Архитектура серверов корпоративных баз данных

Реферат на тему:

“Архитектура серверов корпоративных баз данных”

Московский Государственный

Инженеро-Физический Институт (ТУ)

Оглавление

Введение

1. Системы управления базами данных и серверы баз данных

2. Серверы Escala компании Bull

2.1. Архитектура PowerScale

2.2. Семейство UNIX-серверов Escala

3. Серверы компании Hewlett-Packard

3.1. Семейство компьютеров Alpha

4. Серверы фирмы DEC

4.1. Семейство компьютеров Alpha

5. Отказоустойчивые серверы компании Tandem Computer Inc.

Заключение

Список литературы

Приложение 1

Введение

Появление в 80-х годах персональных компьютеров (ПК) и локальных сетей ПК самым серьезным образом изменило организацию корпоративных вычислений. В отличие от традиционной, хорошо управляемой и безопасной среды вычислений предприятия, построенной на базе универсальной вычислительной машины (мейнфрейм) с подсоединенными к ней терминалами, среда локальных сетей ПК плохо контролируется, плохо управляется и небезопасна. С другой стороны, расширенные средства сетевой организации делают возможным разделение бизнес-информации внутри групп индивидуальных пользователей и между ними, внутри и вне корпорации и облегчают организацию информационных процессов в масштабе предприятия. Чтобы ликвидировать брешь между отдельными локальными сетями ПК и традиционными средствами вычислений, а также для организации распределенных вычислений в масштабе предприятия появилась модель вычислений на базе рабочих групп.

Как правило, термины серверы рабочих групп и сетевые серверы используются взаимозаменяемо. Сервер рабочей группы может быть сервером, построенным на одном процессоре компании Intel, или суперсервером (с несколькими ЦП), подобным изделиям компаний Compaq, HP, IBM и DEC, работающим под управлением операционной системы Windows NT. Это может быть также UNIX-сервер компаний Sun, HP, IBM и DEC.

По уровню общесистемной производительности, функциональным возможностям отдельных компонентов, отказоустойчивости, а также в поддержке многопроцессорной обработки, системного администрирования и дисковых массивов большой емкости суперсерверы вышли в настоящее время на один уровень с мейнфреймами и мощными миникомпьютерами. Современные суперсерверы характеризуются:

· наличием двух или более центральных процессоров RISC, либо CISC;

· многоуровневой шинной архитектурой, в которой высокоскоростная системная шина связывает между собой несколько процессоров и оперативную память, а также множество стандартных шин ввода/вывода, размещенных в том же корпусе;

· поддержкой технологии дисковых массивов RAID;

· поддержкой режима симметричной многопроцессорной обработки, которая позволяет распределять задания по нескольким центральным процессорам или режима асимметричной многопроцессорной обработки, которая допускает выделение процессоров для выполнения конкретных задач.

Основу следующего уровня современных информационных систем предприятий и организаций составляют корпоративные серверы различного функционального назначения, построенные на базе операционной системы Unix. Архитектура этих систем варьируется в широких пределах в зависимости от масштаба решаемых задач и размеров предприятия. Двумя основными проблемами построения вычислительных систем для критически важных приложений, связанных с обработкой транзакций, управлением базами данных и обслуживанием телекоммуникаций, являются обеспечение высокой производительности и продолжительного функционирования систем. Наиболее эффективный способ достижения заданного уровня производительности - применение параллельных масштабируемых архитектур. Задача обеспечения продолжительного функционирования системы имеет три составляющих: надежность, готовность и удобство обслуживания. Все эти три составляющих предполагают, в первую очередь, борьбу с неисправностями системы, порождаемыми отказами и сбоями в ее работе. Эта борьба ведется по всем трем направлениям, которые взаимосвязаны и применяются совместно.

Существует несколько типов систем высокой готовности, отличающиеся своими функциональными возможностями и стоимостью. Наиболее оптимальным по отношению высокая готовность/стоимость являются кластерные системы.

В данном реферате будут рассмотрены особенности архитектуры RISC процессоров фирм DEC, Hewlett-Packard и Bull и особенности построения на их основе многопроцессорных SMP серверов и кластерных систем.

1. Системы управления базами данных и серверы баз данных

Одним из наиболее распространенных классов прикладных систем для серверов, выпускаемых большинством компаний-производителей компьютерной техники, являются системы управления базами данных (СУБД). Серверы СУБД значительно более сложны, чем, например, серверы сетевых файловых систем NFS. Стандартный язык реляционных СУБД (SQL) намного богаче, чем набор операций NFS. Более того, имеется несколько популярных коммерческих реализаций СУБД, доступных на серверах различных компаний, каждая из которых имеет совершенно различные характеристики.

Как приложения, ориентированные на использование баз данных, так и сами СУБД сильно различаются по своей организации. Если системы на базе файловых серверов сравнительно просто разделить по типу рабочей нагрузки на два принципиально различных класса (с интенсивной обработкой атрибутов файлов и с интенсивной обработкой самих данных), то провести подобную классификацию среди приложений баз данных и СУБД просто невозможно.

Хотя на сегодня имеется целый ряд различных архитектур баз данных, рынок
UNIX-систем, кажется, остановился главным образом на реляционной модели. Абсолютное большинство инсталлированных сегодня систем реляционные, поскольку эта архитектура выбрана такими производителями как Oracle, Sybase, Ingres, Informix, Progress, Empress и DBase.

Но даже с учетом того, что подавляющее большинство систем работает по одной и той же концептуально общей схеме, между различными продуктами имеются большие архитектурные различия. Возможно наиболее существенным является реализация самой СУБД.

На выбор архитектуры сервера влияют следующие факторы:

· Требования по аппаратным средствам выбранной СУБД;

· Тип приложения и число одновременно работающих пользователей;

· Надежность;

· Стоимость;

· Разнообразие программного обеспечения (ПО);

· Масштабируемость.

Наряду с ценой, возможность масштабируемости системы является определяющим фактором при выборе того или иного сервера. Под масштабируемостью понимается возможность для модернизации сети или вычислительной платформы на случай необходимости увеличить рабочую нагрузку. В многопроцессорных и кластерных системах проблемы с масштабируемостью решена.

