。

关键词：多处理机操作系统;多处理机类型;多处理机结构提高计算机系统性能的主要途径有两条：一是提高构成计算机的元器件运行速度;二是改进计算机系统的体系结构，特别是在系统中引入多个处理器或多台计算机，以实现对信息的高度并行处理。

1 多处理机系统的引入多处理机系统MPS就是采用并行技术，令多个单CPU同时运行，使总体计算能力比单CPU计算机系统强大得多。

引入多处理机系统的原因大致如下：1.1 CPU时钟频率问题CPU的时钟频率受限于信号在介质上的传输时间，显然这对缩小元器件体积的要求越来越高。

但是，随着元器件，尤其是CPU体积的缩小，散热又成了一个棘手的问题。

CPU时钟频率越高，产生的热量也越多，散热问题越难解决。

目前在高端的Pentium系统中，CPU散热器的体积已经超过了其本身的体积。

可见目前的这种依靠提高CPU时钟频率来提高计算机运算速度的方法，已经接近了极限。

1.2 增加系统吞吐量随着系统中处理机数目的增加，系统的处理能力也相应增强，这可使系统在单位时间内完成更多的工作，即增加系统吞吐量。

为了能使多个处理机协调工作，系统必须为此付出一定的开销。

因此利用n台处理机运行时所获得的加速比，并不能达到一台处理机时的n倍。

1.3 节省投资在达到相同处理能力的情况下，与n台独立的计算机相比，采用具有n个处理机的系统，可以更节省费用。

因为此时的n个处理机可以做在同一个机箱中，使用同一个电源和共享一部分资源。

1.4 提高系统可靠性在MPS中，通常都具有系统重构的功能，即当其中任何一个处理机发生故障时，系统可以进行重构，然后继续运行。

可以立即将故障处理机上所处理的任务迁移到其他的一个或多个处理机上继续处理，保证整个系统仍能正常运行，其影响仅仅表现为系统性能上的少许降低。

并行处理机和多处理机系统的概念、并行处理机与多处理机系统的区别、多处理机运行过程。

多处理机性能模型SIMD 计算机的概念SIMD 计算机处理任务的性能计算。

并行处理机与多处理机系统的区别：§并行处理机的并行性在于指令内部，而多处理机的并行性在于指令外部。

§并行处理机把同种操作集中在一起，由指令直接启动各个PE同时工作。

多处理机用专门的指令来表示并发关系，一个任务开始执行时能够派生出与它同时执行的另一些任务，如果任务数多于处理机数，多余的任务进入排队器等待。

§并行处理机只有一个CU，自然同步。

多处理机执行时间可能互不相同它们的工作进度不会也不必保持相同。

多处理机性能模型：当多处理机系统以峰值速度运行时，所有处理机都在做着有用的工作，没有一台处理机处于空闲状态。

N台处理机对系统性能都有贡献，系统的处理速度随N的增加而增加。

但以下原因引起系统不能达到峰值性能：……( 请复习教材347 页)典型例子：试在含一个PE 的SISD 机和在含8 个PE 的且连接成一个线性环的SIMD机上计算假定完成每个加法用30ns ，乘法50ns ，沿双向环在相邻PE 间移数需要10ns 。

（ 1 ）SISD 计算机上计算S 需要多少时间？（ 2 ）SIMD 计算机上计算S 需要多少时间？（ 3 ）SIMD 上计算S 相对于SISD 计算机的加速比是多少？解：(1) 在SISD 机上，无需移数，所有运算是串行的，需要8 次加法，7 次乘法，因此：T0=8x30+7x50=590ns(2) 在SIMD 机上，首先将8 个加法分配到8 个处理机上，然后在4 个处理机上执行4 次乘法，需移数1 次（ 4 个处理机同时），然后再执行 2 次乘法，需移数2 次（同时），最后再执行一次乘法（移数 4 次），因此所需T8=1x30+3x50+(1+2+4)x10=250ns(3) 加速比S=T0/T8=590/250=2.36在SIMD 上计算过程说明如下：1 ：在8 个PE 上执行加法，结果在8 个PE 中2 ：在PE2 、PE4 、PE6 、PE8 上执行乘，需要将PE1 、PE3 、PE5 、PE7 的运算结果分别移到PE2 、PE4 、PE6 、PE83 ：在PE4 、PE8 上执行乘法，需要将PE2 、PE6 的运算结果分别移到PE4 、PE84 ：在PE8 上执行一次乘法，需要将PE4 的运算结果移到PE8 。

多处理机操作系统的分类随着计算机技术的发展，计算机的性能越来越强大，同时单一的中央处理器（CPU）已经无法满足用户的需求，因此多处理机（Multiprocessor）系统开始得到广泛应用。

多处理机操作系统是针对多处理器系统进行设计的操作系统，为了更好地管理多个处理器资源，多处理机操作系统一般具有以下几种分类：1.对称多处理（SMP）操作系统对称多处理（SMP）操作系统是最常见的多处理机操作系统，它是一种完全对称的多处理器系统，即每个处理器都完全相同，可以运行相同的操作系统和应用程序，并且可以共享系统资源（例如内存）。

在SMP系统中，所有处理器都具有同等的权限，因此操作系统必须能够管理所有处理器的资源使用情况，以保证系统的稳定性和性能。

例如，一些常见的SMP操作系统包括Windows和Linux等。

2.非对称多处理（ASMP）操作系统非对称多处理（ASMP）操作系统是另一种多处理机操作系统，它是一种非对称的多处理器系统，即系统中的处理器具有不同的权限，并且不一定能够共享所有系统资源。

ASMP操作系统通常由主处理器（master processor）和从处理器（slave processor）组成，主处理器负责系统的整体管理和调度，而从处理器则负责执行具体的计算任务。

ASMP操作系统常用于大型服务器或超级计算机系统中，以实现高性能的计算和并行处理任务。

3.混合多处理（Hybrid MP）操作系统混合多处理（Hybrid MP）操作系统是介于SMP和ASMP之间的一种多处理机操作系统。

它既具有SMP操作系统的对称性和资源共享特性，又具有ASMP操作系统的异构性和任务分配特性。

混合多处理操作系统通常使用多个架构不同的处理器进行设计，以便能够最大限度地发挥各处理器的优点，并且支持灵活的负载均衡和资源分配功能。

例如，一些常见的混合多处理操作系统包括Solaris和AIX等。

总之，多处理机操作系统是一个复杂的技术领域，需要考虑许多方面的因素，包括系统硬件、软件、资源管理、并发控制等。

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