計算機多機系統

多機系統是由兩台以上的電子計算機組成的計算機系統。一般配置在同一地點且不需通信系統來聯接。其中任一台計算機發生故障，不影響整個系統的正常運轉。建立多機系統的目的是為了提高可靠性和運算速度多處理機與多機系統、分佈處理系統和計算機網：多處理機與多機系統是進一步發展並行技術的必由之路，是巨型、大型機主要發展方向。它們是多指令流多數據流(MIMD)系統，各機處理各自的指令流(進程),相互通信，聯合解決大型問題。它們比並行處理機有更高的並行級別，潛力大,靈活性好。用大量廉價微型機,通過互連網絡構成系統，以獲得高性能，是研究多處理機與多機系統的一個方向。多處理機與多機系統要求在更高級別（進程）上研究並行算法，高級程序語言提供併發、同步進程的手段，其操作系統也大為複雜，必須解決多機間多進程的通信、同步、控制等問題。

分佈系統是多機系統的發展，它是由物理上分佈的多個獨立而又相互作用的單機，協同解決用户問題的系統，其系統軟件更為複雜（見分佈計算機系統）。

現代大型機幾乎都是功能分佈的多機系統，除含有高速中央處理器外，有管理輸入輸出的輸入輸出處理機（或前端用户機）、管理遠程終端及網絡通信的通信控制處理機、全系統維護診斷的維護診斷機和從事數據庫管理的數據庫處理機等。這是分佈系統的一種低級形態。

多個地理上分佈的計算機系統，通過通信線路和網絡協議，相互聯絡起來，構成計算機網。它按地理上分佈的遠近，分為局部（本地）計算機網和遠程計算機網。網絡上各計算機可相互共享信息資源和軟硬件資源。訂票系統、情報資料檢索系統都是計算機網應用的實例。

用户使用計算機系統算題的一般流程：

①通過系統操作員建立賬號，取得使用權。賬號既用於識別並保護用户的文件（程序和數據）,也用於系統自動統計用户使用資源的情況(記帳，付款)。

②根據要解決的問題，研究算法，選用合適的語言，編寫源程序，同時提供需處理的數據和有關控制信息。

③把②的結果在脱機的專用設備上放入軟磁盤，建立用户文件（也可在聯機終端上進行，直接在輔助存儲器中建立文件，此時第四步省去）。

④藉助軟盤機把軟盤上用户文件輸入計算機，經加工處理，作為一個作業，登記並存入輔助存儲器。

⑤是要求編譯。操作系統把該作業調入主存儲器,並調用所選語言的編譯程序,進行編譯和連接（含所調用的子程序），產生機器可執行的目標程序，存入輔助存儲器。

⑥要求運算處理。操作系統把目標程序調入主存儲器，由中央處理器運算處理，結果再存入輔助存儲器。

⑦運算結果由操作系統按用户要求的格式送外部設備輸出。

計算機內部工作（④～⑦）是在操作系統控制下的一個複雜過程。通常，一台計算機中有多個用户作業同時輸入，它們由操作系統統一調度，交錯運行。但這種調度對用户是透明的，一般用户無需瞭解其內部細節。用户可用一台終端,交互式的控制③～⑦的進行(分時方式)；也可委託操作員完成③～⑦,其中④～⑦是計算機自動進行的（批處理方式）。批處理方式的自動化程度高，但用户不直觀，無中間干預。分時方式用户直觀控制，可隨時干預糾錯，但自動化程度低。現代計算機系統大多提供兩種方式，由用户選用。

多機系統計算機有三個特性：

多機系統計算機系統的資源元件形成相對獨立的模塊，經互連網絡的相互聯繫構成單一系統。模塊在一定範圍內的增減替換不致於影響系統的整體性。

分散的資源元件可以合作解決一個共同問題，在分佈操作系統的控制下，實現資源重複（按任務）或時間重疊（按功能）等不同形式的並行性。

系統資源的操作是高度自治的，既不存在全系統的主從控制關係，又能利用處理局部化的原則以減少各結點間的數據通信量。

多機系統計算機系統的產生和發展受多種因素的推動。首先是技術方面的因素：大規模集成電路和微處理器為多機系統計算機系統提供了廉價的硬件；數字通信技術和計算機網技術的發展，使數量很大的計算機結點相互連接和高速通信成為可能。此外更為重要的是用户因素。集中式分時計算機系統雖能連接大量遠程和近程終端來滿足地理上分散的多用户使用的需要，但處理功能的過度集中將產生通信開銷大、響應時間長，系統複雜昂貴等問題，因而用户逐漸轉向分佈計算機系統，以謀求更高的技術經濟效益。