Наиболее распространены две многопроцессорные технологии: симметричная и параллельная обработка. Неунифицированный доступ к памяти (Non-Uniform Memory Access, NUMA) является новейшей разновидностью SMP.

SMP используется главным образом при работе с большими базами данных, хотя в последние годы она стала применяться для складов данных и систем поддержки принятия решений. MPP применяется в научных и инженерных приложениях для сложных программ с большим объемом вычислений, например для моделирования погоды на земном шаре или взаимодействия субатомарных частиц.

С точки зрения масштабируемости основное различие между SMP и MPP в том, каким образом отдельные процессоры управляют памятью. В случае SMP все процессоры совместно используют одну общую шину памяти. Конкуренция за шину снижает эффективность архитектуры с общей памятью при увеличении числа процессоров. Наличие отдельного высокоскоростного кэша памяти для каждого процессора, как это предусмотрено в SMP-машинах старшего класса, смягчает, но не устраняет данную проблему. Из-за такого ограничения многие конфигурации SMP состоят максимум из 2, 4 или 8 процессоров. Поддержка более 8 процессоров предполагает всякие изыски в аппаратной архитектуре, и лишь редкие SMP-машины поддерживают свыше 32 процессоров. Несомненным плюсом подобного подхода является то, что SMP-компьютер выглядит для приложения как обычная однопроцессорная машина; это значительно упрощает программирование. Обычно все, что необходимо, чтобы воспользоваться преимуществами многопроцессорной обработки, - это многопоточная программа и операционная система, способная распределять потоки между процессорами.

В случае MPP каждый процессор имеет собственную память и шину памяти. Преимуществом такой конфигурации является то, что конкуренция за шину отсутствует, а число процессоров может достигать сотен и тысяч. (Как правило, решение считается "массово-параллельным", только когда число процессоров превышает 64.).

NUMA можно рассматривать как промежуточный этап между SMP и MPP. Она определяет архитектуру для взаимодействия нескольких "узлов" SMP. Узлом может быть компьютер в кластере, хотя сегодня чаще всего имеют в виду группу процессоров в компьютере. Каждый узел располагает своей собственной выделенной физической памятью, что устраняет конкуренцию за ресурсы. Узлы связаны посредством координатного коммутатора таким образом, что все они могут обращаться к одному и тому же виртуальному пространству памяти. Все узлы вместе выглядят для приложения как одна SMP-машина.

Многопроцессорный компьютер выполняет лишь одну копию операционной системы. Если выполняются несколько копий ОС, но процессоры интегрированы таким образом, что, с точки зрения администратора, пользователя или приложения, они выглядят как одна система, то мы имеем дело с кластеризацией.

Несмотря на то что Sun объявила о 64-процессорной SMP-машине (Starfire Ultra Enterpise 10000), разработка и создание SMP-машин с 32 или 64 процессорами представляет серьезные трудности и сопряжена со значительными расходами. При построение SMP-машин с использованием NUMA имеет верхний предел в 32 процессора. Для постороения более сложных систем используется кластеризация - объединение машин в кластеры.

Кластеризация служит для объединения высокопроизводительных систем. Первой концепцию кластерной системы анонсировала компания DEC, определив ее как группу объединенных между собой вычислительных машин, представляющих собой единый узел обработки информации. По существу VAX-кластер представляет собой слабосвязанную многомашинную систему с общей внешней памятью, обеспечивающую единый механизм управления и администрирования. В настоящее время на смену VAX-кластерам приходят UNIX-кластеры. При этом VAX-кластеры предлагают проверенный набор решений, который устанавливает критерии для оценки подобных систем.

VAX-кластер обладает следующими свойствами:

· Разделение ресурсов. Компьютеры VAX в кластере могут разделять доступ к общим ленточным и дисковым накопителям. Все компьютеры VAX в кластере могут обращаться к отдельным файлам данных как к локальным;

· Высокая готовность. Если происходит отказ одного из VAX-компьютеров, задания его пользователей автоматически могут быть перенесены на другой компьютер кластера. Если в системе имеется несколько контроллеров внешних накопителей и один из них отказывает, другие контроллеры автоматически подхватывают его работу;

· Высокая пропускная способность. Ряд прикладных систем могут пользоваться возможностью параллельного выполнения заданий на нескольких компьютерах кластера;

· Удобство обслуживания системы. Общие базы данных могут обслуживаться с единственного места. Прикладные программы могут инсталлироваться только однажды на общих дисках кластера и разделяться между всеми компьютерами кластера;

· Расширяемость. Увеличение вычислительной мощности кластера достигается подключением к нему дополнительных VAX-компьютеров. Дополнительные накопители на магнитных дисках и магнитных лентах становятся доступными для всех компьютеров, входящих в кластер.

Работа любой кластерной системы определяется двумя главными компонентами: высокоскоростным механизмом связи процессоров между собой и системным программным обеспечением, которое обеспечивает клиентам прозрачный доступ к системному сервису.

В настоящее время широкое распространение получила также технология параллельных баз данных. Эта технология позволяет множеству процессоров разделять доступ к единственной базе данных. Распределение заданий по множеству процессорных ресурсов и параллельное их выполнение позволяет достичь более высокого уровня пропускной способности транзакций, поддерживать большее число одновременно работающих пользователей и ускорить выполнение сложных запросов. Существуют три различных типа архитектуры, которые поддерживают параллельные базы данных:

· Симметричная многопроцессорная архитектура с общей памятью (Shared Memory SMP Architecture). Эта архитектура поддерживает единую базу данных, работающую на многопроцессорном сервере под управлением одной операционной системы. Увеличение производительности таких систем обеспечивается наращиванием числа процессоров, устройств оперативной и внешней памяти;

