DE3727017A1 - Synchronisiervorrichtung fuer prozessoren - Google Patents
Synchronisiervorrichtung fuer prozessorenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Mehrprozessorsystem bzw.
einen Vielkanalrechner und insbesondere auf eine für Syn
chronprozessoren geeignete Synchronisiervorrichtung.
Bei der herkömmlichen Synchronverarbeitung für Mehrpro
zessorsysteme wird im wesentlichen ein Synchronisierpro
gramm (oder Prozeßbefehlsprogramm bzw. -plan) für Tasks,
d. h. Aufgaben oder Rechenprozesse, übernommen, bei denen
Tasks auf der Grundlage eines taskangesteuerten Befehls
oder eines datenangesteuerten Befehls verarbeitet werden.
Im Fall eines Mehrprozessorsystems für allgemeine Zwecke
ist ein Datenflußverarbeitungsplan oder ein Zeichenkon
trollplan übernommen worden, bei dem Taskend-Flags in einem
gemeinsamen Speicher vorgesehen sind, um für jeden Task zu
überprüfen, ob alle erforderlichen Prozesse bzw. Arbeits
abläufe des vorhergehenden Tasks abgeschlossen worden sind.
Eine Synchronverarbeitung dieser Art ist in der japanischen
Veröffentlichung "Mehrprozessorsystem" S. 117-122, Keigaku
Shuppan, November 1984, beschrieben worden.
Ein Beispiel einer herkömmlichen Vorrichtung für ein Mehr
prozessorsystem ist in der US-PS 44 93 053 beschrieben.
Die herkömmliche Technologie für Mehrprozessorsysteme für
allgemeine Zwecke stützt sich weitgehend auf Software und
macht es erforderlich, daß eine Anzahl von Datenwörtern
bzw. Elementen überprüft wird, was zu einem großen Aufwand
für eine Synchronverarbeitung zwischen Tasks (d. h. Regu
lierung der Prioritätsreihenfolge der Taskverarbeitung)
oder zwischen Prozessoren führt. Es treten daher einige
Probleme dahingehend auf, daß Tasks nicht in Teile unter
teilt werden können, und die Taskverarbeitungsreihenfolge
in ihrem parallelen Arbeitsablauf ist übermäßig einge
schränkt. Eine Parallelverarbeitung von Jobs, d. h. von
Aufgaben, kann nicht einwandfrei verwendet werden, was zu
einem verringerten Wirkungsgrad führt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Synchronvor
richtung für Prozessoren zu schaffen, die in der Lage ist,
den Aufwand für die Synchronverarbeitung zwischen Tasks
oder Prozessoren bzw. Prozessorsystemen im Parallelbetrieb
von Mehrprozessorsystemen für allgemeine Zwecke auf ein
Minimum herabzusetzen.
Diese Aufgabe wird durch die Erfindung bei einer Synchron
vorrichtung mit Merkmalen gemäß Anspruch 1 ge
löst. Vorteilhafte Weitergestaltungen der erfindungsgemäßen
Synchronvorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist die Tatsache berück
sichtigt worden, daß die Anzahl von Tasks, die von Mehr
prozessorsystemen für allgemeine Zwecke gleichzeitig ver
arbeitet werden, nicht die Anzahl der Prozessoren bzw.
Prozessorsysteme überschreitet, wobei sämtliche Synchroni
sationsprobleme bei Parallelverarbeitung in die Synchroni
sationsprobleme zwischen Prozessoren bzw. Prozessorsystemen
umgewandelt werden, und Hardware zur Synchronverarbeitung
zwischen einer festgelegten Anzahl von Prozessoren ver
wendet wird, wodurch der Softwareaufwand auf ein Minimum
herabgesetzt wird.
