Abteilung Betriebssysteme und Verteilte Systeme

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Abstract

There exist limits for the increase of the performance of single processor systems. Further increases can be achieved by breaking tasks into smaller parts (parallelization) and by distributing them across several processors or computers. To solve the whole task efficiently, the processors or computers working on partial tasks have to communicate. During the last years, two types of computers integrating several processors in one system have been created: multiprocessor systems and multicomputer systems. In a multiprocessor system several processors share the same memory and work on tasks while communicating via the shared memory. In a multicomputer system separate computers have their own memory and only cooperate on tasks by communicating via special devices. A bus serves as a medium for the communication between the processors and the memory in a multiprocessor system, or between the computers in a multicomputer system. The bus is equipped with data and control lines of differing bit widths, speeds, and signal count. With increasing number of processors or computers in such a system, the kind of coupling between processors and memory as well as the type of connection between the system components (bus topology) are of growing importance for efficient use of the bandwidth of the communication channels. This work elaborates on the coupling and connection types in the multiprocessor and multicomputer systems and on the mechanisms for interprocess communication with special accent on multiprocessor systems. One important component of these mechanisms is the way to achieve memory coherence. In closing, a protocol for interprocess communication is developed and implemented, which is running in a multiprocessor system based on the Siemens 83C166 microcontrollers.

Kurzfassung

Der Leistungssteigerung von Einzelprozessorsystemen sind Grenzen gesetzt. Die weitere Leistungssteigerung kann erreicht werden, wenn Aufgaben in ihre Teile zerlegt (Parallelisierung) und auf mehrere Prozessoren oder Computer verteilt werden. Um die Gesamtaufgabe effizient lösen zu können, müssen die Computer, die die Teilaufgaben ausführen, miteinander kommunizieren. In den letzten Jahren entstanden zwei Arten von Computersystemen, die mehrere Prozessoren in einem System vereinigen: Multiprozessorsysteme und Multicomputersysteme. In einem Multiprozessorsystem teilen mehrere Prozessoren einen gemeinsamen Speicher miteinander und erledigen die Aufgaben über den Speicher miteinander kommunizierend. In einem Multicomputersystem verfügen die einzelnen, eigenständigen Computer über ihren eigenen, lokalen Speicher und kommunizieren miteinander nur über spezielle Vorrichtungen. Als Medium zur Kommunikation zwischen den Prozessoren und dem Speicher in einem Multiprozessorsystem bzw. zwischen den Computern in einen Multicomputersystem dient ein Bus. Dieser verfügt über Daten- und Steuerleitungen von unterschiedlicher Bitbreite, Geschwindigkeit und Signalzahl. Mit steigender Zahl von Prozessoren bzw. von Computern in einem solchen System gewinnen die Kopplungsart zwischen den Prozessoren und dem Speicher und die Verbindungsart zwischen den Komponenten des Systems (Bustopologie) zunehmend an Bedeutung, um die Bandbreite der Kommunikationskanäle effizent nutzen zu können. In dieser Arbeit werden die Kopplungs- und die Verbindungsarten in den Multiprozessor- und Multicomputersystemen und die Mechanismen zur Interprozessorkommunikation mit besonderem Blick auf die Multiprozessorsysteme erläutert. Dabei ist die Aufrechterhaltung der Speicherkohärenz eine wichtige Komponente dieser Mechanismen. Zum Abschluß wird ein Protokoll zur Interprozessorkommunikation entwickelt und implementiert, das in einem Multiprozessorsystem auf der Basis von Microcontrollern vom Typ 83C166 der Firma Siemens einsetzbar ist.

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