· Архитектура с общими (разделяемыми) дисками (Shared Disk Architecture). Это типичный случай построения кластерной системы. Эта архитектура поддерживает единую базу данных при работе с несколькими компьютерами, объединенными в кластер (обычно такие компьютеры называются узлами кластера), каждый из которых работает под управлением своей копии операционной системы. В таких системах все узлы разделяют доступ к общим дискам, на которых собственно и располагается единая база данных. Производительность таких систем может увеличиваться как путем наращивания числа процессоров и объемов оперативной памяти в каждом узле кластера, так и посредством увеличения количества самих узлов;

· Архитектура без разделения ресурсов (Shared Nothing Architecture). Как и в архитектуре с общими дисками, в этой архитектуре поддерживается единый образ базы данных при работе с несколькими компьютерами, работающими под управлением своих копий операционной системы. Однако в этой архитектуре каждый узел системы имеет собственную оперативную память и собственные диски, которые не разделяются между отдельными узлами системы. Практически в таких системах разделяется только общий коммуникационный канал между узлами системы. Производительность таких систем может увеличиваться путем добавления процессоров, объемов оперативной и внешней (дисковой) памяти в каждом узле, а также путем наращивания количества таких узлов.

Таким образом, среда для работы параллельной базы данных обладает двумя важными свойствами: высокой готовностью и высокой производительностью. В случае кластерной организации несколько компьютеров или узлов кластера работают с единой базой данных. В случае отказа одного из таких узлов, оставшиеся узлы могут взять на себя задания, выполнявшиеся на отказавшем узле, не останавливая общий процесс работы с базой данных. Поскольку логически в каждом узле системы имеется образ базы данных, доступ к базе данных будет обеспечиваться до тех пор, пока в системе имеется по крайней мере один исправный узел. Производительность системы легко масштабируется, т.е. добавление дополнительных процессоров, объемов оперативной и дисковой памяти, и новых узлов в системе может выполняться в любое время, когда это действительно требуется.

Параллельные базы данных находят широкое применение в системах обработки транзакций в режиме on-line, системах поддержки принятия решений и часто используются при работе с критически важными для работы предприятий и организаций приложениями, которые эксплуатируются по 24 часа в сутки.

2. Серверы Escala компании Bull

Группа компаний, объединенных под общим названием Bull, является одним из крупнейших производителей информационных систем на мировом компьютерном рынке и имеет свои отделения в Европе и США.

Архитектура PowerScale, представляет собой первую реализацию симметричной мультипроцессорной архитектуры (SMP), разработанной Bull специально для процессоров
PowerPC. В начале она была реализована на процессоре PowerPC 601, но легко модернизируется для процессоров 604 и 620. Эта новая SMP-архитектура используется в семействе систем Escala.

Микропроцессор PowerPC поддерживает мультипроцессорную обработку, в частности, модель тесно связанных вычислений в разделяемой (общей) памяти. Работа тесно связанных процессоров предполагает использование разными процессорами одной общей памяти и одной операционной системы, которая управляет всеми процессорами и аппаратурой системы. Процессоры должны конкурировать за разделяемые ресурсы.

В симметричной мультипроцессорной системе все процессоры считаются функционально эквивалентными и могут выполнять операции ввода/вывода и другие вычисления.

Разработанное Bull семейство Escala обеспечивает масштабируемость и высокую готовность систем, центральным местом которых является симметричная мультипроцессорная архитектура, названная PowerScale, позволяющая производить постепенную модернизацию и объединять в системе от 1 до 8 процессоров.

2.1.Архитектура PowerScale

В современных системах SMP наиболее актуальным вопросом разработки является создание высокопроизводительной подсистемы памяти для обеспечения высокоскоростных RISC-процессоров данными и командами. Общее решение этой проблемы заключается в использовании большой высокоскоростной кэш-памяти, т.е. в создании иерархии памяти между процессорами и разделяемой глобальной памятью. Архитектура PowerScale предлагает новый подход к решению вопросов традиционного узкого горла, ограничивающего производительность SMP-систем, а именно, новую организацию управления кэш-памятью и доступа к памяти.

При моделировании прикладных систем, для работы которых необходимо манипулирование огромными объемами данных и разделения доступа к этим данным между многими пользователями или программами, на системах SMP, были замечены два особых эффекта:

· Из-за малой вероятности нахождения соответствующих данных в кэш-памяти возникает весьма интенсивный трафик между системной памятью и кэшами ЦП.

· В традиционной SMP-системе по умолчанию одна из задач планировщика заключается в том, чтобы запустить следующий разрешенный для выполнения процесс на первом же процессоре, который становится свободным. Поэтому по мере того, как увеличивается число процессоров и процессов, вероятность перемещения процессов с одного процессора на другой, также увеличивается. Эта побочная миграция процессов приводит к существенному увеличению уровня трафика между кэшами ЦП. Поэтому ключевым вопросом обеспечения высокой системной производительности становится физическая реализация когерентности кэш-памяти.

В традиционной SMP-архитектуре связи между кэшами ЦП и глобальной памятью реализуются с помощью общей шины памяти, разделяемой между различными процессорами. Как правило, эта шина становится слабым местом конструкции системы и стремится к насыщению при увеличении числа инсталлированных процессоров. Это происходит потому, что увеличивается трафик пересылок между кэшами и памятью, а также между кэшами разных процессоров, которые конкурируют между собой за пропускную способность шины памяти.

В архитектуре PowerScale компании Bull интерфейс памяти реализован с учетом указанного выше профиля приложений и рассчитан на использование нескольких поколений процессоров со все возрастающей производительностью. В действительности архитектура PowerScale с самого начала была разработана в расчете на поддержку до 8 процессоров PowerPC 620.

В архитектуре PowerScale (Рис. 1) основным средством оптимизации доступа к разделяемой основной памяти является использование достаточно сложной системной шины. В действительности эта "шина" представляет собой комбинацию шины адреса/управления, реализованной классическим способом, и набора магистралей данных, которые соединяются между собой посредством высокоскоростного матричного коммутатора. Эта система межсоединений получила название MPB_SysBus. Шина памяти используется только для пересылки простых адресных тегов, а неблокируемый матричный коммутатор - для обеспечения более интенсивного трафика данных. К матричному коммутатору могут быть подсоединены до 4 двухпроцессорных портов, порт ввода/вывода и подсистема памяти.

