并行機(jī)緊耦合松耦合系統(tǒng)原理構(gòu)成以及存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)

1、并行機(jī)緊耦合松耦合系統(tǒng)原理構(gòu)成以及存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)姓名：_班級(jí)：_學(xué)號(hào)：_并行機(jī)緊耦合松耦合系統(tǒng)原理構(gòu)成以及存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)摘要計(jì)算機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)是越來(lái)越先進(jìn)，越來(lái)越高級(jí)。從數(shù)據(jù)處理、信息處理到知識(shí)處理，最終到智能處理，每前進(jìn)一步，都要求增強(qiáng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的處理能力。計(jì)算機(jī)發(fā)展的歷史表明：為了達(dá)到高性能，除了必須提高元器件的速度外，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)是另一種重要途徑，特別是當(dāng)元器件的速度達(dá)到極限時(shí)，改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就成為問(wèn)題的焦點(diǎn)。對(duì)此，了解緊耦合松耦合系統(tǒng)原理構(gòu)成以及存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)十分重要。AbstractTrends in computer development is more advanced, more a

2、nd more advanced. From the data processing, information processing to knowledge processing, eventually to the intelligent processing. Every step, require enhanced processing capabilities of the computer system .The history of computer development shows that in order to achieve high performance, in a

3、ddition to the need to improve the speed of external components. Improved system architecture is another important way. In particular, when the speed limit is reached components. Improved system architecture has become the crux of the problem. Therefore，learn tightly coupled and loosely coupled syst

4、ems theory constitutes storage architecture is very important.關(guān)鍵字：緊耦合；松耦合；存儲(chǔ)體系；Cache一致性一多處理機(jī)系統(tǒng)多處理機(jī)系統(tǒng)是由多臺(tái)處理器組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。多處理機(jī)系統(tǒng)可分為兩大類(lèi)：基于共享存儲(chǔ)的多處理機(jī)系統(tǒng)和基于分布式存儲(chǔ)的多處理機(jī)系統(tǒng)。前者稱為緊耦合多處理機(jī)系統(tǒng)，而后者稱為松耦合多處理機(jī)系統(tǒng)。多處理機(jī)系統(tǒng)也成為并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。并行機(jī)上使用的操作系統(tǒng)稱為并行操作系統(tǒng)。并行機(jī)性能的發(fā)揮在一定程度上依賴于操作系統(tǒng)的支持，目前并行計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)大都是以為單處理機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的UNIX操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)的。對(duì)于并行機(jī)來(lái)說(shuō)，這并不是

5、真正的并行操作系統(tǒng)。并行操作系統(tǒng)與傳統(tǒng)的單機(jī)操作系統(tǒng)的主要區(qū)別在于前者在資源調(diào)度與管理，進(jìn)程同步與通信等方面比后者具有更強(qiáng)的功能，因而實(shí)現(xiàn)起來(lái)也就更為復(fù)雜。多處理機(jī)系統(tǒng)是由單處理機(jī)系統(tǒng)演變而來(lái)的。雖然不能排除重新設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)并行操作系統(tǒng)的可能性，但是人們繼承已有軟件的愿望是不能忽視的。因此，在單機(jī)系統(tǒng)下運(yùn)行的軟件應(yīng)該能自然地、很少修改地在多機(jī)系統(tǒng)下運(yùn)行。這是衡量一個(gè)多機(jī)系統(tǒng)是否成功的重要標(biāo)志。二緊耦合系統(tǒng)2.1緊耦合（Tightly Coupled）各處理機(jī)之間通過(guò)快速總線或開(kāi)關(guān)陣列相連，共享內(nèi)存，整體系統(tǒng)由一個(gè)統(tǒng)一的OS管理。 通過(guò)高速總線或高速交叉開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)處理器之間的互連。系統(tǒng)中的所有

