一種多處理器并行計算機系統的設計

1 引言

在信息技術高速發展的今天，對于計算機的使用可以說無處不在。特別是在軍工領域，計算機充當了軍事控制和數據處理的核心，人們對計算機的性能要求也越來越高。一些特殊領域，如雷達、導航等對計算機的處理速度、實時性的要求不斷提高。人們采用了多種方法來解決這些不斷增長的技術指標要求，本文介紹的多處理器并行計算機的軟硬件設計，是采用多個CPU 進行并行數據處理的方法來提高單板的運算性能。

2 多處理器并行計算機系統的硬件設計

多處理器并行計算機系統是屬于并行結構的系統模型，每一個處理器都需要具有自己局部存儲器，以存儲自己的應用程序并能夠獨立高速并行計算；同時，該系統需要具有高速通信的互連網絡，可以把并行數據塊高速分布在各個處理器的局部存儲器中，以提高并行系統的效率。該計算機結構設計可以采用共享存儲器（雙端口RAM）互連的松耦合不對稱處理器配置。系統結構如圖1所示，圖中的各個處理器都具有自己的高速局部存儲器，可高速獨立的并行進行計算，各個處理器之間由雙端口存儲器互連組成高速星型通信網絡，由于雙端口存儲器具有很高的通信速率，靈活的通信協議建立方式，因此雙端口存儲器互連的松耦合多CPU 并行計算機具有如下優點：
⑴ 通信帶寬寬。CPU 訪問雙端口存儲器可以采用字節/字/雙字長度進行，數據讀/寫速度高。
⑵ 結構簡單。處理器和雙端口存儲器直接相連，不需要其它接口電路，可實現可靠的雙向信息傳送。
⑶ 具有可剪裁性。根據需要可增加或減少處理器數量。
⑷ 擴展性強。該系統結構可適合各種處理器。

圖1所示的多個處理器的計算機模型中，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）負責對系統管理，通過它可以協調各個Application Processor（即從處理器）的工作，同時Boot Processor 也對共享存儲器進行初始化。為了提高系統的上電效率，每個處理器都需要帶有自己的fash 電子盤來存儲程序，每個處理器都可以外掛設備（比如網絡、鍵盤等）。

圖1 共享存儲器互連的并行計算機

3 多處理器并行計算機的軟件設計

為提高處理器的執行效率，一般計算機系統都采用實時多任務操作系統，本文以嵌入式VxWorks操作系統為基礎論述多CPU 并行計算機的軟件設計方法。

3.1 共享存儲器網絡

在VxWorks 操作系統中，多CPU 之間的通信使用共享存儲器網絡技術（Shared-Memory BackplaneNetwork）。該技術采用虛擬網絡來管理共享存儲設備。共享存儲器網絡驅動允許多個處理器之間的通信采用網絡形式，使用規范符合BSD4.4 兼容模式。共享存儲器可以駐留在CPU 主板上也可以駐留在單獨的存儲器板上。