Главным преимуществом такого подхода является то, что он позволяет каждому процессору иметь прямой доступ к подсистеме памяти. Другим важным свойством реализации является использование расслоения памяти, что позволяет многим процессорам обращаться к памяти одновременно.

Ниже приведена схема, иллюстрирующая общую организацию доступа к памяти (Рис. 2) Каждый процессорный модуль имеет свой собственный выделенный порт памяти для пересылки данных. При этом общая шина адреса и управления гарантирует, что на уровне системы все адреса являются когерентными.

В системе используются большие кэши второго уровня (L2), дополняющие кэши первого уровня (L1), интегрированные в процессорах PowerPC. Это позволяет оптимизировать уровень миграции процессов между процессорами и увеличивает общую пропускную способность системы. Очевидно, что всегда полезно выполнять процесс на одном и том же процессоре и иметь более высокий коэффициент попаданий в кэш, чем при выполнении процесса на следующем доступном процессоре. Используя алгоритмы, базирующиеся на средствах ядра системы, можно определить наиболее подходящее использование пула процессоров с учетом текущего коэффициента попаданий в кэш.

Рис. 1. Архитектура PowerScale

Рис. 2. Схема организации доступа к памяти

Модель памяти

Процессор PowerPC определяет слабо упорядоченную модель памяти, которая позволяет оптимизировать использование пропускной способности памяти системы. Это достигается за счет того, что аппаратуре разрешается переупорядочивать операции загрузки и записи так, что требующие длительного времени операции загрузки могут выполняться ранее определенных операций записи. Такой подход позволяет уменьшить действительную задержку операций загрузки. Архитектура PowerScale полностью поддерживает эту модель памяти как на уровне процессора за счет набора команд PowerPC, так и глобально путем реализации следующих ограничений:

· Обращения к глобальным переменным синхронизации выполняются строго последовательно.

· Никакое обращение к переменной синхронизации не выдается процессором до завершения выполнения всех обращений к глобальным данным.

· Никакие обращения к глобальным данным не выдаются процессором до завершения выполнения предыдущих обращений к переменной синхронизации.

Для обеспечения подобной модели упорядоченных обращений к памяти на уровне каждого процессора системы используются определенная аппаратная поддержка и явные команды синхронизации. Кроме того, на системном уровне соблюдение необходимых протоколов для обеспечения упорядочивания обращений между процессорами или между процессорами и подсистемой ввода/вывода возложено на программное обеспечение.

Подсистема памяти

С реализацией архитектуры глобальной памяти в мультипроцессорной системе обычно связан очень важный вопрос. Как объединить преимущества "логически" локальной для каждого процессора памяти, имеющей малую задержку доступа, с требованиями реализации разделяемой глобальной памяти?

Компания Bull разработала патентованную архитектуру, в которой массив памяти полностью расслоен до уровня длины строки системного кэша (32 байта). Такая организация обеспечивает минимум конфликтов между процессорами при работе подсистемы памяти и гарантирует минимальную задержку. Требование реализации глобальной памяти обеспечивается тем, что массив памяти для программных средств всегда представляется непрерывным.

Предложенная конструкция решает также проблему, часто возникающую в других системах, в которых использование методов расслоения для организации последовательного доступа к различным областям памяти возможно только, если платы памяти устанавливаются сбалансировано. Этот, кажущийся тривиальным, вопрос может приводить к излишним закупкам дополнительных ресурсов и связан исключительно с возможностями конструкции системы. PowerScale позволяет обойти эту проблему.

Архитектура PowerScale автоматически оптимизирует степень расслоения памяти в зависимости от того, какие платы памяти инсталлированы в системе. В зависимости от конкретной конфигурации она будет использовать низкую или высокую степень расслоения или их комбинацию. Все это полностью прозрачно для программного обеспечения и, что более важно, для пользователя.

Архитектура матричного коммутатора

Архитектура коммутатора реализована с помощью аппаратной сети, которая осуществляет индивидуальные соединения типа точка-точка процессора с процессором, процессора с основной памятью и процессора с магистралью данных ввода/вывода. Эта сеть работает совместно с разделяемой адресной шиной. Такой сбалансированный подход позволяет использовать лучшие свойства каждого из этих методов организации соединений.

Разделяемая адресная шина упрощает реализацию наблюдения (snooping) за адресами, которое необходимо для аппаратной поддержки когерентности памяти. Адресные транзакции конвейеризованы, выполняются асинхронно (расщеплено) по отношению к пересылкам данных и требуют относительно небольшой полосы пропускания, гарантируя, что этот ресурс никогда не войдет в состояние насыщения.

Организация пересылок данных требует больше внимания, поскольку уровень трафика и время занятости ресурсов физического межсоединения здесь существенно выше, чем это требуется для пересылки адресной информации. Операция пересылки адреса представляет собой одиночную пересылку, в то время как операция пересылки данных должна удовлетворять требованию многобайтной пересылки в соответствии с размером строки кэша ЦП. При реализации отдельных магистралей данных появляется ряд дополнительных возможностей, которые обеспечивают:

· максимальную скорость передачи данных посредством соединений точка-точка на более высоких тактовых частотах;

· параллельную пересылку данных посредством организации выделенного пути для каждого соединения;

· разделение адресных транзакций и транзакций данных. Поэтому архитектуру PowerScale компании Bull можно назвать многопотоковой аппаратной архитектурой (multi-threaded hardware architecture) с возможностями параллельных операций.

На Рис. 3 показаны основные режимы и операции, выполняемые матричным коммутатором(ССA2 - сдвоенный контроллер адресов кэш-памяти; CCD2 - сдвоенный контроллер данных кэш-памяти; IOD - дочерняя плата ввода/вывода; DCB - матричный коммутатор данных; SMC - контроллер системной памяти ).

Рис. 4.3. Матричный коммутатор.

Параметры производительности

Вслед за установочной фазой транзакции (например, после установки адреса на адресной шине) данные могут пересылаться через коммутатор на полной скорости синхронизации. Это возможно благодаря организации соединению точка-точка, которое создается для каждой отдельной транзакции. Поэтому в дальнейшем какие-либо помехи отсутствуют. Возможно также выполнять параллельно несколько операций, например, множественный доступ к памяти или пересылки между кэшами.