6、資源和進(jìn)程，都由操作系統(tǒng)實(shí)施統(tǒng)一的控制和管理該類(lèi)型的系統(tǒng)有兩種方式：（1） 多處理器共享主存儲(chǔ)器系統(tǒng)和I/O設(shè)備；（2） 將多處理器與多個(gè)存儲(chǔ)器分別相連，或?qū)⒅鞔鎯?chǔ)器劃分為若干個(gè)能獨(dú)立訪問(wèn)存儲(chǔ)器模塊，每個(gè)處理器對(duì)應(yīng)一個(gè)存儲(chǔ)器或存儲(chǔ)器模塊，而且每個(gè)處理器只能訪問(wèn)其所對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器或存儲(chǔ)器模塊，以便多個(gè)處理機(jī)能同時(shí)對(duì)主存進(jìn)行訪問(wèn)。2.2原理構(gòu)成一般所說(shuō)的多處理機(jī)主要還是指的緊耦合多處理機(jī)，它是通過(guò)共享主存來(lái)實(shí)現(xiàn)處理機(jī)之間的通信的。系統(tǒng)中的各臺(tái)處理機(jī)，既可以共同執(zhí)行一個(gè)任務(wù)，也可以同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)。所有的處理機(jī)或者通過(guò)同一通道，或者通過(guò)不同的通道，共享一批處理輸入輸出設(shè)備。整個(gè)系統(tǒng)由一個(gè)統(tǒng)一的操作系統(tǒng)

7、來(lái)管理，各個(gè)處理機(jī)之間在作業(yè)、程序、任務(wù)、文件盒和數(shù)據(jù)連接，處理機(jī)間的數(shù)據(jù)通信速率將受限于主存的頻寬，而處理機(jī)的個(gè)數(shù)將受限于處理機(jī)-主存互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)帶寬以及多臺(tái)處理機(jī)同時(shí)訪問(wèn)主存所引起的沖突概率。為了減少發(fā)生訪問(wèn)主存沖突，多處理機(jī)的主存都采用摸m多體交叉存取。模數(shù)m越大，發(fā)生沖突的概率越低，但必須注意解決好數(shù)據(jù)在各存儲(chǔ)器模塊中的定位和分配?？梢宰尭魈幚頇C(jī)自帶一個(gè)小容量的局部存儲(chǔ)器，存放該處理機(jī)運(yùn)行進(jìn)程的核心代碼和經(jīng)常使用的操作系統(tǒng)表格，來(lái)進(jìn)一步減少訪問(wèn)主存的沖突。也可以讓處理機(jī)自帶高速緩沖存儲(chǔ)器Cache，減少訪問(wèn)主存的次數(shù)。上面這些辦法通常被綜合使用，以提高系統(tǒng)的性能。2.3緊耦合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖2

8、.1（a）和（b）是兩種緊耦合多處理機(jī)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形式。兩種形式的主要區(qū)別是處理機(jī)是否自帶專用Cache。（a）（b）圖 2.1緊耦合多處理機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 由圖2.1可以看出，該系統(tǒng)由p臺(tái)處理機(jī)、m個(gè)存儲(chǔ)模塊和d個(gè)I/O通道組成。通過(guò)處理機(jī)-存儲(chǔ)器互連網(wǎng)絡(luò)、I/O-處理機(jī)互連網(wǎng)絡(luò)和中斷信號(hào)互連網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互連。處理機(jī)-存儲(chǔ)器互連網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各處理機(jī)與各存儲(chǔ)模塊的連接，使之經(jīng)仲裁后，每個(gè)存儲(chǔ)模塊在一個(gè)存儲(chǔ)周期只能相應(yīng)一臺(tái)處理機(jī)的訪存請(qǐng)求。為了減少多臺(tái)處理機(jī)同時(shí)訪問(wèn)同一存儲(chǔ)模塊的沖突，存儲(chǔ)器模塊數(shù)m應(yīng)等于或略大于處理機(jī)數(shù)p。每臺(tái)處理機(jī)自帶一個(gè)局部存儲(chǔ)器的方案，不僅可以減少訪問(wèn)主存的信息量，降低訪問(wèn)主存沖突

9、的概率，也可以減少處理機(jī)-存儲(chǔ)器互連網(wǎng)絡(luò)的使用沖突。如果同時(shí)自帶專用Cache，就可以進(jìn)一步減少這類(lèi)沖突。存儲(chǔ)器映像模塊用于控制將處理機(jī)訪問(wèn)地址映像到局部存儲(chǔ)器、專用Cache或主存模塊。至于存儲(chǔ)器的每個(gè)模塊，又可以是由按流水方式工作的多個(gè)子模塊構(gòu)成。2.4對(duì)稱多處理機(jī)系統(tǒng)和非對(duì)稱多處理機(jī)系統(tǒng)處理機(jī)和連接外設(shè)的I/O通道通過(guò)I/O-處理機(jī)互連網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。能實(shí)現(xiàn)各處理機(jī)與各I/O通道之間完全連接的對(duì)稱型的互連網(wǎng)絡(luò)，盡管有很大的連接靈活性，但成本高。所以多數(shù)處理機(jī)還是采用非對(duì)稱型的互連，即連到一臺(tái)處理機(jī)的設(shè)備是不能被其他處理機(jī)直接訪問(wèn)的。圖2.2就是非對(duì)稱型I/O子系統(tǒng)的多處理機(jī)的結(jié)構(gòu)。在非對(duì)稱

