Э. Таненбаум - Архитектура компьютера (1127755), страница 164
Текст из файла (страница 164)
Процессор 2 считывает это слово и получает значение 1. Должен ли владелец компьютера обратиться после этого в бюро ремонта? Это зависит от того, что обещано в контракте. Строгая состоятельность Самая простая модель — модель строгой состоятельности. В такой модели при любом считывании из адреса х всегда возвращается значение самой последней записи в х. Программистам очень нравится эта модель, но ее можно реализовать на практике только следующим образом: должен быть единственный модуль памяти, просто обслуживающий все запросы по мере их поступления (первым поступил — первым обработан), кэширование и дублирование данных не допускаются.
К несчастью, этот подход значительно затормозил бы работу памяти, поэтому вряд ли может рассматриваться в качестве серьезного предложения. Секвенциальная состоятельность Следующей мы рассмотрим модель секвенциальной состоятельности 1121~. В соответствии с этой моделью при наличии нескольких запросов на чтение и запись порядок обработки запросов определяется аппаратно, но при этом все процессоры воспринимают один и тот же порядок. Рассмотрим пример. Предположим, процессор 1 записывает значение 100 в слово х, а через 1 нс процессор 2 записывает туда же значение 200. А теперь предположим, что через 1 нс после начала второй операции записи (процесс записи еще не закончен) два других процессора, 3 и 4, считывают слово х по два раза (рис.
8.19). Возможные варианты очередности шести событий представлены в табл. 8.4. Процессор Запись Запис значения Рис. 8.19. Два процессора записывают, а другие два процессора считывают одно и то же слово из общей памяти 644 Глава 8. Параллельные компьютерные архитектуры Таблица 8.4. Возможные варианты очередности событий согласно рис. 8.19 Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3 Запись значения 100 Запись значения 200 Запись значения 100 Запись значения 200 Чтение значения 100 процессором 3 Чтение значения 200 процессором 4 Чтение значения 200 процессором 3 Запись значения 100 Запись значения 200 Чтение значения 200 процессором 3 Чтение значения 200 процессором 4 Чтение значения 100 процессором 3 Чтение значения 200 процессором 4 Чтение значения ! 00 процессором 4 Чтение значения 200 процессором 3 Чтение значения 200 процессором 4 Чтение значения 100 процессором 3 Чтение значения 200 процессором 4 Процессорная состоятельность Процессорная состоятельность — не слишком строгая модель, но зато ее легче реализовать на больших мультипроцессорах 1781 Она имеет лва свойства: 1.
Все процессоры видят операции записи любого процессора в том порядке, в котором эти операции выполняются. 2. Все процессоры видят все операции записи в любое слово памяти в одном и том же порядке. В первом варианте оба процессора получают значение 200 в каждой из двух операций считывания.
Во втором варианте процессор 3 получает значения 100 и 200, а процессор 4 — оба раза по 200. В третьем варианте процессор 3 получает два раза по 100, а процессор 4 — значения 200 и 100. Все эти варианты допустимы, как и некоторые другие, которые здесь не показаны. Память, построенная в соответствии с моделью секвенциальной состоятельности, никогда не позволит процессору 3 получить значения 100 и 200, если процессор 4 получает значения 200 и 100. Если бы это произошло, с точки зрения процессора 3 это бы означало, что запись значения 100 процессором 1 завершилась раньше записи значения 200, которую осуществляет процессор 2. Это вполне возможно. Но с точки зрения процессора 4 это также значит, что запись процессором 2 числа 200 завершилась до записи процессором 1 числа 100. Сам по себе такой результат тоже возможен, но он противоречит первому результату. Секвенциальная состоятельность гарантирует единую глобальную (воспринимаемую всеми процессорами) последовательность операций записи.
Если с точки зрения процессора 3 первым записывается значение 100, процессор 4 должен «видеть» тот же самое. Хотя правила секвенциальной состоятельности не выглядят столь «жестокими», как правила строгой, эта модель тоже очень полезна. Даже если несколько событий совершаются одновременно, считается, что на самом деле они происходят в определенном порядке (который может выбираться произвольно), и все процессоры воспринимают именно этот порядок. Хотя такое положение дел и кажется очевидным, далее мы рассмотрим некоторые модели состоятельности, которые не гарантируют подобного порядка. Мультипроцессоры 645 Оба этих пункта очень важны. В первом пункте говорится, что если процессор 1 начинает запись значений 1А, 1В и 1С в какое-либо место в памяти именно в таком порядке, то все другие процессоры увидят эти записи в том же порядке.
Иными словами, никогда не произойдет такого, чтобы какой-либо процессор сначала увидел значение 1В, а затем значение 1А. Второй пункт нужен, чтобы каждое слово в памяти имело определенное и недвусмысленное значение после того, как процессор совершил несколько записей в это слово, а затем остановился. Все должны видеть одно и то же последнее значение.