Для того чтобы уменьшить задержку памяти, операции чтения начинаются до выполнения каких-либо действий по обеспечению глобальной когерентности на уровне системы. Ответы когерентности полностью синхронизированы, разрешаются за фиксированное время и поступают всегда прежде, чем будет захвачен разделяемый ресурс - шина памяти. Это помогает избежать ненужных захватов шины. Любые транзакции, которые не разрешаются когерентно за данное фиксированное время, позднее будут повторены системой.

Используемая в системе внутренняя частота синхронизации равна 75 МГц, что позволяет оценить уровень производительности разработанной архитектуры. Интерфейс физической памяти имеет ширину 32 байта и, учитывая арбитраж шины, позволяет пересылать 32 байта каждые 3 такта синхронизации. Это дает скорость передачи данных 800 Мбайт/с, поддерживаемую на уровне интерфейса памяти. Каждый порт ЦП имеет ширину 8 байт и способен передавать по 8 байт за такт, т.е. со скоростью 600 Мбайт/с. Следует отметить, что это скорость, достигаемая как при пересылке ЦП-память, так и при пересылке кэш-кэш. Скорость 800 Мбайт/с для памяти поддерживается с помощью буферов в коммутаторе, которые позволяют конвейеризовать несколько операций.

Пропускная способность может достигать пикового значения 1400 Мбайт/с. Таким образом, максимальная пропускная способность будет варьироваться в диапазоне от 800 до 1400 Мбайт/с в зависимости от коэффициента попаданий кэш-памяти.

Когерентность кэш-памяти

Проблема когерентности памяти в мультипроцессорной системе возникает из-за того, что значение элемента данных, хранящееся в кэш-памяти разных процессоров, доступно этим процессорам только через их индивидуальные кэши. При этом определенные операции одного из процессоров могут влиять на достоверность данных, хранящихся в кэшах других процессоров. Поэтому в подобных системах жизненно необходим механизм обеспечения когерентного (согласованного) состояния кэшей. С этой целью в архитектуре PowerScale используется стратегия обратной записи, реализованная следующим образом.

Каждый процессор для своей работы использует двухуровневый кэш со свойствами охвата. Это означает, что кроме внутреннего кэша первого уровня (кэша L1), встроенного в каждый процессор PowerPC, имеется связанный с ним кэш второго уровня (кэш L2). При этом каждая строка в кэше L1 имеется также и в кэше L2. В настоящее время объем кэша L2 составляет 1 Мбайт на каждый процессор, а в будущих реализациях предполагается его расширение до 4 Мбайт. Сама по себе кэш-память второго уровня позволяет существенно уменьшить число обращений к памяти и увеличить степень локализации данных. Для повышения быстродействия кэш L2 построен на принципах прямого отображения. Длина строки равна 32 байт (размеру когерентной гранулированности системы). Следует отметить, что, хотя с точки зрения физической реализации процессора PowerPC, 32 байта составляют только половину строки кэша L1, это не меняет протокол когерентности, который управляет операциями кэша L1 и гарантирует что кэш L2 всегда содержит данные кэша L1.

Кэш L2 имеет внешний набор тегов. Таким образом, любая активность механизма наблюдения за когерентным состоянием кэш-памяти может быть связана с кэшем второго уровня, в то время как большинство обращений со стороны процессора могут обрабатываться первичным кэшем. Если механизм наблюдения обнаруживает попадание в кэш второго уровня, то он должен выполнить арбитраж за первичный кэш, чтобы обновить состояние и возможно найти данные, что обычно будет приводить к приостановке процессора. Поэтому глобальная память может работать на уровне тегов кэша L2, что позволяет существенно ограничить количество операций наблюдения, генерируемых системой в направлении данного процессора. Это, в свою очередь, существенно увеличивает производительность системы, поскольку любая операция наблюдения в направлении процессора сама по себе может приводить к приостановке его работы.

Вторичная когерентность кэш-памяти

Вторичная когерентность кэш-памяти требуется для поддержки когерентности кэшей L1&L2 различных процессорных узлов, т.е. для обеспечения когерентного состояния всех имеющихся в мультипроцессорной системе распределенных кэшей (естественно включая поддержку когерентной буферизации ввода/вывода как по чтению, так и по записи).

Вторичная когерентность обеспечивается с помощью проверки каждой транзакции, возникающей на шине MPB_SysBus. Такая проверка позволяет обнаружить, что запрашиваемая по шине строка уже кэширована в процессорном узле, и обеспечивает выполнение необходимых операций. Это делается с помощью тегов кэша L2 и логически поддерживается тем фактом, что L1 является подмножеством L2.

Физическая реализация архитектуры

Ниже на Рис. 5 показана схема, представляющая системные платы, разработанные компанией Bull, которые используются для физической реализации архитектуры PowerScale.

Многопроцессорная материнская плата, которая используется также в качестве монтажной панели для установки модулей ЦП, модулей основной памяти и одной платы в/в (IOD).

Каждый модуль ЦП, построенный на базе PowerPC 601/604, включает два микропроцессора и связанные с ними кэши. Имеется возможность модернизации системы, построенной на базе процессоров 601, путем установки модулей ЦП с процессорами 604. Смешанные конфигурации 601/604 не поддерживаются.

Дочерняя плата ввода/вывода (IOD) работает в качестве моста между шинами MCA и комплексом ЦП и памяти. Поддерживаются 2 канала MCA со скоростью передачи 160 Мбайт/с каждый. Хотя поставляемая сегодня подсистема в/в базируется на технологии MCA, это не является принципиальным элементом архитектуры PowerScale. В настоящее время проводятся исследования возможностей реализации нескольких альтернативных шин ввода/вывода, например, PCI.

Каждая плата памяти состоит из четного числа банков. Максимальное число банков равно 16. Объем памяти на каждой плате может быть 64, 256 или 512 Мбайт.

