计算机组成与系统结构b ch

1、第九章并行组织与结构第九章并行组织与结构返回精选ppt第九章第九章 并行组织与结构并行组织与结构9.1 体系结构中的并行性9.2 多线程与超线程处理机9.3 多处理机9.4 多核处理机9.5 多核处理机实例精选ppt9.1 体系结构中的并行性体系结构中的并行性9.1.1 摩尔定律与处理机性能9.1.2 并行性的概念9.1.3 提高并行性的技术途径9.1.4 单处理机系统中并行性9.1.5 多处理机系统中并行性9.1.6 并行处理机的体系结构类型9.1.7 并行处理机的组织和结构精选ppt9.1.1 摩尔定律与处理机性能摩尔定律与处理机性能 时至今日，集成电路的集成度还在按照摩尔定律的速度时至今日，集成电路的集成度还在按照摩尔定律的速度增长，但是计算机系统性能的增长遇到了物理规律的限制。增长，但是计算机系统性能的增长遇到了物理规律的限制。功耗墙功耗墙芯片内部互联线的延迟芯片内部互联线的延迟存储墙存储墙设计复杂度设计复杂度 计算机系统硬件设计者不得不放弃简单地提高处理机主计算机系统硬件设计者不得不放弃简单地提高处理机主频的传统方法，转向尽可能多地实现并行处理。频的传统方法，转向尽可能多地实

2、现并行处理。精选ppt9.1.2 并行性的概念并行性的概念 所谓并行性，是指计算机系统具有可以同时进行运算或所谓并行性，是指计算机系统具有可以同时进行运算或操作的特性，它包括同时性与并发性两种含义。操作的特性，它包括同时性与并发性两种含义。同时性同时性两个或两个以上的事件在同一时刻发生。两个或两个以上的事件在同一时刻发生。并发性并发性两个或两个以上的事件在同一时间间隔发生。两个或两个以上的事件在同一时间间隔发生。精选ppt9.1.2 并行性的概念并行性的概念 并行性等级并行性等级从处理数据的角度分从处理数据的角度分计算机系统中的并行性有不同的等级。计算机系统中的并行性有不同的等级。从处理数据的角度看，并行性等级从低到高可分为：从处理数据的角度看，并行性等级从低到高可分为：字串位串字串位串 同时只对一个字的一位进行处理。这是最基同时只对一个字的一位进行处理。这是最基本的串行处理方式，不存在并行性。本的串行处理方式，不存在并行性。字串位并字串位并 同时对一个字的全部位进行处理，不同字之同时对一个字的全部位进行处理，不同字之间是串行的。这里已开始出现并行性。间是串行的。这里已开始出现并行性。

3、字并位串字并位串 同时对许多字的同一位进行处理。这种方式同时对许多字的同一位进行处理。这种方式有较高的并行性。有较高的并行性。全并行全并行 同时对许多字的全部位进行处理。这是最高一同时对许多字的全部位进行处理。这是最高一级的并行。级的并行。精选ppt9.1.2 并行性的概念并行性的概念 并行性等级并行性等级从执行程序的角度分从执行程序的角度分指令内部并行指令内部并行 一条指令执行时各微操作之间一条指令执行时各微操作之间的并行。的并行。指令级并行指令级并行 并行执行两条或多条指令。并行执行两条或多条指令。任务级或过程级并行任务级或过程级并行 并行执行两个以上过程并行执行两个以上过程或任务程序段。或任务程序段。作业或程序级并行作业或程序级并行 并行执行两个以上作业或并行执行两个以上作业或程序。程序。精选ppt9.1.3 提高并行性的技术途径提高并行性的技术途径 时间重叠时间重叠即时间并行即时间并行 多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠地多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个局部。使用同一套硬件设备的各个局部。资源重复资源重复即空间并行即空间并行通过重复设置硬件资

