[科普中国]-共享存储多处理机系统

共享存储多处理机系统是包含具有统一地址空间的共享存储器，各个处理机通过共享变量进行通信与同步，各处理机联系密切，实现高度的资源共享，因而又称为紧密耦合并行处理系统或紧耦合并行计算机。如果所有的处理机都有相同的权力访问外部设备，即每个处理机都可以运行操作系统、响应中断，没有主从之分， 则称这种多处理机系统为对称式多处理机(SMP)系统。反之，如果只有1个主处理器执行操作系统，响应外设请求，其它的多个处理器只能运行用户程序， 这种结构的多处理机系统称为主从式多处理机系统。

简介多处理机系统由多台独立的处理机组成，每台处理机都能够独立执行自己的程序和指令流，相互之间通过专门的网络连接，实现数据的交换和通信，共同完成某项大的计算或处理任务。系统中的各台处理机由统一的操作系统进行管理，实现指令级以上并行，这种并行性一般是建立在程序段的基础上，也就是说，多处理机的并行是作业或任务级的并行。共享存储多处理机系统是指是指有一个可以被所有处理机访问的存储器系统。存储器系统由一个或多个存储器模块组成，所有的存储器模块使用一个统一的编址的地址空间。处理机可以用不同的地址访问不同的存储器模块。按存储器组织方式分类，共享存储多处理机系统分为集中式共享存储器系统和分布式式共享存储器系统1。

存储器组织分类集中式共享存储器系统

处理机数目较少的多处理机，各个处理机可以共享单个集中式存储器。在使用大容量Cache的情况下，单一存储器（可能是多组）能够确保小数目处理机的存储访问得到及时响应。对所有的处理器而言是对等的，既每个处理机访问存储器的时间相同，也称为对称式共享存储器多处理机系统(SMPs)，这种系统结构也称为均匀存储器访问（UMA）。大容量、多层次的Cache能够大量减少单个处理机对存储器带宽的要求，减少访问时延，减少多个处理机同时读取共享数据时的竞争现象。集中式共享存储的主要缺点是扩展性差，难以构成大规模并行系统。

分布式式共享存储器系统

为了支持更多的处理机，存储器不能按照集中共享方式组织，而必须分布于各个处理机。否则由于访问冲突以及总线带宽的限制，当处理机数量很大时，访问延迟就会很大。分布式存储器多处理机由多个独立结构组成，每个节点包括处理机（可以多个）、存储器、输入输出系统和互联网络的接口，各个节点通过互联网络连接在一起。共享存储器也可以分布在各个处理机中， 构成分布式共享存储多处理机系统，这种系统既具有共享存储编程容易等优点 ，又有很强的扩展性，但实现较困难，特别是保持高速缓存的一致性需要专门的机制。

对称式和主从式多处理机系统对称式多处理机是一种多处理器的计算机硬件架构，在对称多处理架构下，每个处理器的地位都是平等的，对资源的使用权限相同。现代多数的多处理器系统，都采用对称多处理架构，也被称为对称多处理系统（Symmetric multiprocessing system）。在这个系统中，拥有超过一个以上的处理器，这些处理器都连接到同一个共享的主存上，并由单一操作系统来控制。在多核心处理器的例子中，对称多处理架构，将每一个核心都当成是独立的处理器。在对称多处理系统上，在操作系统的支持下，无论进程是处于用户空间，或是核心空间，都可以分配到任何一个处理器上运行。因此，进程可以在不同的处理器间移动，达到负载平衡，使系统的效率提升。在计算领域，对称多处理是一种多处理机硬件架构，有两个或更多的相同的处理机（处理器）共享同一主存，由一个操作系统控制。当前最常见的多处理机系统使用了对称多处理架构。以多核处理器为例，对称多处理架构就是这些核，它把这些核当作不同的处理器。不同的处理器之间可以由总线、矩阵开关或片上mesh网络来连接。使用总线或矩阵开关的对称多处理架构有可扩展性方面的瓶颈，它是由处理器之间连接的带宽、能耗，以及内存和磁盘阵列等引起的。使用mesh连接的架构避免了这些瓶颈。它能够支持更多数量的处理器，具有几乎线性的可扩展性，代价是牺牲可编程性。优点是并发度很高，但是由于系统总线的带宽是有限的，故处理器的数目是受限的。对称式多处理机系统将控制功能分散给多台处理机，共同完成对整个系统的控制工作。每个处理机均有各自的管理程序(操作系统的内核)。优点：每个处理机都有其专用的管理程序，故访问公用表格的冲突较少，阻塞情况自然也就较少，系统的效率较高。每个处理相对独立，因此一台处理机出现故障不会引起整个系统崩溃。

主从式多处理机系统主从式多处理机系统是由一台主处理机进行系统的集中控制，负责记录、控制其它从处理机的状态，并分配任务给从处理机。 优点：硬件和软件结构相对简单缺点：对主处理机可靠性要求很高，当不可恢复错误发生时，系统容易崩溃，此时必须重新启动主处理机。系统灵活性差，在控制使用系统资源方面效率也不高。

本词条内容贡献者为:

王慧维 - 副研究员 - 西南大学