Insbesondere ist eine Anzahl von Bits entsprechend einer
jeweils endlichen Anzahl von Prozessoren vorgesehen. Nach
Beendigung der Taskverarbeitung setzt jeder Prozessor in
einem Synchronregister eine Bitfolge (Wortdaten), die ak
tive Bits aufweist, die zugeordnete Tasks ausführende Pro
zessoren darstellen. Der Prozessor macht auch seine Task
endleitung aktiv. Ein Komparator vergleicht Taskendlei
tungen der taskverarbeitenden Prozessoren mit der Bitfolge
um zu überwachen, ob diese Prozessoren die Taskverarbeitung
abgeschlossen haben. Wenn die Ergebnisse des Vergleichs
sämtlich "wahr", d. h. zutreffend, anzeigen, wird eine
Synchronisation angenommen und dem Prozessor mitgeteilt.
Der obige Arbeitsablauf wird durchgeführt, wobei Hardware
bis zu dem Ausmaß verwendet wird, in dem die Anpassungs
fähigkeit des Systems nicht geschädigt bzw. beeinträchtigt
wird.
Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausfüh
rungsbeispiele und der Zeichnung weiter erläutert. In der
Zeichnung zeigt
Fig. 1 ein Hardwareblockdiagramm, das ein Ausführungs
beispiel einer erfindungsgemäßen Synchronvor
richtung für Prozessoren zeigt,
Fig. 2 den in Fig. 1 dargestellten Komparatorkreis,
Fig. 3 ein Hardwareblockdiagramm, das ein weiteres Aus
führungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Synchron
vorrichtung für Prozessoren zeigt,
Fig. 4 den in Fig. 3 dargestellten Komparatorkreis und
Fig. 5 ein Beispiel einer Steuerung bei Parallelverar
beitung durch die erfindungsgemäße Synchronvor
richtung.
Es wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 1 ein be
vorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Es wird angenommen, daß bei diesem Ausführungsbeispiel ein
Mehrprozessorsystem aus m Prozessoren aufgebaut ist, von
denen die Prozessoren l n und l n 8 1 in Fig. 1 dargestellt
sind. Jeder Prozessor ist mit einem Prozessorsynchronisier
kreis 2 n , 2 n + 1 versehen. Zwischen den Synchronisierkreisen
2 n und 2 n + 1 wird Information über Signalleitungen 8 über
tragen. Erfindungsgemäß sind Prozessoren zur Ausführung
zugeordneter Tasks beliebig in eine Gruppe klassifiziert,
um ihre Verarbeitungen auszuführen, während die Synchro
nisation der Gruppe sichergestellt ist. Jeder Prozessor
synchronisierkreis 2 n , 2 n + 1 ist mit einem Synchronregister
5, einem Flip-Flop 7, einer Signalleitung 8, über die der
Status (Zustand) des Flip-Flops 7 zu jedem Prozessor über
tragen bzw. gesendet wird, einem Komparatorkreis 6 und
einem Signalkreis versehen, um einem entsprechenden Pro
zessor das Überprüfungsergebnis durch den Komparatorkreis 6
zu übermitteln. Das Synchronregister 5 speichert Informa
tion betreffend die Prozessoren in einer Gruppe. Der Flip-
Flop 7 wird gleichzeitig mit oder nach dem Zeitpunkt an
gesteuert bzw. getriggert, wenn die Signale "1" oder "0" im
Register 5 gesetzt werden. Der Komparatorkreis 6 vergleicht
die Übertragungsinhalte (Sendeinhalte) mit denjenigen im
Synchronregister 5 um zu überprüfen, ob der Status sämt
licher Prozessoren in einer im Register 5 gespeicherten
Gruppe "wahr" wird. Es sind außerdem eine Zugriffssignal
leitung 4, eine Statusleitung 5 und eine Steuer- bzw.
Triggersignalleitung 10 vorgesehen.