4、源，大幅度提高计算机系通过重复设置硬件资源，大幅度提高计算机系统的性能。统的性能。时间重叠时间重叠 资源重复资源重复主流技术主流技术资源共享资源共享用软件方法实现多个任务按一定时间顺序轮流用软件方法实现多个任务按一定时间顺序轮流使用同一套硬件设备。使用同一套硬件设备。精选ppt9.1.4 单处理机系统中并行性单处理机系统中并行性 在开展高性能单处理机过程中，起着主导作用的是时在开展高性能单处理机过程中，起着主导作用的是时间并行流水线技术间并行流水线技术空间并行技术的运用也已经十分普遍空间并行技术的运用也已经十分普遍资源共享的概念即所谓虚拟机的概念资源共享的概念即所谓虚拟机的概念单处理机并行性开展的代表作有：单处理机并行性开展的代表作有：奔腾系列机奔腾系列机安腾系列机安腾系列机精选ppt9.1.5 多处理机系统中并行性多处理机系统中并行性 耦合度耦合度反映多处理机系统各机器之间物理连接的紧反映多处理机系统各机器之间物理连接的紧密程度与交互作用能力的强弱。密程度与交互作用能力的强弱。多处理机系统分为：多处理机系统分为：紧耦合系统又称直接耦合系统紧耦合系统又称直接耦合系统处理机之间物理连接具

5、有相对较高的信息传处理机之间物理连接具有相对较高的信息传输率输率松耦合系统又称间接耦合系统松耦合系统又称间接耦合系统精选ppt9.1.5 多处理机系统中并行性多处理机系统中并行性 技术路线技术路线异构型多处理机系统异构型多处理机系统许多主要功能交由专用处理机完成许多主要功能交由专用处理机完成同构型多处理机系统同构型多处理机系统为了使并行处理的任务能在处理机之间随机为了使并行处理的任务能在处理机之间随机地进行调度，就必须使各处理机具有同等的功能地进行调度，就必须使各处理机具有同等的功能精选ppt9.1.5 多处理机系统中并行性多处理机系统中并行性开展状况开展状况20世纪世纪70年代以来，各类并行计算机年代以来，各类并行计算机系系统问世统问世20世纪世纪80年代，我国研制了向量处理年代，我国研制了向量处理机机YH-1/2和和757CAI表表9.1 20世纪世纪90年代以来我国自行研制的几种并行机年代以来我国自行研制的几种并行机精选ppt9.1.5 多处理机系统中并行性多处理机系统中并行性20212021年年1111月全球超级计算机月全球超级计算机TOP500TOP500第一名：天河一号，中

6、国国防科技大学第一名：天河一号，中国国防科技大学第二名：美洲虎，美国第二名：美洲虎，美国CrayCray公司公司第三名：星云，中国曙光公司第三名：星云，中国曙光公司第七名：走鹃，美国第七名：走鹃，美国IBMIBM公司公司精选ppt9.1.6 并行处理机的体系结构类型并行处理机的体系结构类型指令流和数据流的不同组织方式：指令流和数据流的不同组织方式：单指令流单数据流单指令流单数据流(SISD)代表机型是单处理机。代表机型是单处理机。单指令流多数据流单指令流多数据流(SIMD)代表机型是向量处理机。代表机型是向量处理机。多指令流单数据流多指令流单数据流(MISD)这种结构从未实现过。这种结构从未实现过。多指令流多数据流多指令流多数据流(MIMD)代表机型是多处理机和机群代表机型是多处理机和机群系统。前者为紧耦合系统，后者为松耦合系统。系统。前者为紧耦合系统，后者为松耦合系统。精选ppt9.1.6 并行处理机的体系结构类型并行处理机的体系结构类型图图a表示一个表示一个SISD的结构的结构图图b表示表示SIMD的结构的结构图图c和图和图d表示表示MIMD的结构，两者均有多个控制单元的结构，两者

7、均有多个控制单元CU1CUnCAI图9.1 并行多处理机体系结构图9.2 并行处理机的组成CAI精选ppt9.1.7 并行处理机的组织和结构并行处理机的组织和结构计算机系统可以在不同的层次引入并行机制。计算机系统可以在不同的层次引入并行机制。超标量处理机和超长指令字处理机：多发射、超标量、超超标量处理机和超长指令字处理机：多发射、超标量、超长指令字长指令字多处理机和多计算机：多处理机、多计算机、机群多处理机和多计算机：多处理机、多计算机、机群多线程处理机多线程处理机多核处理机片上多处理机多核处理机片上多处理机精选ppt9.1.7 并行处理机的组织和结构并行处理机的组织和结构图图9.3 多处理并行处理机结构多处理并行处理机结构精选ppt9.2 多线程与超线程处理机多线程与超线程处理机9.2.1 指令级并行与线程级并行9.2.2 同时多线程结构9.2.3 超线程处理机结构精选ppt9.2.1 指令级并行与线程级并行指令级并行与线程级并行2002年秋，英特尔公司推出一款采用超线程年秋，英特尔公司推出一款采用超线程Hyper Threading,HT技术的技术的Pentium 4处理机，原有的