10、的I/O子系統(tǒng)中，一旦某一處理機(jī)失效，它所連接的外設(shè)就無(wú)法被其他處理機(jī)所使用。這是對(duì)稱I/O子系統(tǒng)所不會(huì)發(fā)生的。然而，很多多處理機(jī)系統(tǒng)都是通過(guò)采用適當(dāng)?shù)娜哂噙B接，在一定程度上克服了這一缺點(diǎn)。圖2.3就是一個(gè)采用冗余連接的非對(duì)稱子系統(tǒng)的例子。在此例中，處理機(jī)1發(fā)生故障時(shí)，處理機(jī)p仍可訪問(wèn)IOP1。當(dāng)然這是以增加一個(gè)多通路仲裁邏輯為代價(jià)的。 圖2.2 具有非對(duì)稱I/O子系統(tǒng)的多處理機(jī) 圖2.3采用冗余連接的非對(duì)稱I/O子系統(tǒng)三松耦合系統(tǒng)3.1松耦合（Loosely Coupled）各處理機(jī)帶有各自的存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備和操作系統(tǒng)，通過(guò)通道或通信線路相連。每個(gè)處理機(jī)上獨(dú)立隱形OS。通過(guò)通道或通信線路，

11、來(lái)實(shí)現(xiàn)多臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的互連。每臺(tái)計(jì)算機(jī)都有自己的存儲(chǔ)器和I/O設(shè)備，并配置了OS來(lái)管理本地資源和在本地運(yùn)行的進(jìn)程。每一臺(tái)計(jì)算機(jī)都能獨(dú)立地工作，必要時(shí)可通過(guò)通信線路與其它計(jì)算機(jī)交換信息，以及協(xié)調(diào)它們之間的工作。3.2原理構(gòu)成在構(gòu)成松耦合的多處理機(jī)系統(tǒng)中，每臺(tái)處理機(jī)都有一個(gè)容量較大的局部存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)經(jīng)常要用到的指令和數(shù)據(jù)，以減少緊耦合系統(tǒng)中存在的訪問(wèn)主存沖突。不同處理機(jī)間或者通過(guò)通道互連來(lái)實(shí)現(xiàn)通信，以共享某些外部設(shè)備；或者通過(guò)消息傳送系統(tǒng)MTS（Message Transfer System）連接，來(lái)交換信息，這是各臺(tái)處理機(jī)可帶有自己的外部設(shè)備。消息傳送系統(tǒng)通常采用簡(jiǎn)單的分時(shí)總線或環(huán)形、星形或

12、樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。松耦合多處理機(jī)系統(tǒng)比較適合于作粗粒度的并行計(jì)算，處理的作業(yè)被分割成若干相對(duì)獨(dú)立的任務(wù)，在各個(gè)處理機(jī)上并行執(zhí)行，而各任務(wù)間的信息流量較小。如果各處理機(jī)任務(wù)間交互作用很小，這種耦合很松的系統(tǒng)是很有效的，常?？梢园阉闯墒且粋€(gè)分布式系統(tǒng)。3.3松耦合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)3.3.1非層次型圖3.1是一個(gè)典型的、通過(guò)消息傳送系統(tǒng)進(jìn)行互連的松耦合非層次型多處理機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)有n個(gè)計(jì)算機(jī)模塊（或稱節(jié)點(diǎn)）。每個(gè)計(jì)算機(jī)模塊中有處理器CPU、局部存儲(chǔ)器LM（Local Memory）和一組I/O設(shè)備。此外，還有一個(gè)與消息傳送系統(tǒng)MTS的接口部件，即通道和仲裁開(kāi)關(guān)CAS（Channel and Arbiter