多機系統計算機系統成為計算機研究領域中發展迅速的一個新方向，還由於它本身的全面分佈特性使它具有一系列

資源冗餘和自治控制使系統具備動態重構，甚至經受局部破壞也能繼續工作。系統的模塊性有利於維修和使用。

以廉價的模塊作為系統擴展或資源更新的增量，不必象集中系統那樣必須替換整個系統。

系統的配置容易改變，以適應不同應用對象的各種需要。

計算機資源更加靠近用户，特別是使分散的小用户能獲得計算機的快速響應和直接服務，從而把大型機的計算能力與微型機的使用方便二者結合起來。

在對用户透明的基礎上實現軟件、硬件資源的共享，使單個用户的可用資源成倍增加。

按任務分佈的並行處理能力受系統規模的限制較少；而按功能分佈的專用處理部件同樣能增強系統的有效處理能力。

有利於發揮微型計算機的性能價格比優勢。

分佈計算機系統每一個結點上的資源配置能與當地用户的需求很好匹配，因而特別適用於經濟管理、事務管理、過程控制等這樣一些具有分散用户又要求相互協調的應用場合。

主從式(master-slave)操作系統由一台主處理機記錄、控制其它從處理機的狀態，並分配任務給從處理機。例如，Cyber-170就是主從式多處理機操作系統，它駐留在一個外圍處理機Po上運行，其餘所有處理機包括中心處理機都從屬於Po。另一個例子是DECSystem10，有兩台處理機，一台為主，另一台為從。操作系統在主處理機上運行，從處理機的請求通過陷入傳送給主處理機，然後主處理機回答並執行相應的服務操作。主從式操作系統的監控程序及其提供服務的過程不必遷移，因為只有主處理機利用它們。當不可恢復錯誤發生時，系統很容易導致崩潰，此時必須重新啓動主處理機。由於主處理機的責任重大，當它來不及處理進程請求時，其它從屬處理機的利用率就會隨之降低。

主從式操作系統有如下特點：

A.操作系統程序在一台處理機上運行。如果從處理機需要主處理機提供服務，則向主處理機發出請求，主處理機接受請求並提供服務。不一定要求把整個管理程序都編寫成可重入的程序代碼，因為只有一個處理機在使用它，但有些公用例程必須是可重入的才行。

B.由於只有一個處理機訪問執行表，所以不存在管理表格存取衝突和訪問阻塞問題。

C.當主處理機故障時很容易引起整個系統的崩潰。如果主處理機不是固定設計的，管理員可從其他處理機中選一個作為新主處理機並重新啓動系統。

D.任務分配不但容易使部分從處理機閒置而導致系統效率下降。

E.用於工作負載不是太重或由功能相差很大的處理機組成的非對稱系統。

F.系統由一個主處理機加上若干從處理機組成，硬件和軟件結構相對簡單，但靈活行差。

獨立監督式(separatesupervisor)與主從式不同，在這種類型中，每一個處理機均有各自的管理程序(核心)。採用獨立監督式操作系統的多處理機系統有IBM370/158等。

獨立監督式的特點：

A.每個處理機將按自身的需要及分配給它的任務的需要來執行各種管理功能，這就是所謂的獨立性。

B.由於有好幾個處理機在執行管理程序，因此管理程序的代碼必須是可重入的，或者為每個處理機裝入專用的管理程序副本。

C.因為每個處理機都有其專用的管理程序，故訪問公用表格的衝突較少，阻塞情況自然也就較少，系統的效率就高。但衝突仲裁機構仍然是需要的。

D.每個處理相對獨立，因此一台處理機出現故障不會引起整個系統崩潰。但是，要想補救故障造成的損害或重新執行故障機未完成的工作非常困難。

E.每個處理機都有專用的I/O設備和文件等。

F.這類操作系統適合於松耦合多處理機體系，因為每個處理機均有一個局部存儲器用來存放管理程序副本，存儲冗餘太多，利用率不高。

G.獨立監督式操作系統要實現處理機負載平衡更困難。

浮動監督式(floatingsupervisor)每次只有一台處理機作為執行全面管理功能的“主處理機”，但根據需要，“主處理機”是可浮動的，即從一台切換到另一台處理機。這是最複雜、最有效、最靈活的一種多處理機操作系統，常用於對稱多處理機系統(即系統中所有處理機的權限是相同的，有公用主存和I/O子系統)。浮動監督式操作系統適用於緊耦合多處理機體系。採用這種操作系統的多處理機系統有IBM3081上運行的MVS，VM以及C·mmp上運行的Hydra，等等。