Es wird nun die synchrone Arbeitsablauf- d. h. Operations
sequenz der Prozessoren in einer Gruppe beschrieben. Es
wird angenommen, daß die Prozessoren l n und l n + 1 der Pro
zessoren l O bis l m eine Gruppe bilden und zugeordnete Tasks
ausführen. Als erstes wird die Beschreibung den Arbeits
ablauf des Prozessors 1 n betreffen. Nach Abschluß der
Taskverarbeitung setzt der Prozessor l n "1" im n ten und
(n + 1)ten Bit des Synchronregisters 5 über eine Datenleitung
3 und "0" in den anderen Bits, um hierdurch eine Bitfolge
zu schreiben (die eine Gruppe von Prozessoren anzeigt).
Während des Schreibvorgangs wird der Signalleitung 4 ein
aktiver Impuls zugeführt, der anzeigt, daß der Prozessor n
auf das Synchronregister 5 zugreift, wobei der Impuls als
Schreibtaktsignal des Synchronregisters 5 dient. Der Flip-
Flop 7 wird gleichzeitig durch den Impuls auf der Signal
leitung 4 angesteuert, so daß an seinem Q-Anschluß ein
Taskendsignal mit dem Pegel "0" und an seinem -Anschluß
ein Statussignal mit dem Pegel "1" ausgegeben wird. Das
Schreibtaktsignal des Synchronregisters 5 und das Trigger
signal für den Flip-Flop 7 können separat vorgesehen wer
den, um die Informationseinschreibetätigkeit in das Syn
chronregister und die Ausgabeoperation eines Taskendsignals
durch den Flip-Flop 7 unabhängig auszuführen. Das Task
endsignal aus dem Anschluß Q wird zu jedem Synchronsier
kreis 2₀ bis 2 m eines entsprechenden Prozessors über die
n te Taskendsignalleitung 8 geschickt. Das Statussignal aus
dem Anschluß wird über die Statusleitung 9 in einen
TEST-Anschluß des Prozessors l n eingegeben, um die Ver
arbeitung durch den Prozessor zu unterbrechen, bis der
TEST-Eingang bzw. das entsprechende Eingangssignal den
Pegel auf "0" ändert. Das im Synchronregister 5 gesetzte
Signal und die Signale auf den Signalleitungen 8 werden
jeweils in die entsprechenden Einheiten 0 bis m des Kom
paratorkreises 6 eingegeben, so daß jede Einheit die ent
sprechenden Signale auf dem Register 5 und der Signallei
tung 8 empfängt. Der innere Aufbau des Komparatorkreises 6
ist in Fig. 2 dargestellt. Wenn der Wert im Synchronre
gister "0" ist, wird ein Ausgang bzw. Ausgangssignal eines
NAND-Gatters unabhängig vom Wert auf der Signalleitung 8
"1". Wenn sämtliche Werte auf den Taskendsignalleitungen 8
entsprechend den vorher im Synchronregister 5 gesetzten
Bits "1" "0" werden, d. h. wenn bei diesem Beispiel die n te
und (n + 1)te Taskendsignalleitung 8 "0" werden, ändert sich
daher ein Ausgangssignal eines NAND-Gatters 18 auf den
Pegel "0", so daß sich ein Triggersignal 10 auf den aktiven
Pegel "0" ändert.
Auf dieses Triggersignal hin wird der Flip-Flop 7 vorein
gestellt, um das Taskendsignal aus dem Anschluß Q auf den
Pegel "1" und damit die n te Taskendsignalleitung 8 auf den
Pegel "1" zu ändern. Das Triggersignal 10 aus dem Kompa
ratorkreis 6 wird somit auf den Pegel "1" geändert. Gleich
zeitig ändert das Statussignal aus dem Anschluß ebenfalls
den Pegel auf "0" und damit der TEST-Eingang des Prozessors
l n den Pegel auf "0", was bewirkt, daß der Prozessor l n
wieder die Verarbeitung beginnt. Der Prozessor l n + 1 arbei
tet auf dieselbe Weise wie oben, so daß die Prozessoren l n
und l n + 1 zu der Zeit synchronisiert sind, zu der beide
Prozessoren die Taskverarbeitung abschließen.