13、Switch），用于對(duì)兩個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)模塊同時(shí)請(qǐng)求訪問(wèn)MTS的某個(gè)物理段時(shí)進(jìn)行仲裁。按照一定的算法，選擇其中的一個(gè)請(qǐng)求并延遲其他的請(qǐng)求，直至被選擇的請(qǐng)求服務(wù)完成。CAS的通道中，有一個(gè)高速通信存儲(chǔ)器來(lái)緩沖傳送的請(qǐng)求塊，該通信存儲(chǔ)器經(jīng)MTS可被所有的處理機(jī)所訪問(wèn)。MTS可以是一個(gè)單總線，讓各通信存儲(chǔ)器連到此時(shí)使用的單總線上。由于總線上數(shù)據(jù)傳送的速度要求不是很高，其互連網(wǎng)絡(luò)成本又比緊耦合的低，因而可以構(gòu)成由數(shù)百臺(tái)到數(shù)千臺(tái)微處理機(jī)相連的多處理機(jī)系統(tǒng)。MTS也可以是一個(gè)共享的存儲(chǔ)器系統(tǒng)，此時(shí)可由一組存儲(chǔ)模塊和一個(gè)處理機(jī)-存儲(chǔ)器互連網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)或由一個(gè)多端口存儲(chǔ)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用多端口存儲(chǔ)器形式互連，開(kāi)關(guān)的仲

14、裁和選擇邏輯被分布于存儲(chǔ)器的模塊之中。在這種松耦合多處理機(jī)系統(tǒng)中，處理機(jī)數(shù)目一般很小，在松耦合的處理機(jī)系統(tǒng)中，不同處理機(jī)上的任務(wù)之間的通訊都是通過(guò)通信存儲(chǔ)器進(jìn)行的，而同一處理機(jī)內(nèi)的各任務(wù)之間的通訊則只需經(jīng)過(guò)局部存儲(chǔ)器即可完成。圖3.1通過(guò)消息傳送系統(tǒng)連接的松耦合多處理機(jī)結(jié)構(gòu)3.3.2層次型常采用多級(jí)總線實(shí)現(xiàn)層次連接。像卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)設(shè)計(jì)的松耦合多處理機(jī)C*m，則是一個(gè)層次型總線形式的多處理機(jī)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。所有計(jì)算機(jī)模塊通過(guò)兩級(jí)總線按層次連接。Map總線可連多達(dá)14個(gè)計(jì)算機(jī)模塊C，構(gòu)成一個(gè)計(jì)算機(jī)模塊組，以加強(qiáng)組內(nèi)各處理機(jī)間的協(xié)作，用低的通信開(kāi)銷(xiāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。連到Map總線的Km

15、ap，是系統(tǒng)內(nèi)各計(jì)算機(jī)模塊組間的連接器。多個(gè)模塊組間為提高可靠性，通過(guò)兩條intercluster組間總線，連接成一個(gè)完全的C*m系統(tǒng)，采用包交換作為通信手段。圖3.2松耦合多處理機(jī)C*m的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)四存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)4.1存儲(chǔ)器的組織由m個(gè)存儲(chǔ)器模塊構(gòu)成的并行存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)單元的地址是按交叉方式編址的。這種地址交叉編址方式，主要有低位交叉和高位交叉兩種。m個(gè)模塊的低位交叉編址方式如圖4.1所示，由主存物理地址的低log2m位代碼選擇模塊，高log2n位代碼選擇模塊內(nèi)的單元，整個(gè)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元按物理地址順序輪流地分布在各個(gè)存儲(chǔ)器模塊中，模塊內(nèi)部順序單元的物理地址不連續(xù)，其步距為m。圖4.1m個(gè)模塊的低

16、位交叉編址m個(gè)模塊的高位交叉編址方式如圖4.2所示，由主存物理地址的高log2m位代碼選擇模塊，低log2n位代碼選擇模塊內(nèi)的單元，整個(gè)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元按物理地址順序從模塊0到模塊m-1依次連續(xù)分布，且模塊內(nèi)部順序單元的物理地址也是順序的。圖4.2m個(gè)模塊的高位交叉編址集中式共享存儲(chǔ)器此存儲(chǔ)器的三個(gè)特點(diǎn)：（1）處理器數(shù)量不大從而所有處理器可共享一個(gè)集中式存儲(chǔ)器，處理器和存儲(chǔ)器通過(guò)總線互連。（2）采用大容量Cache可使采用單一總線和單一存儲(chǔ)器滿足數(shù)目不多處理器對(duì)存儲(chǔ)器的要求。（3）每一處理器訪問(wèn)存儲(chǔ)器的時(shí)間是相等的。4.2.2分布式共享存儲(chǔ)器此存儲(chǔ)器特點(diǎn)：（1）存儲(chǔ)器分布于各節(jié)點(diǎn)中，所有節(jié)點(diǎn)通過(guò)