浮動監督式的特點：

A.每次只有一台處理機作為執行全面管理功能的“主處理機”，但容許數台處理機同時執行同一個管理服務子程序。因此，多數管理程序代碼必須是可重入的。

B.根據需要，“主處理機”是可浮動的，即從一台切換到另一台處理機。這樣，即使執行管理功能的主處理機故障，系統也能照樣運行下去。

C.一些非專門的操作（如I/O中斷）可送給那些在特定時段內最不忙的處理機去執行，使系統的負載達到較好的平衡。

D.服務請求衝突可通過優先權辦法解決，對共享資源的訪問衝突用互斥方法解決。

E.系統內的處理機採用處理機集合概念進行管理，其中每一台處理機都可用於控制任一台I/O設備和訪問任一存儲塊。這種管理方式對處理機是透明的，並且有很高的可靠性和相當大的靈活行

在變電站中，對其各種參數的實時檢測十分重要，工作量也非常大，以往採用人工記錄方式，常常出現錯記、漏記等問題，而對於邊遠地區的變電站更是無法實現其各種參數的實時檢測.隨着計算機通訊技術的不斷髮展，解決以上問題成為可能，變電站檢測系統己在實際應用中，該系統中實現了單片機之間、單片機與計算機近程、及變電站中無人值守的自動遠程通訊 ^[1]  。

該系統共由三級構成:前沿機，由AT89c2051單片機組成，主要完成電度表值、電壓、電流的實時採集，每個電能計量單元需要一台前沿機;管理機，由8031單片機組成，主要是對最多255台的前沿機進行管理，包括對前沿機採集到的各種數據進行收集，並可通過管理機上的鍵盤對前沿機置入脈衝電度表的分頻係數，觀察採集的數據、修改日期、時間等，同時向上位機發送採集到的變電站數據和接收上位機下發的校時的數據;上位機，其主要完成報表的顯示彙總、打印、記錄、查詢、對管理機進行遠端控制，在本地區域網發送數據 ^[1]  。

前沿機與管理機放於變電站中，它們都安裝在控制櫃中以儀表盤的方式固定，每組控制屏需要一台管理機，每台管理機可檢測255台前沿機，管理機為本級的主機，而前沿機為從機.在多機系統中，要保證主機與從機之間通訊的可靠性，必須保證通訊接口具有識別能力，而在8031中串行控制寄存器SCON中的控制位SM2就是為滿足這一要求而設置的，當串行口以方式2(方式3)工作時，發送和接收的每一幀信息都是11位，其中第9數據位是可編程位，通過對SCON的TBS賦予l或0，以區別發送的是地址幀還是數據幀，若從機的控制位SM2=1，則當接收的是地址幀時，數據裝入SBUF，並置R1=1向CPU發出中斷請求;若接收的是數據幀時，則不產生中斷標誌，信息將拋棄.若SMZ=0，則無論是地址幀還是數據幀都產生R1=l中斷標誌，數據裝入SBUF.根據這些要求，主機和從機的通訊過程為:使所有從機的SM2位置1，處於只接收地址幀的狀態，主機發送一幀地址信息，其中包含8位地址，第9位為l，以表示發送的是地址，從機收到地址幀後，各自將接收到的地址與其本身地址相比較，被尋址的從機，清除其SM2，未被尋址的其它從機仍維持SM2=l不變，主機發送數據或控制信息(第9位為0).對於己被尋址的從機，因SMZ=0，故可以接收主機發送過來的信息.而對於其它從機，因SMZ維持為l，對主機發來的數據幀將不予理睬，直至發來新的地址幀.當主機改為與另外從機聯繫時，可再發出地址幀尋址其從機，而先前被尋址過的從機在分析出主機是對其它從機尋址時，恢復其SM2=l，對隨後主機發來的數據幀不加理睬 ^[1]  。