موضوع مقاله: چندپردازشی متقارن | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # چندپردازشی متقارن | مقدمه: در مورد پردازنده‌های چندهسته‌ای، معماری SMP به هسته‌ها اعمال شده و آن‌ها را به صورت پردازنده‌های جداگانه مطرح می‌سازد. | ## بخش 1: چندپردازشی متقارن | طراحی سیستم‌های SMP با سیستم‌های چندپردازنده به هم وابسته با محفظه‌ای از پردازنده‌های همسان به صورت مستقل از یکدیگر عمل کنند. یک زبان برنامه‌نویسی متداول ممکن است توانایی قسمت‌بندی جریان کاری را نیز داشته باشد، اما همچنین با درک موقعیت حافظه نیز همراه است که در معماری مبتنی بر گره شدیدتر مطرح شده‌است.Lina J. Evans (2009).سیستم‌های SMP به هر پردازنده یا کاری برای وظیفه صرف نظر از این‌که داده کجای حافظه باشد اجازهٔ فعالیت می‌دهد. این موضوع نیز در نظر گرفته شده که هر وظیفه در سیستم در زمان اجرا با دو پردازنده یا بیشتر به صورت هم‌زمان همراه است. با حمایت سیستم عملیاتی مناسب، سیستم‌های SMP می‌توانند به سادگی وظایف را در میان پردازنده‌ها جابه‌جا کنند تا کارآمدی جریان کاری را متعادل سازند. تاریخچه سیستم تولید اولیه با پردازنده‌های ایده ال چندگانه b5000 است در حوالی سال ۱۹۶۱ عمل می‌کرده‌است. با وجود این در زمان اجرای کار، این مورد نامتقارن بوده و با یک پردازندهٔ محدود به کاربرد برنامه‌ها حین این‌که دیگر پردازنده‌ها سیستم عملیاتی و تداخل‌های سخت‌افزاری را در نظر می‌گیرند می‌شد. آی‌بی‌ام سیستم‌های رایانه‌ای با پردازندهٔ دوگانه را براساس مدل سیستم/۳۶۰ و مدل ۶۷ مرتبط در نظر می‌گرفت؛ و سیستم‌های عملیاتی ۶۷–۲ که بر این دستگاه‌ها سوار می‌شد OS/360 از نوع M65MP و TSS/360 بود. دیگر نرم‌افزار توسعه یافته در دانشگاه‌ها که قابل اشاره است سیستم پایانهٔ میشیگان است که هر دو CPU را به کار می‌بست. در بخش OS/360 m65mp لوازم جانبی اصولاً به پردازنده‌های دیگر می‌رسد زیرا سیستم عملیاتی روی هر دو پردازنده عمل می‌کند. نخستین استقرار یونیکس SMP تجاری مبتنی بر سیستم‌های اطلاعاتی هانیول ایتالیایی XPS-100 است که توسط دن جیلن در شرکت VAST در سال ۱۹۸۵ طراحی شد. کاربردها سیستم‌های به اشتراک‌گذاری زمان و سروری می‌توانند بیشتر اوقات SMP را بدون تغییرات در مورد کاربردها به کار برند، چرا که آن‌ها ممکن است فرایندهای چندگانه را به صورت موازی اجرا کرده و سیستمی با بیش از این پردازش در نظر گیرد که روی پردازنده‌های مختلف عملیات‌های گوناگون را در نظر گیرد. در مورد رایانه‌های شخصی، SMP فایدهٔ کمتری برای کاربردهایی دارد که اصلاح نشده‌است. اگر سیستم به ندرت بیش از یک پردازش در هر دفعه داشته باشد، SMP تنها برای کاربردهایی مورد نظر است که پردازش چندرشته‌ای در پی دارد. نرم‌افزار برنامه‌ریزی‌شدهٔ سفارشی می‌تواند جهت کاربرد در رشته‌های چندگانه نوشته یا اصلاح شود تا بتواند کاربرد پردازنده‌های چندگانه را کنترل کند. برنامه‌های چندرشته‌ای می‌توانند در سیستم‌های سرور و به اشتراک‌گذاری زمانی به کار رود که از چندرشته‌ای بود پشتیبانی می‌کند و آن‌ها را در کاربردی‌سازی پردازنده‌های چندگانه