Die synchrone Arbeitsablaufsequenz durch die erfindungs
gemäße Synchronverarbeitung für Prozessoren ist oben be
schrieben worden. Erfindungsgemäß wird nur der Schreib
vorgang in das Synchronregister durch Software um einen
Maschinenbefehl herum durchgeführt. Die weitere Verarbei
tung wird unter Verwendung von Hardware ausgeführt, so daß
ein Synchronverarbeitungsaufwand auf ein Minimum herab
gesetzt werden kann. Des weiteren werden Prozessoren in
eine Gruppe unter Verwendung lediglich eines einzigen Syn
chronisierkreises für jeden Prozessor klassifiziert, so daß
für die zu einer Gruppe gehörenden Prozessoren eine Syn
chronverarbeitung ausgeführt werden kann. Dadurch, daß eine
Anzahl von Synchronisierkreisen für jeden Prozessor vorge
sehen wird, wird es des weiteren möglich, für Prozessoren
mehrerer Gruppen eine Mehrfachsynchronverarbeitung aus
zuführen. Die Klassifizierung von Prozessoren in eine
Gruppe und die Mehrfachsynchronverarbeitung ergeben eine
Flexibilität der Parallelverarbeitung, die eine außer
ordentlich leistungsfähige Parallelverarbeitung wie einen
Datenfluß an sich in einem Mehrprozessorsystem für allge
meine Zwecke ermöglicht.
In Fig. 3 und 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Erfindung dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind
sämtliche Bits im Synchronregister 5 auf "1" gesetzt, um
die Prozessoren als zu einer einzigen Gruppe gehörend zu
behandeln. Ein solcher Fall wird als Ganz- oder Vollsyn
chronisation bezeichnet. Der in Fig. 3 dargestellte Kreis
wird dazu verwendet, die Vollsynchronisation für sämtliche
Prozessoren auszuführen. In Fig. 4 ist ein Beispiel des in
Fig. 3 dargestellten Komparatorkreises 6 gezeigt. Der
Grundaufbau der Schaltung ist identisch wie bei dem in Fig.
1 dargestellten Ausführungsbeispiel. Die Vollsynchronisa
tion ist dazu äquivalent, daß die durch den Komparatorkreis
6 zu vergleichenden Objekte sämtlich auf "1" gesetzt wer
den. Wenn sämtliche Werte bei den Taskendsignalleitungen 8
"0" werden, ändert daher der Ausgang bzw. das Ausgangs
signal des NAND-Gatters 18 den Pegel auf "0" und damit das
Triggersignal 10 den Pegel auf aktive "0". Wenn lediglich
die Vollsynchronisation beabsichtigt ist, kann das Syn
chronregister 5 bei der Ausführung der Synchronverarbeitung
für die Prozessoren fortgelassen werden.
In Fig. 5 ist dargestellt, wie die Parallelverarbeitungs
steuerung und -kontrolle durch die erfindungsgemäße Syn
chronvorrichtung zwischen Prozessoren durchgeführt wird. Es
wird bezüglich der Figur angenommen, daß vier Prozessoren a
bis d durch die erfindungsgemäße Synchronvorrichtung für
Prozessoren so gesteuert werden, daß sie mit in der Figur
nach unten erfolgendem Zeitablauf parallel verarbeitet
werden. Zuerst werden durch die Prozessoren a und b zuge
ordnete Tasks 1 und 2 bearbeitet. In gleicher Weise werden
Tasks 3 und 4 durch die Prozessoren c und d bearbeitet. Die
zugeordnete Tasks ausführenden Prozessoren sind in eine
Gruppe klassifiziert, d. h. in diesem Fall bilden die Pro
zessoren a und b eine Gruppe 11 und die Prozessoren c und d
bilden eine Gruppe 12. Ein Tasks verbindender Pfeil mit
durchgezogener Linie stellt eine Prozeß bzw. Arbeitsablauf
und einen Datenfluß dar, die denselben Prozessor verwenden,
während ein Pfeil mit strichpunktierter Linie einen Daten
fluß von Tasks darstellt, die durch einen unterschiedlichen
Prozessor in derselben Gruppe durchgeführt werden, d. h.