Коммутатор данных (DCB) интегрирован в нескольких СБИС (4х16 бит) и функционально соединяет магистраль данных MPB_SysBus с подсистемой памяти, модулями ЦП и платой в/в. Ширина магистрали данных DCB на уровне массива памяти составляет 256 + 32 бит, а ширина магистрали данных для каждого порта ЦП и порта в/в равна 64 + 8 бит. Операции DCB управляются контроллером системной памяти (SMC) с помощью командной шины, обеспечивающей необходимую коммутацию устройств.

Рис. 5. Физическая реализация PowerScale

2.2.Семейство UNIX-серверов Escala

Основные характеристики серверов Escala в зависимости от применяемого конструктива даны в таблице 1. Системы семейства Escala обеспечивают подключение следующих коммуникационных адаптеров: 8-, 16- и 128-входовых адаптеров асинхронных последовательных портов, 1- или 4-входовых адаптеров портов 2 Мбит/с X.25, а также адаптеров Token-Ring, Ethernet и FDDI.

Таблица 1

МОДЕЛЬ Escala	M101	M201 D201 D401 R201
	Mini-Tower	DesksideRack-Mounted
ЦП (PowerPC 601)
Тактовая частота (МГц)	75	75 75 75 75
Число процессоров	ј	2/4 2/8 4/8 2/8
Размер кэша второго уровня (Кб)	512	512 1024 1024 1024
ПАМЯТЬ
Стандартный объем (Мб)	32	6464 64 64
Максимальный объем (Мб)	512	512 2048 2048 2048
ВВОД/ВЫВОД
Тип шины	MCA	MCA MCA MCA MCA
Пропускная способность (Мб/с)	160	160 160 2x160 2x160
Количество слотов	6	6 15 15 16
Емкость внутренней дисковой памяти Гб)	1/18	1/18 2/36 4/99 -
Количество посадочных мест
3.5"	4	4 7 7 7
5.25"	2	2 3 3 3
Емкость внешней дисковой памяти (Гб)	738	738 1899 1899 2569

3. Серверы фирмы DEC

Корпорация Digital Equipment широко известна в мире и является одной из крупнейших компьютерных компаний, компьютеры которой остаются популярными уже в течение почти 40 лет (начиная с ее основания в 1957 году и выпуска первых машин PDP-1 в 1960 г.).

Компания Digital широко известна своими сериями мини-ЭВМ PDP-11 и VAX, работающими под управлением операционных систем RSX11M и VMS соответственно.

В настоящее время корпорация Digital сконцентрировала основные усилия на разработке и производстве современных 64-разрядных RISC-систем. Новейший микропроцессор Alpha DECchip 21164 на сегодня является самым быстрым микропроцессором. Архитектура Alpha полностью сохраняет преемственность поколений компьютеров: практически все программное обеспечение ЭВМ VAX работает и на новых системах Alpha.

3.1. Семейство компьютеров Alpha

Отличительная черта платформы Alpha - это сбалансированность. Благодаря 64-разрядной архитектуре и высокоскоростным каналам связи с периферией Alpha поддерживает работу с огромными массивами данных, как на дисках, так и в оперативной памяти, что является весьма критичным для многих приложений.

Другим отличительным качеством платформы Alpha является ее универсальность с точки зрения применения различных операционных систем (NetWare, Pick, DECelx, OpenVMS, Digital UNIX, Windows NT).

Семейство серверов Alpha представляет собой полный ряд систем: от минимальной конструкции до сервера крупной распределенной сети. Ниже дано описание основных свойств этих компьютеров и средств их реализации.

Высокая надежность и доступность:

· "Горячее" переключение дисков, т.е. внутренний диск может быть заменен во время работы сервера.

· Код коррекции ошибок (ECC, Error Correcting Code). Серверы Alpha включают ECC для основной и кэш- памяти. При использовании этой технологии происходит постоянная проверка памяти, причем при этом ошибки не только обнаруживаются, но и автоматически корректируются.

· Технология дублирования дисков (Redundant Array of Inexpensive Disks, RAID)

· Двойная шина SCSI.

· Дублирование источников питания.

· Автоматический перезапуск системы. При сбое в операционной системе эта возможность минимизирует время недоступности системы.

· Управление температурным режимом. Системы AlphaServer включают температурные и другие датчики, позволяющие следить за состоянием системы.

Открытая архитектура:

· Шина PCI, обеспечивающая скорость передачи 132 Мб/с и соответствие международным стандартам.

· Стандартные слоты EISA, предоставляющие возможность использования большого количества стандартных карт.

· Высокоскоростной интерфейс SCSI-2 для подключения до 7 периферийных устройств, обеспечивающие в два раза более высокую скорость передачи шины SCSI и возможность подключения различных стандартных периферийных устройств.

· Сетевые опции, включающие Ethernet, Token Ring, FDDI.

Средства управления:

· Реализация удаленного управления.

· Расширенные средства диагностики.

· Получение информации о конфигурации системы.

· Программное обеспечение управления нестандартными ситуациями и журналы диагностики сбоев.

Расширяемость/наращиваемость:

· Возможность обновления процессора ("upgrade").

· Возможность подключения внешней памяти.

· Использование симметричной мультипроцессорной обработки (Symmetric Multi-Processing, SMP), позволяющей добавлять дополнительные процессоры.

· Гибкость выбора операционной системы (OpenVMS AXP, Digital UNIX, Microsoft Windows NT).

Использование кластеров:

· Возможность построения кластерных систем.