17、網(wǎng)絡(luò)互連。（2）訪問(wèn)可以是本地的，也可以是遠(yuǎn)程的；可以不支持Cache一致性協(xié)議，規(guī)定共享數(shù)據(jù)不進(jìn)入Cache，僅私有數(shù)據(jù)才保存在cache中。4.3Cache的一致性問(wèn)題產(chǎn)生Cache不一致性問(wèn)題的原因Cache是容量較小、速度較快的存儲(chǔ)器，Cache中存放經(jīng)常使用的信息，在多處理機(jī)系統(tǒng)中，每個(gè)處理機(jī)都有自己專用的Cache，處理機(jī)每次訪問(wèn)存儲(chǔ)器是，首先查看Cache中是否有要訪問(wèn)的信息。程序在剛開(kāi)始時(shí)，Cache中是沒(méi)有任何信息的，當(dāng)處理機(jī)從主存中取來(lái)指令或數(shù)據(jù)的同時(shí)，把指令或數(shù)據(jù)附近的內(nèi)容以塊為單位取來(lái)，放到Cache中，這樣以后的訪問(wèn)就有可能從Cache中直接取到所需的信息。產(chǎn)生多處理

18、機(jī)Cache不一致性問(wèn)題的原因在多處理機(jī)系統(tǒng)中，當(dāng)一個(gè)處理機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器時(shí)，首先檢查要訪問(wèn)的數(shù)據(jù)在cache中是否已經(jīng)存在，如果存在，則不需要訪問(wèn)共享存儲(chǔ)器，若一個(gè)處理機(jī)向存儲(chǔ)器寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)采用“寫(xiě)回”策略，存儲(chǔ)器中仍保留過(guò)時(shí)的內(nèi)容，這時(shí)另外一個(gè)處理機(jī)從存儲(chǔ)器相應(yīng)單元讀到的將是不正確的內(nèi)容，即使是采用“寫(xiě)透”策略，仍會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。這就是多處理機(jī)系統(tǒng)最有名的Cache一致性問(wèn)題。歸納起來(lái)，多處理機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生Cache不一致問(wèn)題的原因有三個(gè)方面：共享可寫(xiě)數(shù)據(jù)引起的不一致、進(jìn)程遷移引起的Cache不一致和I/O傳輸引起的不一致，對(duì)于進(jìn)程遷移引起的Cache不一致，可以通過(guò)禁止進(jìn)程遷移的方法來(lái)解決，也可以在進(jìn)程

19、掛機(jī)時(shí)，靠硬件的方法將Cache中該進(jìn)程改寫(xiě)過(guò)的信息塊強(qiáng)制寫(xiě)回主存相應(yīng)位置來(lái)解決，對(duì)于I/O操作引起的不一致，一種直接的方法是將I/O處理機(jī)與各個(gè)專用Cache直接相連，形成主處理機(jī)與I/O處理機(jī)共享Cache的結(jié)構(gòu)，于是只要解決了各Cache之間，以及Cache與主存器之間的數(shù)據(jù)一致性，就可保證I/O操作的一致性。4.4解決多處理機(jī)Cache不一致性問(wèn)題的策略解決多處理機(jī)Cache不一致性問(wèn)題主要有兩種辦法：監(jiān)聽(tīng)Cache協(xié)議和基于Cache目錄的協(xié)議。監(jiān)聽(tīng)Cache協(xié)議監(jiān)聽(tīng)Cache協(xié)議，即各處理機(jī)的每次寫(xiě)操作都是公開(kāi)發(fā)布，為所有的處理機(jī)知道，那么各處理機(jī)就根據(jù)監(jiān)聽(tīng)的信息對(duì)自身的數(shù)據(jù)采取保