یاری دهد. در SMP، همهٔ پردازنده‌ها در جعبه‌ای یکسان با یک پایانه یا کلید پیوند خورنده است. برخی از مؤلفه‌هایی که به اشتراک گذارده شده حافظه‌ای جهانی، دیسک‌ها و ادوات ورودی/خروجی است. تنها یک رونوشت از OS در همهٔ پردازنده‌ها اعمال شده و OS باید برای برگرفتن مزیت‌های این پیکربندی مورد توجه قرار گیرد. برای حل مسائل مختلف و وظایف مورد نیاز، SMP پردازنده‌های چندرشته‌ای را به شکلی اعمال می‌کند تا یک مسئله به نام برنامه‌نویسی موازی مورد نظر قرار گیرد. همچین نه تنها سیستم تک‌پردازنده در یک SMP به کار می‌رود، بلکه می‌تواند برای به‌اشتراک‌گذاری داده نیز مورد توجه قرار گیرد. برای مثال، چون SMP نیاز به پردازنده‌ای دارد که چندپردازندگی را توانمند می‌سازد، پردازنده‌ای که نقطهٔ شناوری را در نظر گرفت نمی‌تواند در SMP به کار رود. علاوه بر این، برخی محدودیت‌ها در مورد مقیاس‌پذیری SMP متناظر با انسجام حافظهٔ نهان و اشیای به‌اشتراک‌گذاشته‌است. برنامه‌نویسی سیستم‌های تک‌پردازنده و SMP نیازمند روش‌های متفاوت برنامه‌نویسی برای به‌دست آوردن بیشینه عملکرد هستند. | ## بخش 2: چندپردازشی متقارن | اجرای برنامه‌ها در سیستم‌های SMP ممکن است افزایشی در عملکرد را حتی هنگامی که برای سیستم‌های تک‌پردازنده مدنظرند به همراه داشته باشد. این بدین خاطر است که وقفه‌های سخت‌افزاری معمولاً اجرای برنامه را معلق می‌کنند درحالی‌که هستهای که آن را سامان می‌دهد می‌تواند به جای آن روی پردازندهی منفردی انجام شود. این اثر در اکثر برنامه‌ها به حدی نیست که افزایش عملکرد به صورت اجرای هموارتر برنامه مدنظر باشد. برخی برنامه‌های کاربردی، به خصوص کامپایلرها و برخی پروژه‌های رایانهای توزیع‌شده با توجه به عامل تعداد پردازنده‌های اضافی سریعتر انجام می‌شوند.. برنامه نویسان سیستمی باید پشتیبانی برای SMP در سیستم عملیاتی بیایند؛ در غیر اینصورت پردازنده‌های اضافی مجرد مانده و عملکردهای سیستم به عنوان سیستم تک‌پردازنده حفظ می‌شود. یک سیستم پردازنده همجنس به صورت معمول نیازمند ثبت افزون دستورالعملهای خاص از جمله SIMD است، درحالی‌که یک سیستم ناهمگون می‌تواند انواع مختلفی از سخت‌افزارها را برای کاربردهای مختلف در نظر گیرد. عملکرد هنگامی که بیش از یک برنامه در هر موقعیت اجرا می‌شود، یک سیستم SMP به صورت خاص عملکرد بهتری نسبت به یک تک‌پردازنده دارد، زیرا برنامه‌های مختلف می‌توانند به صورت هم‌زمان بر سی‌پی‌یوهای مختلف اثر بگذارد. به صورت مشابه، چندپردازی نامتقارن معمولاً تنها یک پردازنده را مجاز می‌کند تا برنامه یا وظیفهی خاص مرتبط با آن را به یکباره مورد توجه قرار دهد. برای مثال، AMP می‌تواند در تخصیص وظایف خاص به سی‌پی‌یو مبتنی بر اهمیت و اولویت تکمیل وظیفه مورد توجه قرار بگیرد. AMP به خوبی پیش از اینکه SMP در مورد سی‌پی‌یوهای چندگانه مطرح شود ایجاد شده که توضیح‌دهندهٔ فقدان عملکرد براساس مثال فراهم شده‌است. در مواردی که در آن یک محیط SMP در مورد بسیاری از وظیفه‌ها صورت گرفت، اجراکننده‌ها اغلب فقدان کارایی سخت‌افزاری را تجربه می‌کنند. برنامه‌های