Основные характеристики серверов AlphaServer представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Система/ Характеристики	AlphaServer2100 AlphaServer8200 AlphaServer8400
Частота	4/233:233 МГц 300 МГц 4/275:275 МГц 4/200:200 МГц
Число процессоров	1-4 1-6 1-12
Максимальная память	2 Гб 6 Гб 14 Гб
Память на диске	500 Гб 10 Тб 10 Тб
Поддержка ввода/вывода	3 слота PCI; 8 слотов EISA; 108 слотов PCI; 8 слотов EISA; 144 слота PCI; 8 слотов EISA; 1 слот PCI/EISA
ECC память	Да Да Да
RAID	Да Да Да
Авто перезагрузка	Да Да Да
Дублирование питания	Да Да Да
Управление температурой	Да Да Да

AlphaServer 8400

AlphaServer 8400 - это реализация сервера на базе микропроцессора DECchip 21164 (частота - от 300 МГц) высокопроизводительного сервера масштаба предприятия. AlphaServer 8400 поддерживает до 12 процессоров, 14 Гб памяти и скорость ввода/вывода свыше 1,2 Гб/сек. Сбалансированная конструкция и быстрые процессоры позволяют обеспечивать обработку более 3000 транзакций в секунду. Архитектура AlphaServer 8400 разработана с учетом возможности использования будущих поколений микропроцессора Alpha. AlphaServer 8400 оснащается высокоскоростными шинами ввода/вывода PCI (144 слота на 12 физически различных шинах). Данный компьютер имеет относительно низкую стоимость в своем классе и может использоваться в качестве сервера крупной распределенной базы данных, обеспечивая при этом надежность и готовность на уровне более дорогих мэйнфреймов.

AlphaServer 8200

Компьютер AlphaServer 8200 - это одна из наиболее высокопроизводительных систем для офиса в современной промышленности. Его конфигурация может включать до шести микропроцессоров DECchip 21164. Имея все преимущества 64-разрядной Alpha-архитектуры, до 6 Гб памяти и до 108 слотов PCI, данный сервер обеспечивает возможности роста даже для самых крупных и сложных приложений. AlphaServer 8200 поддерживает операционные системы OpenVMS, Digital UNIX и Windows NT. Небольшие предприятия и крупные подразделения могут использовать производительность, мощность и надежность этого сервера для приложений, которые прежде функционировали на системах масштаба крупного предприятия. Большие базы данных, процессы моделирования, системы поддержки принятия решений - вот несколько примеров приложений, которые легко поддерживаются AlphaServer 8200.

AlphaServer 2100

Системы AlphaServer 2100 (Рис.7.) представляют собой недорогие SMP-серверы, базирующиеся на шинах PCI/EISA. Они поддерживают операционные системы OpenVMS, Digital UNIX и Windows NT. Данные компьютеры могут использоваться в качестве серверов высокопроизводительных коммерческих приложений и баз данных, а также серверов крупных локальных сетей. AlphaServer 2100 4/233 (микропроцессор DECchip 21064A) имеет частоту 233 МГц с кэш-памятью 1 Мб; AlphaServer 2100 4/275 (микропроцессор DECchip 21064A) - 275 МГц с кэш-памятью 4 Мб; AlphaServer 2100 5/250 (микропроцессор DECchip 21164) - 250 МГц с кэш-памятью 4 Мб. Каждая система может иметь конфигурацию с 1-4 процессорами, поддерживает до 2 Гб оперативной памяти и до 64 Гб внутренней дисковой памяти. Пропускная способность системной шины равна 667 Мб/сек, а высокопроизводительная подсистема ввода/вывода PCI имеет пиковую пропускную способность 132 Мб/сек. Шина ввода/вывода EISA (33 Мб/сек) поддерживает широкий спектр стандартных устройств.

Микропроцессор 21066, 21164 - 2-х или 4-х канальный суперскалярный процессор имеет следующие характерные черты:

· Все команды фиксированной длины и формата;

· FPU поддерживет формат чисел как фирмы DEC, так и стандарта IEEE;

· 32 64-х разрядных регистра для целых чисел и 32 64-х разрядных для чисел с плавающей точкой;

· Встроеный кэш прямого отображения для чтения/записи данных;

· Встроеный кэш прямого отображения для чтения команд;

· Встроенные буфера преобразования инструкций и данных.

Системная шина - соединяет процессор с памятью и подсистемой ввода/вывода. Является синхронной, мультипликсированной 128-битной шиной адреса/данных. На шине используется контроль четности. Все передачи длиной 32 байта и пиковая производительность - 666Mb/sec.

Система памяти:

Высокая скорость обращения достигается:

· Наличием буферов потокового чтения;

· Контроль по четности адреса и данных;

· Регенерация проводиться с учетом обращений к памяти;

На Рис. 6. представлена блок-схема микропроцессора 21066. Основными компонентами этого процессора являются: кэш-память команд, целочисленное устройство, устройство плавающей точки, устройство выполнения команд загрузки/записи, кэш-память данных, а также контроллер памяти и контроллер ввода/вывода.

Кэш-память команд представляет собой кэш прямого отображения емкостью 8 Кбайт. Команды, выбираемые из этой кэш-памяти, могут выдаваться попарно для выполнения в одно из исполнительных устройств. Кэш-память данных емкостью 8 Кбайт также реализует кэш с прямым отображением. При выполнении операций записи в память данные одновременно записываются в этот кэш и в буфер записи. Контроллер памяти или контроллер ввода/вывода шины PCI обрабатывают все обращения, которые проходят через расположенные на кристалле кэш-памяти первого уровня. Контроллер памяти прежде всего проверяет содержимое внешней кэш-памяти второго уровня, которая построена на принципе прямого отображения и реализует алгоритм отложенного обратного копирования при выполнении операций записи. При обнаружении промаха контроллер обращается к основной памяти для перезагрузки соответствующих строк кэш-памяти. Контроллер ввода/вывода шины PCI обрабатывает весь трафик, связанный с вводом/выводом. Под управлением центрального процессора он выполняет операции программируемого ввода/вывода. Трафик прямого доступа к памяти шины PCI обрабатывается контроллером PCI совместно с контроллером памяти. При выполнении операций прямого доступа к памяти в режиме чтения и записи данные не размещаются в кэш-памяти второго уровня. Интерфейсы памяти и PCI были разработаны специально в расчете на однопроцессорные конфигурации и не поддерживают реализацию мультипроцессорной архитектуры.