20、持一致的措施，采用監(jiān)聽(tīng)Cache協(xié)議，當(dāng)某個(gè)Cache中的內(nèi)容被改寫(xiě)后，可以有兩個(gè)方法避免出現(xiàn)遠(yuǎn)程Cache內(nèi)容不一致，第一種方法是使所有遠(yuǎn)程Cache中相同數(shù)據(jù)塊“作廢”，是全部Cache中該數(shù)據(jù)塊只有一個(gè)有效，簡(jiǎn)稱寫(xiě)作廢策略，另一種方法是改寫(xiě)時(shí)，凡存有該數(shù)據(jù)塊的遠(yuǎn)程Cache也進(jìn)行同樣的改寫(xiě)，使它們的內(nèi)容同時(shí)“更新”，結(jié)果在全部Cache中可能有多個(gè)有效的數(shù)據(jù)塊，簡(jiǎn)稱寫(xiě)更新策略。如果采用寫(xiě)更新方式，每當(dāng)某個(gè)Cache中的內(nèi)容被改寫(xiě)后，就必須將改寫(xiě)的內(nèi)容送到所有的遠(yuǎn)程Cache中，在總線方式組織的系統(tǒng)中，將會(huì)大大地增加總線的負(fù)擔(dān)，所以一般的應(yīng)用系統(tǒng)很少使用寫(xiě)更新策略。在采用寫(xiě)作廢策略的系統(tǒng)中

21、，為了表示Cache中每個(gè)數(shù)據(jù)塊當(dāng)前的狀態(tài)，必須安排一些標(biāo)志位說(shuō)明該數(shù)據(jù)是有效或無(wú)效，有時(shí)可能需要兩個(gè)標(biāo)志位，除說(shuō)明本地的數(shù)據(jù)塊狀態(tài)外，還需要表明與系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)塊之間的某種關(guān)系?；贑ache目錄的協(xié)議基于Cache目錄的協(xié)議，就是當(dāng)某個(gè)處理機(jī)的寫(xiě)操作無(wú)法為其他的處理機(jī)知道時(shí)，通過(guò)修改目錄間接地向其他處理機(jī)報(bào)告，以便其他處理機(jī)采取措施，目錄協(xié)議的思想是非常簡(jiǎn)單的，即將所有使用某一數(shù)據(jù)塊的處理機(jī)登記在冊(cè)，每次變動(dòng)前都要查目錄，變動(dòng)后則修改目錄，根據(jù)目錄存儲(chǔ)方法的不同可以將基于Cache目錄的協(xié)議分為集中式目錄協(xié)議和分布式目錄協(xié)議。4.集中式目錄協(xié)議集中式目錄協(xié)議是指在主存儲(chǔ)器中只用一個(gè)目錄來(lái)標(biāo)

22、志數(shù)據(jù)塊在各個(gè)處理機(jī)Cache中存儲(chǔ)的情況。集中式目錄協(xié)議有幾種方案，其中全映射方案就是采用一個(gè)集中式存儲(chǔ)的目錄，每個(gè)數(shù)據(jù)塊都在目錄中建立一個(gè)項(xiàng)，目錄項(xiàng)中設(shè)有與系統(tǒng)處理機(jī)個(gè)數(shù)相同的“存在位”，每個(gè)處理機(jī)一位，如果該數(shù)據(jù)塊存在于某處理機(jī)的Cache中，相應(yīng)位就置1，反之就置0，此外，在每一項(xiàng)中還設(shè)置了一個(gè)重寫(xiě)位，如果該位為1，表示該數(shù)據(jù)塊的內(nèi)容已經(jīng)被改寫(xiě)過(guò)，此時(shí)存在位中只能有一位為1，即改寫(xiě)此數(shù)據(jù)塊的那個(gè)處理機(jī)擁有該塊與目錄表相對(duì)應(yīng)，每個(gè)Cache中也為每個(gè)數(shù)據(jù)塊安排兩個(gè)控制信息位，一個(gè)是有效位（V），表示該數(shù)據(jù)的有效或無(wú)效，只有當(dāng)V=1時(shí)，該數(shù)據(jù)塊才可用的，另外一位稱為專用位（P），如P=1，