einen Datentransfer (Übertragung) zwischen Prozessoren in
derselben Gruppe. Zur Zeit t 1 und t 2 tritt das Erfordernis
auf, Daten zwischen zwei Gruppen zu übertragen. Nach Syn
chronverarbeitung durch die erfindungsgemäße Synchronvor
richtung für Prozessoren werden die verarbeiteten Daten
zwischen den Prozessoren ausgetauscht. Anschließend
schreitet die Gruppe mit den Prozessoren a und b mit der
Bearbeitung von Tasks 5 und 6 fort, während die Gruppe mit
den Prozessoren c und d mit der Bearbeitung von Tasks 7 und
8 fortschreitet. Wie oben zeigt die Synchronverarbeitung
durch die erfindungsgemäße Synchronvorrichtung an, welche
Prozessoren in dieselbe Gruppe zur Bearbeitung der Tasks
klassifiziert worden sind. Da zwischen unterschiedlichen
Gruppen keine Datenübertragung auftritt, wird es möglich,
jede Gruppe unabhängig und flexibel parallel zu verarbei
ten, wodurch eine außerordentlich wirkungsvolle Parallel
verarbeitung realisiert wird. Gruppen 13 und 14 umfassen
dieselben Prozessoren wie diejenigen in den Gruppen 11 und
12 zur Durchführung von Taskverarbeitung und Synchronverar
beitung zur Zeit t 3 und t 4, um anschließend eine Datenüber
tragung zwischen Prozessoren zu bewirken. Zur Zeit t 5 wer
den die Tasks 9 bis 12 einander zugeordnet, so daß eine
Unabhängigkeit von Gruppen verschwindet. Nachdem einmal
eine Synchronverarbeitung einer jeden Gruppe durchgeführt
worden ist, werden in diesem Fall sämtliche Prozessoren
unter Verwendung einer anderen Synchronvorrichtung für
Prozessoren wieder synchronisiert. Es kann nämlich in
Erwägung gezogen werden, daß eine Synchronverarbeitung
zwischen Gruppen durch die andere Synchronvorrichtung für
Prozessoren durchgeführt worden ist. Somit enthält die
Gruppe 15 sämtliche Prozessoren. Anschließend wird bewirkt,
daß die zugeordnete Tasks 13 bis 15 ausführenden Prozes
soren a bis c eine Gruppe 16 bilden, während bewirkt wird,
daß der einen Einzeltask 16 ausführende Prozessor d eine
Gruppe 17 bildet. Zur Zeit t 6 und t 7 werden die Synchron
verarbeitungen mit diesen umgeordneten Gruppen parallel
durchgeführt. Wie soweit beschreiben worden ist, ermöglicht
die Verwendung einer Synchronvorrichtung für Prozessoren
auf vielfache Weise eine einfache Umgruppierung von Gruppen
und eine flexiblere und außerordentlich wirksame Parallel
verarbeitung.
Um einen feststehenden Job in der Form von unterteilten
Tasks durch Mehrprozessorsysteme für allgemeine Zwecke zu
verarbeiten, werden erfindungsgemäß Prozessoren zur Aus
führung zugeordneter Tasks in eine Gruppe klassifiziert, um
ein synchrones Verarbeitungsverfahren zur Synchronisation
von Prozessoren in derselben Gruppe oder in unterschied
lichen Gruppen zu übernehmen. Die Synchronvorrichtung für
Prozessoren kann somit soweit wie möglich bis zu dem Ausmaß
unter Verwendung von Hardware ausgestattet werden, daß eine
Betätigung des Systems unter Verwendung eines Softwarepro
gramms gestattet ist, wodurch der Softwareaufwand bei
Synchronverarbeitung wirksam auf ein Minimum herabgesetzt
wird.
