一种多处理器并行计算机系统的设计

1 引言

在信息技术高速发展的今天，对于计算机的使用可以说无处不在。特别是在军工领域，计算机充当了军事控制和数据处理的核心，人们对计算机的性能要求也越来越高。一些特殊领域，如雷达、导航等对计算机的处理速度、实时性的要求不断提高。人们采用了多种方法来解决这些不断增长的技术指标要求，本文介绍的多处理器并行计算机的软硬件设计，是采用多个CPU 进行并行数据处理的方法来提高单板的运算性能。

2 多处理器并行计算机系统的硬件设计

多处理器并行计算机系统是属于并行结构的系统模型，每一个处理器都需要具有自己局部存储器，以存储自己的应用程序并能够独立高速并行计算；同时，该系统需要具有高速通信的互连网络，可以把并行数据块高速分布在各个处理器的局部存储器中，以提高并行系统的效率。该计算机结构设计可以采用共享存储器（双端口RAM）互连的松耦合不对称处理器配置。系统结构如图1所示，图中的各个处理器都具有自己的高速局部存储器，可高速独立的并行进行计算，各个处理器之间由双端口存储器互连组成高速星型通信网络，由于双端口存储器具有很高的通信速率，灵活的通信协议建立方式，因此双端口存储器互连的松耦合多CPU 并行计算机具有如下优点：
⑴ 通信带宽宽。CPU 访问双端口存储器可以采用字节/字/双字长度进行，数据读/写速度高。
⑵ 结构简单。处理器和双端口存储器直接相连，不需要其它接口电路，可实现可靠的双向信息传送。
⑶ 具有可剪裁性。根据需要可增加或减少处理器数量。
⑷ 扩展性强。该系统结构可适合各种处理器。

图1所示的多个处理器的计算机模型中，CPU可以采用Intel x86 系列、PowerPC 系列、ARM系列等处理器。Boot Processor（即主处理器）负责对系统管理，通过它可以协调各个Application Processor（即从处理器）的工作，同时Boot Processor 也对共享存储器进行初始化。为了提高系统的上电效率，每个处理器都需要带有自己的fash 电子盘来存储程序，每个处理器都可以外挂设备（比如网络、键盘等）。

图1 共享存储器互连的并行计算机

3 多处理器并行计算机的软件设计

为提高处理器的执行效率，一般计算机系统都采用实时多任务操作系统，本文以嵌入式VxWorks操作系统为基础论述多CPU 并行计算机的软件设计方法。

3.1 共享存储器网络

在VxWorks 操作系统中，多CPU 之间的通信使用共享存储器网络技术（Shared-Memory BackplaneNetwork）。该技术采用虚拟网络来管理共享存储设备。共享存储器网络驱动允许多个处理器之间的通信采用网络形式，使用规范符合BSD4.4 兼容模式。共享存储器可以驻留在CPU 主板上也可以驻留在单独的存储器板上。