23、處理機(jī)可以直接向該數(shù)據(jù)塊執(zhí)行寫(xiě)操作，實(shí)際上這時(shí)的Cache是數(shù)據(jù)塊唯一正確的Cache拷貝，反之，當(dāng)P=0時(shí)，不允許直接寫(xiě)入。如圖4.4.1所示，全映射目錄協(xié)議中各標(biāo)志位的情況。圖全映射目錄協(xié)議分布式目錄協(xié)議分布式目錄協(xié)議又稱為鏈表式目錄協(xié)議，該協(xié)議將目錄分散配置到各Cache中，用鏈表將有關(guān)的Cache連接在一起，每個(gè)數(shù)據(jù)塊建立一個(gè)數(shù)據(jù)鏈表，每個(gè)鏈表中只包含擁有該數(shù)據(jù)塊的Cache。于是，存儲(chǔ)器中的每個(gè)數(shù)據(jù)塊都只有一個(gè)指針，指向使用這個(gè)數(shù)據(jù)塊的頭節(jié)點(diǎn)，頭結(jié)點(diǎn)再指向下一個(gè)擁有此數(shù)據(jù)塊的Cache，直到最后一個(gè)結(jié)點(diǎn)，鏈表可以是單向也可以是雙向，單向鏈表只是一個(gè)指針，雙向鏈表則需要前項(xiàng)指針和后項(xiàng)指

24、針。如圖所示是分布式目錄協(xié)議所用雙向鏈表示意圖。圖分布式目錄協(xié)議所用雙向鏈表五總結(jié)多處理機(jī)系統(tǒng)按其耦合方式分為緊耦合和松耦合兩種不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。耦合系統(tǒng)是指通過(guò)電信號(hào)連接在一起的系統(tǒng)，或者說(shuō)是一個(gè)共享硬件資源的系統(tǒng)。緊耦合多處理機(jī)系統(tǒng)是通過(guò)一個(gè)共享的高速主存來(lái)實(shí)現(xiàn)處理機(jī)之間的聯(lián)系的，松耦合多處理機(jī)系統(tǒng)是通過(guò)機(jī)間通信來(lái)實(shí)現(xiàn)處理機(jī)間聯(lián)系的。松耦合多處理機(jī)也稱為分布式存儲(chǔ)器多處理機(jī)系統(tǒng)。緊耦合多處理機(jī)系統(tǒng)，各處理機(jī)與主存之間通過(guò)互連網(wǎng)絡(luò)連接，處理機(jī)間的數(shù)據(jù)通信速率受限于主存的頻寬，而處理機(jī)的個(gè)數(shù)受限于處理機(jī)-主存互連網(wǎng)絡(luò)帶寬以及多個(gè)處理機(jī)同時(shí)訪問(wèn)主存所引起沖突的概率。為減少訪問(wèn)存沖突，多處理機(jī)的主存

25、宜采用多體交叉存取。松耦合多處理機(jī)系統(tǒng)，沒(méi)有共享的高速主存，處理機(jī)數(shù)可以很多，但是要求任務(wù)之間的交互作用小，在這種情況先，可以把松耦合多處理機(jī)系統(tǒng)看成是一個(gè)分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。設(shè)置Cache的目的就是為了提高存儲(chǔ)系統(tǒng)的速度，使之盡可能小地影響CPU的運(yùn)行速度。在多處理機(jī)系統(tǒng)中，保持Cache內(nèi)容與主存內(nèi)容一致性，使多個(gè)處理機(jī)并行協(xié)調(diào)完成一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題的計(jì)算，使并行處理機(jī)系統(tǒng)展現(xiàn)出在性能價(jià)格比、可靠性、可擴(kuò)展型的優(yōu)勢(shì)。參考文獻(xiàn)1徐甲同. 高級(jí)操作系統(tǒng)M. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，19982趙慶敏，李偉平. 多處理機(jī)系統(tǒng)分析J. 微計(jì)算機(jī)應(yīng)用 2005，26(01)：115-117.3Abraham Silberschatz /Peter Baer Galvin /Greg Gagne著，鄭扣根 譯 操作系統(tǒng)概念M. 高等教育出版社，2010.14李亞民. 計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)M. 清華大學(xué)出版社， 20005徐甲同，李學(xué)干. 并行處理技術(shù)M. 西安電子科技大學(xué)出版社，19996趙敬 操作系統(tǒng)M. 中國(guó)鐵道出版社，20097傅麒麟，徐勇. 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)M. 北京希望電子工業(yè)出版社，20028陳國(guó)良. 并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)M. 高等教育出版社，20029鄭緯民. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)M. 清華大學(xué)出版社，199810AnderwS.Tanenbaum,陳向群，馬洪兵