Даже при таких ограничениях у разработчика есть много возможностей. Посмотрим, что произойдет, если процессор 2 начинает три операции записи значений 2А, 2В и 2С одновременно с тремя операциями записи процессора 1. Другие процессоры, которые заняты считыванием слов из памяти, увидят какую-либо последовательность из шести операций записи, например, 1А, 1В, 2А, 2В, 1С, 2С или 2А, 1А, 2В, 2С, 1В, 1С; и т. п.
При процессорной состоятельности не гарантируется, что каждый процессор видит один и тот же порядок (в отличие от секвенциальной состоятельности). Вполне может быть так, что одни процессоры воспринимают порядок 1А, 1В, 2А, 2В, 1С, 2С, другие — 2А, 1А, 2В, 2С, 1В, 1С, третьи — еще какой-нибудь вариант. Единственное, что гарантируется абсолютно точно, — ни один процессор не увидит последовательность, в которой сначала выполняется операция 1В, а затем — 1А. Порядок, в котором выполняются обращения одного и того же процессора, остается одинаковым для всех наблюдателей. Слабая состоятельность В модели слабой состоятельности не гарантируется, что операции записи, произведенные одним процессором, будут восприниматься другими в том же порядке 159].
Один процессор может увидеть сначала операцию 1А, а потом 1В, другой — сначала 1В, потом 1А. Чтобы внести порядок в этот хаос, должны иметься переменные синхронизации памяти или поддерживаться операция синхронизации памяти. При синхронизации все незаконченные операции записи завершаются, и ни одна новая операция не может начаться, пока не будут завершены все предыдущие записи и не завершится сама синхронизация. Синхронизация приводит память в устойчивое состояние, когда не остается никаких незавершенных операций. Сами операции синхронизации являются секвенциально состоятельными, то есть если они инициируются несколькими процессорами, выбирается определенный порядок их выполнения, причем все процессоры воспринимают один и тот же порядок.
При слабой состоятельности время разделяется на строго последовательные периоды, разделенные операциями синхронизации (рис. 8.20). Никакого особого порядка для операций записи 1А и 1В не гарантируется, и разные процессоры могут воспринимать их по-разному, то есть с точки зрения одного процессора сначала может выполняться операция 1А, а затем 1В, а с точки зрения другого— сначала 1В, а затем 1А.
Такая ситуация допустима. Однако для всех процессоров операция 1В выполнена раньше 1С, поскольку записи 1С, 2В, ЗА, ЗВ могли начаться только после того, как в ходе первой операции синхронизации завершились записи 1А, 1В и 2А. Таким образом, с помощью операций синхронизации программно можно вносить некий порядок в последовательность событий, хотя это занимает некоторое время, поскольку требует очистки конвейера памяти. 646 Глава 8. Параллельные компьютерные архитектуры Запись 1А 1В 10 1Е Процессор А Процессор В Процессор С 2С 20 2А ЗА ЗВ ЗС Момент синхронизации Время Рис. 8.20. В слабо состоятельной памяти периодически выполняются операции синхронизации Свободная состоятельность Слабая состоятельность — не очень эффективная модель, поскольку требует завершения всех операций с памятью и задерживает выполнение новых операций до тех пор, пока не завершены предыдущие.
В модели свободной состоятельности дела обстоят гораздо лучше, поскольку здесь используется нечто похожее на критические секции программы. Идея состоит в следующем. Если процесс выходит за пределы критической области, это не значит, что все записи должны немедленно завершиться.
Требуется только, чтобы все записи были завершены до того, как какой-нибудь процесс снова войдет в эту критическую область. В этой модели операция синхронизации разделяется на две разные операции. Чтобы считать или записать совместно используемую переменную, процессор (то есть его программное обеспечение) сначала должен выполнить операцию асец1ге с переменной синхронизации, что позволит ему получить монопольный доступ к общим данным. Далее процессор может делать с этими данными все, что ему требуется (считывать или записывать), а по завершении он должен выполнить операцию ге1еазе с переменной синхронизации, чтобы показать, что он завершил работу.
Операция ге1 еазе не требует завершения незаконченных записей, но сама она не может завершиться, пока не закончатся все ранее начатые операции записи. Более того, новые операции с памятью могут начинаться сразу же. Когда начинается следующая операция асдцтге, производится проверка, все ли предыдущие операции ге1еазе завершены. Если нет, то операция асоц1ге задерживается до тех пор, пока это не будет сделано (а перед тем,как завершатся все операции ге1 еазе, должны быть завершены все операции записи). Таким образом, если следующая операция асоцт ге выполняется через достаточно длительный промежуток времени после последней операции ге1 еазе, ей не нужно ждать, и она может войти в критическую область без задержки.
Если операция асдцт ге выполняется через небольшой промежуток времени после операции ге1 еазе, она (и все команды, которые должны выполняться следом) ожидает завершения всех операций ге1еазе. Это гарантирует, что все переменные в критической об- Мультипроцессоры 647 ласти будут обновлены. Такая модель немного сложнее, чем модель слабой состоятельности, но она имеет существенное преимущество: здесь не нужно задерживать выполнение команд так часто, как в модели слабой состоятельности. Вопрос о состоятельности памяти нельзя считать окончательно решенным.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