Die Erfindung läßt sich wie folgt zusammenfassen. Sie
betrifft eine Synchronvorrichtung zur Synchronisation einer
Anzahl von Prozessoren und umfaßt ein Register 5 zum
Speichern von Informationen betreffend eine Gruppe von Pro
zessoren, die eine Parallelverarbeitung für zugeordnete
Tasks ausführen, eine Einheit 7 zur Aktivierung der Task
endinformation eines Prozessors, einen Komparator 6 zum
Vergleichen der in dem zur Gruppe gehörigen Register ge
speicherten Information mit der Taskendinformation um zu
überprüfen, ob eine Synchronisation in der Gruppe beendet
worden ist, eine Signalleitung n zur Übertragung der Task
endinformation zu dem Komparator und eine Einheit 9 zur
Übertragung eines Vergleichsergebnisses durch den Kompa
rator zum Prozessor.
Claims (7)
1. Synchronisiervorrichtung zur Synchronisation mehrerer
Prozessoren,
gekennzeichnet durch
- - eine Speichereinrichtung (5) zum Speichern von Informa tionen betreffend eine Gruppe von Prozessoren, die eine Parallelverarbeitung für zugeordnete Tasks ausführen,
- - eine Einrichtung (7) zur Aktivierung der Taskendinfor mation eines Prozessors,
- - eine Vergleichseinrichtung (6) zum Vergleichen der in der zu der Gruppe gehörenden Speichereinrichtung ge speicherten Information mit der Taskendinformation, um zu überprüfen, ob die Synchronisation in der Gruppe abgeschlossen worden ist,
- - eine Signalleitung (n) zum Übertragen der Taskendinfor mation zur Vergleichseinrichtung (6) und
- - eine Übertragungseinrichtung (9) zur Übertragung des Vergleichsergebnisses der Vergleichseinrichtung (6) zum betreffenden Prozessor.
2. Synchronisiervorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Speichereinrichtung (5) ein Synchronregister
zur Speicherung von Bitinformationen für jeden Prozessor ist.
3. Synchronisiervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die in der Speichereinrich
tung (5) gespeicherte Bitinformation eine Information
zur Entscheidung ist, ob ein Prozessor zur betreffenden
Gruppe gehört.
4. Synchronisiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung
(6) die Taskendinformation für jeden Prozessor mit einer
entsprechenden Bitinformation in der Speichereinrich
tung (5) vergleicht.
5. Synchronisiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Synchronein
richtungen umfassend die Speichereinrichtung (5), die
Vergleichseinrichtung (6), die Einrichtung (7) zur Er
zeugung der Taskendinformation, die Signalleitung (n)
und die Übertragungseinrichtung (9) unabhängig vonein
ander vorgesehen ist.
6. Synchronisiervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Synchroneinrichtungen Prozessoren in
einer gleichen Gruppe oder in unterschiedlichen Gruppen
synchronisieren.
7. Synchronisiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
6, dadurch gekennzeichnet, daß
- - die Speichereinrichtung (5) ein Synchronregister ist,
- - die Einrichtung (7) zur Aktivierung der Taskendinforma tion ein Flip-Flop ist, das dann, wenn ein Wert im Synchronregister gesetzt wird, oder zu einem späteren Zeitpunkt getriggert wird,
- - die Signalleitung (n) den Zustand des Flip-Flops zu jedem Prozessor übermittelt, und
- - die Vergleichseinrichtung (6) die Information über den Zustand des Flip-Flops mit der im Synchronregister ge speicherten Information vergleicht.
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