Рис. 6. Основные компоненты процессора Alpha 21066

Рис.7. Архитектура AlphaServer 2100A

На рисунке 7 показан пример системы, построенной на базе микропроцессора 21066. В представленной конфигурации контроллер памяти выполняет обращения как к статической памяти, с помощью которой реализована кэш-память второго уровня, так и к динамической памяти, на которой построена основная память. Для хранения тегов и данных в кэш-памяти второго уровня используются кристаллы статическая памяти с одинаковым временем доступа по чтению и записи.

Конструкция поддерживает до четырех банков динамической памяти, каждый из которых может управляться независимо, что дает определенную гибкость при организации памяти и ее модернизации.

Высокоскоростная шина PCI имеет ряд привлекательных свойств. Помимо возможности работы с прямым доступом к памяти и программируемым вводом/выводом она допускает специальные конфигурационные циклы, расширяемость до 64 бит, компоненты, работающие с питающими напряжениями 3.3 и 5 В, а также более быстрое тактирование. Базовая реализация шины PCI поддерживает мультиплексирование адреса и данных и работает на частоте 33 МГц, обеспечивая максимальную скорость передачи данных 132 Мбайт/с. Шина PCI непосредственно управляется микропроцессором. На рисунке 5.18 показаны некоторые высокоскоростные периферийные устройства: графические адаптеры, контроллеры SCSI и сетевые адаптеры, подключенные непосредственно к шине PCI. Мостовая микросхема интерфейса ISA позволяет подключить к системе низкоскоростные устройства типа модема, флоппи-дисковода и т.д.

3.Серверы компании Hewlett-Packard

Компания Hewlett-Packard была учреждена в Калифорнии в 1938 году с целью создания электронного тестирующего и измерительного оборудования.

Основой разработки современных компьютеров Hewlett-Packard является архитектура PA-RISC. Она была разработана компанией в 1986 году, и с тех пор, благодаря успехам интегральной технологии, прошла несколько стадий своего развития от многокристального до однокристального исполнения. Архитектура PA-RISC разрабатывалась с учетом возможности построения многопроцессорных систем, которые реализованы в старших моделях серверов.

Как известно, одна из главных причин перехода к RISC -- стремление выполнять команду за один такт. Для достижения большей производительности разработчики RISC создают процессоры, выполняющие за один такт несколько команд. Такие процессоры называют суперскалярными. Эти процессоры сложнее -- их реализуют, как правило, на нескольких кристаллах, что ведет к ограничению частоты. Hewlett-Packard первой разработала суперскалярный процессор на одном кристалле с высокой тактовой частотой. Для того, чтобы более полно использовать возможности суперскалярных процессоров, в набор PA-RISC включены составные команды, которые выполняют на разных частях кри-сталла сразу несколько операций. Вследствие этого, PA-RISC выполняет большее число команд за такт, опережая процессоры конкурентов, даже если они обладают большей тактовой частотой.

Еще одна особенность PA-RISC -- большие внешние кэши (Рис. 8.). В отличие от некоторых других процессоров, где размер кэша достаточен лишь для быстрого выполнения простых тестов, кэши PA-RISC форсируют работу реальных приложений и служат ключевым отличием от других реализаций RISC. Хранение команд и данных осуществляется в раздельных кэшах, причем процессор соединяется с ними с помощью высокоскоростных 64-битовых шин. Кэш-память реализуется на высокоскоростных кристаллах статической памяти (SRAM), синхронизация которых осуществляется непосредственно на тактовой частоте процессора. При тактовой частоте 100 МГц каждый кэш имеет полосу пропускания 800 Мбайт/с при выполнении операций считывания и 400 Мбайт/с при выполнении операций записи. Микропроцессор аппаратно поддерживает различный объем кэш-памяти: кэш команд может иметь объем от 4 Кбайт до 1 Мбайт, кэш данных - от 4 Кбайт до 2 Мбайт. Чтобы снизить коэффициент промахов применяется механизм хеширования адреса. В обоих кэшах для повышения надежности применяются дополнительные контрольные разряды, причем ошибки кэша команд корректируются аппаратными средствами.

Еще один метод, используемый в RISC-архитектурах для повышения производительности -- это конвейер. Для ускорения выполнения команды ее обработка разбивается на ступени: выборка, декодирование, выполнение, обратная запись и т.д. Все ступени конвейера работают одновременно. Наличие конвейера -- главный фактор, благодаря которому RISC превосходит CISC. 5-ступенчатый конвейер минимизирует задержки из-за остановов, характерные для суперконвейерных архитектур.

Другими важными особенностями PA-RISC являются:

· Расширенные возможности 64-разрядных вычислений.

· Встроенная поддержка графики. Набор команд PA-RISC расширен графическими возможностями. Эти команды наряду с огромной производительностью вещественных вычислений позволяют добиться замечательных характеристик графики без помощи графических процессоров.

· Встроенная поддержка мультимедиа. Первым процессором с поддержкой мультимедиа был PA-7100LC. Он мог декодировать  видео MPEG-1 со скоростью 30 кадров в секунду с полным стереозвуком. Благодаря встроенной поддержке типов данных мультимедиа в базовой архитектуре, Hewlett-Packard в состоянии обеспечить очень высокую скорость отображения без дополнительных затрат.

Рис. 8. Блок-схема взаимодействия процессора и внешних кэшов

Процессор подсоединяется к памяти и подсистеме ввода/вывода посредством синхронной шины. Процессор может работать с тремя разными отношениями внутренней и внешней тактовой частоты в зависимости от частоты внешней шины: 1:1, 3:2 и 2:1. Это позволяет использовать в системах разные по скорости микросхемы памяти.

Процессор PA-8xxx вобрал в себя все известные методы ускорения выполнения команд. В его основе лежит концепция "интеллектуального выполнения", которая базируется на принципе внеочередного выполнения команд. Это свойство позволяет PA-8000 достигать пиковой суперскалярной производительности благодаря широкому использованию механизмов автоматического разрешения конфликтов по данным и управлению аппаратными средствами. Эти средства хорошо дополняют другие архитектурные компоненты, заложенные в структуру кристалла: большое число исполнительных функциональных устройств, средства прогнозирования направления переходов и выполнения команд по предположению, оптимизированная организация кэш-памяти и высокопроизводительный шинный интерфейс.