一種多處理器并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1 引言

在信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，對(duì)于計(jì)算機(jī)的使用可以說無處不在。特別是在軍工領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)充當(dāng)了軍事控制和數(shù)據(jù)處理的核心，人們對(duì)計(jì)算機(jī)的性能要求也越來越高。一些特殊領(lǐng)域，如雷達(dá)、導(dǎo)航等對(duì)計(jì)算機(jī)的處理速度、實(shí)時(shí)性的要求不斷提高。人們采用了多種方法來解決這些不斷增長的技術(shù)指標(biāo)要求，本文介紹的多處理器并行計(jì)算機(jī)的軟硬件設(shè)計(jì)，是采用多個(gè)CPU 進(jìn)行并行數(shù)據(jù)處理的方法來提高單板的運(yùn)算性能。

2 多處理器并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

多處理器并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是屬于并行結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)模型，每一個(gè)處理器都需要具有自己局部存儲(chǔ)器，以存儲(chǔ)自己的應(yīng)用程序并能夠獨(dú)立高速并行計(jì)算；同時(shí)，該系統(tǒng)需要具有高速通信的互連網(wǎng)絡(luò)，可以把并行數(shù)據(jù)塊高速分布在各個(gè)處理器的局部存儲(chǔ)器中，以提高并行系統(tǒng)的效率。該計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以采用共享存儲(chǔ)器（雙端口RAM）互連的松耦合不對(duì)稱處理器配置。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中的各個(gè)處理器都具有自己的高速局部存儲(chǔ)器，可高速獨(dú)立的并行進(jìn)行計(jì)算，各個(gè)處理器之間由雙端口存儲(chǔ)器互連組成高速星型通信網(wǎng)絡(luò)，由于雙端口存儲(chǔ)器具有很高的通信速率，靈活的通信協(xié)議建立方式，因此雙端口存儲(chǔ)器互連的松耦合多CPU 并行計(jì)算機(jī)具有如下優(yōu)點(diǎn)：
⑴ 通信帶寬寬。CPU 訪問雙端口存儲(chǔ)器可以采用字節(jié)/字/雙字長度進(jìn)行，數(shù)據(jù)讀/寫速度高。
⑵ 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。處理器和雙端口存儲(chǔ)器直接相連，不需要其它接口電路，可實(shí)現(xiàn)可靠的雙向信息傳送。
⑶ 具有可剪裁性。根據(jù)需要可增加或減少處理器數(shù)量。
⑷ 擴(kuò)展性強(qiáng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可適合各種處理器。

圖1所示的多個(gè)處理器的計(jì)算機(jī)模型中，CPU可以采用Intel x86 系列、PowerPC 系列、ARM系列等處理器。Boot Processor（即主處理器）負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)管理，通過它可以協(xié)調(diào)各個(gè)Application Processor（即從處理器）的工作，同時(shí)Boot Processor 也對(duì)共享存儲(chǔ)器進(jìn)行初始化。為了提高系統(tǒng)的上電效率，每個(gè)處理器都需要帶有自己的fash 電子盤來存儲(chǔ)程序，每個(gè)處理器都可以外掛設(shè)備（比如網(wǎng)絡(luò)、鍵盤等）。

圖1 共享存儲(chǔ)器互連的并行計(jì)算機(jī)

3 多處理器并行計(jì)算機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

為提高處理器的執(zhí)行效率，一般計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都采用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，本文以嵌入式VxWorks操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)論述多CPU 并行計(jì)算機(jī)的軟件設(shè)計(jì)方法。

3.1 共享存儲(chǔ)器網(wǎng)絡(luò)

在VxWorks 操作系統(tǒng)中，多CPU 之間的通信使用共享存儲(chǔ)器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（Shared-Memory BackplaneNetwork）。該技術(shù)采用虛擬網(wǎng)絡(luò)來管理共享存儲(chǔ)設(shè)備。共享存儲(chǔ)器網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)允許多個(gè)處理器之間的通信采用網(wǎng)絡(luò)形式，使用規(guī)范符合BSD4.4 兼容模式。共享存儲(chǔ)器可以駐留在CPU 主板上也可以駐留在單獨(dú)的存儲(chǔ)器板上。