نرم‌افزاری برای زمانبندی وظایف توسعه داده شدهاند تا بهره‌وری نرم‌افزاری به بیشترین پتانسیل خود برسد. بسته‌های نرم‌افزاری مناسب می‌توانند این پتانسیل بالا را با زمان‌بندی هر cpu به صورت جداگانه در نظر گرفته، همچنین توانایی پیوند دادن دستگاه‌های SMP و خوشه‌ها را فراهم می‌کند. دسترسی به RAM به صورت سری است؛ این مورد و انسجام حافظهی نهان باعث می‌شود که عملکرد خاصی برای پردازنده‌های اضافی در سیستم در نظر گرفته شود. سیستم‌ها سیستم‌های سطح ورودی تا پیش از سال ۲۰۰۶، سرورها و پایگاه‌های کاری در سطح ورودی با دو پردازنده در بازار SMP غالب شدهاند. با معرفی پردازنده‌های چندهسته‌ای، SMP در اکثر رایانه‌های لپ‌تاپی و میزی جدید دیده می‌شود. از سال ۲۰۱۶، اکثر سیستم‌های SMP در سطح ورودی پیکربندی مجموعه دستورالعمل x86 را استفاده کرده و براساس پردازنده‌های AMD APU و اینتلکور کار می‌کنند. مزیت‌ها/معایب سیستم‌های SMP اولیه مادربوردهایی همراه با دو سوکت سی‌پی‌یو در نظر می‌گیرد؛ یکی از مادربوردهای ابتکاری اولیه با سوکت‌های چندگانه ABIT BP6 بود. اخیراً، تولیدکنندگان میکروپردازنده ادوات سی‌پی‌یویی با دو پردازنده یا بیشتر را در یک وسیله در نظر گرفتند که برای مثال ایتانیوم، پاور، اولتراSPARC، اوپترون، آتلون، هسته۲ و زئون همگی دارای هسته‌های مختلف بودند. آتلون و هسته۲ چندپردازنده‌هایی هستند که سازگار با سوکت خاص همراه با تنوع تک‌پردازنده‌اند، بنابراین یک مادربورد سوکتی دوگانه بیش از این برای استقرار یک ماشین SMP در سطح ورودی مورد نیاز نیست. این مورد باید اشاره شود که طراحی SMP در سطح ورودی از لحاظ فنی با طرح‌های ccNUMA همراه است، اگرچه آن‌ها می‌توانند به عنوان SMP برای تلفات خاصی در عملکرد طراحی شود. با معرفی ARMهای SoC کورتکس-A9 چندهسته‌ای، چندپردازنده‌های ارزان قیمتی به صورت متقارن در سیستم جاسازی شدند تا در شکل گوشی‌های هوشمند و تبلت‌ها با پردازندهٔ چندهسته‌ای فعالیت کنند. سرورهای در سطح میانی، به کمک چهار تا هشت پردازنده، می‌توانند با زئون اینتل MP، اوپترون AMD 800 و ۸۰۰۰ سری و اولتراSPARC ذکرشده در نظر گرفته شوند. سیستم‌های با انتهای بالا نیز با شصت پردازنده یا بیشتر در نظر گرفته می‌شود که در تمام پردازنده‌های فوق در دسترس هستند. | ## بخش 3: چندپردازشی متقارن | برخی سیستم‌های کوچکتر موجودند، اما بازار اصلی SMP به صورت x86 با فناوری پنتیوم اینتل در سال ۱۹۹۵ در پشتیبانی تا ۲ پردازنده ایجاد شد. پس از آن، پنتیوم ۲ اینتل و پنتیوم ۳ اینتل سیستم‌های با سی پی یوی دوگانه را در نظر گرفتند که برای سلرون‌های متناظر مطرح بود. این مورد به وسیلهٔ زئون پنتیوم اینتل و پردازنده‌های زئون ۳ نیز با بیش از ۴ پردازنده در یک سیستم قابلیت استفاده دارند. در سال ۲۰۰۱، AMD توانست آتلون MP یا سی پی یوی چندپردازنده را همراه با چیپستهای مادربورد 760MP به عنوان پیشنهاد اولیه در بازار پردازنده دوگانه به کار بندد. اگرچه برخی سیستم‌های بزرگتر نیز ساخته شدند، آن‌ها همگی به وسیلهٔ محدودیت آدرس دهی ۶۴ گیگابایتی تحت تأثیر بودند. با معرفی حافظهی ۶۴ بیتی اوپترون AMD-64 در سال ۲۰۰۳ و اینتل ۶۴ در سال ۲۰۰۵، سیستم‌ها توانایی جهت‌دهی میزان بیشتری از حافظه را دارند؛ محدودهی آدرس‌پذیری 16 EiB نیز در آینده نه چندان دور دور از انتظار نیست. سه پردازنده به ماژول حافظه مشابه از طریق یک پایانهٔ سیستمی یا کلید مقطعی متصل شده‌اند. SMP یک سیستم اشتراکی منفرد را به کار می‌بندد که نشاندهندهی یکی از سبکهای اولیهی پیکربندی دستگاه چندپردازنده است و معمولاً برای ساخت رایانه‌های کوچکتر همراه با بیش از ۸ پردازنده در نظر گرفته می‌شود. سیستم‌های رایانه‌ای بزرگ‌تر ممکن است پیکربندیهای جدیدتر را به صورت NUMA در نظر گیرد که بانک حافظهٔ جداگانه‌ای برای پردازنده‌های متفاوت به دست می‌دهد. در یک پیکربندی NUMA، پردازنده‌ها ممکن است با حافظه محلی دسترسی سریع‌تری داشته و حافظه از راه دور کندتر به آن‌ها پاسخ دهد. این مورد تا حد چشمگیری خروجی حافظه را بهبود داده تا داده‌ها برای فرایندهای خاص محلی‌سازی شوند. در سطحی پایینتر، NUMA هزینه جابه‌جایی داده از یک پردازنده به دیگری را می‌دهد، چرا که در تعادل بار کاری، این مورد گران‌تر خواهد شد. مزایای نوما محدود به بارهای کاری خاصی است و در سرورهایی که داده‌ها اغلب با وظایف یا کاربران خاصی در ارتباطند به کار می‌آید. در نهایت، چندپردازنده‌های خوشه‌ای رایانه‌ای وجود دارند که در آن همهٔ حافظه‌ها در دسترس همهٔ پردازنده‌ها نیست. این فناوری شامل یک هستهی پنجم در ادوات شبه‌هسته‌ای است که هستهی همراه نامیده می‌شود و به صورت خاص برای وظایف اجرایی در فرکانس پایینتر طی حالت استندبای، ویدئوی زمینه و موسیقی زمینه شکل گرفتن است. این فناوری نه تنها توان مصرفی موبایل را طی حالت استندبای کاهش نمی‌دهد، بلکه همچنین عملکرد هستهی دیگر را طی کاربرد فعال یا موارد کاری سنگین افزایش می‌دهد. در کل این فناوری نیاز به افزایش در عملکرد عمر باتری را طی کاربرد فعال و استندبای با کاهش مصرف توان در پردازنده‌های موبایلی را می‌رساند. برخلاف پیکربندیهای SMP، هسته همراه با ظاهر OS بدین معناست که سیستم عملیاتی و اجرای برنامه‌ها در مجموع از این هستهی اضافی ناآگاهند اما هنوز توانایی برگرفتن مزایای آن وجود دارد. برخی از مزایای پیکربندی vSMP شامل انسجام حافظه پنهان، کارایی OS، و بهینه‌سازی توان است. مزایای این پیکربندی در زیر توضیح داده شده‌است: انسجام حافظهی پنهان: هیچ پیامدی برای همزمانسازی حافظه‌های پنهان میان هسته‌های در حال فعالیت در فرکانس‌های مختلف دیده نمی‌شود چون vSMP هسته همراه ندارد و هسته‌های اصلی به صورت هم‌زمان فعالیت می‌کنند. کارایی OS: این مورد هنگامی که هسته‌های سی پی یو در فرکانس‌های غیرهمزمان مختلف عمل کنند غیرکارآمد است زیرا منجر به معضلات زمانبندی محتملی خواهد شد. بهینه‌سازی توان: در پیکربندی مبتنی بر ساعت غیرهمزمان‌سازی شده، هر هسته در صفحه توانی مختلف جهت ساماندهی تنظیمات ولتاژ برای فرکانس‌های مختلف عمل می‌کند. | ## جمع‌بندی | فناوری vSMP توانایی این را دارد هسته‌ها را برای کاربرد اصلی و استندبای فعال و غیرفعال کند و مصرف کلی توان را کاهش دهد.