8、单个物处理机，原有的单个物理内核经过简单扩展后被模拟成两个逻辑内核理内核经过简单扩展后被模拟成两个逻辑内核垂直浪费垂直浪费 如：资源冲突会导致不能继续执行新指令如：资源冲突会导致不能继续执行新指令水平浪费水平浪费 如：指令相关导致多条流水线中局部流水线被闲置如：指令相关导致多条流水线中局部流水线被闲置CAI图图9.4 超标量处理机的水平浪费和垂直浪费超标量处理机的水平浪费和垂直浪费精选ppt9.2.1 指令级并行与线程级并行指令级并行与线程级并行多线程处理机多线程处理机在处理机设计中引入硬件线程的概念在处理机设计中引入硬件线程的概念并行的概念就从指令级并行扩展至线程级并行并行的概念就从指令级并行扩展至线程级并行多线程处理机的具体的实现方法又可分为：多线程处理机的具体的实现方法又可分为：细粒度多线程交错多线程处理机细粒度多线程交错多线程处理机粗粒度多线程阻塞多线程处理机粗粒度多线程阻塞多线程处理机CAI图图9.5 多线程处理机的指令执行实例多线程处理机的指令执行实例精选ppt9.2.2 同时多线程结构同时多线程结构同时多线程同时多线程Simultaneous Multithreading

9、,SMT结合了超标量技术和细粒度多线程技术的优点结合了超标量技术和细粒度多线程技术的优点CAI图图9.6 同时多线程处理机的指令执行实例同时多线程处理机的指令执行实例精选ppt9.2.3 超线程处理机结构超线程处理机结构 为了支持两个硬件线程同时运行，让每级流水线中的资为了支持两个硬件线程同时运行，让每级流水线中的资源通过三种方式之一复用于两个线程：源通过三种方式之一复用于两个线程：复制复制、分区分区或或共享共享。CAI图图9.7 支持超线程技术的支持超线程技术的NetBurst微体系结构的流水线结构微体系结构的流水线结构精选ppt9.3 多处理机多处理机9.3.1 多处理机系统的分类9.3.2 SMP的根本概念9.3.3 SMP的结构精选ppt9.3.1 多处理机系统的分类多处理机系统的分类 多处理机系统由多个独立的处理机组成，每个处理机能多处理机系统由多个独立的处理机组成，每个处理机能够独立执行自己的程序够独立执行自己的程序并行向量处理机并行向量处理机PVP对称多处理机对称多处理机SMP大规模并行处理机大规模并行处理机MPP分布共享存储器多处理机分布共享存储器多处理机DSMCAI图

10、图9.8 多处理机四种类型多处理机四种类型精选ppt9.3.2 SMP的根本概念的根本概念SMP定义为具有如下特征的独立计算机系统：定义为具有如下特征的独立计算机系统：(1)有两个以上功能相似的处理机。有两个以上功能相似的处理机。(2)这些处理机共享同一主存和这些处理机共享同一主存和I/O设施，以总线设施，以总线或其他内部连接机制互连在一起；这样，存储器或其他内部连接机制互连在一起；这样，存储器存取时间对每个处理机都是大致相同的。存取时间对每个处理机都是大致相同的。(3)所有处理机共享对所有处理机共享对I/O设备的访问，或通过设备的访问，或通过一通道，或通过提供到同一设备路径的不同通道。一通道，或通过提供到同一设备路径的不同通道。(4)所有处理机能完成同样的功能。所有处理机能完成同样的功能。(5)系统被一个集中式操作系统系统被一个集中式操作系统OS控制。控制。精选ppt9.3.3 SMP的结构的结构 SMP的一般结构的一般结构 为便利来自为便利来自I/O处理器的处理器的DMA传送，应提供如下特征传送，应提供如下特征(1)寻址寻址(2)仲裁仲裁(3)分时共享分时共享一般来说，工作站和个人

《计算机组成与系统结构b ch》由会员资****亨分享，可在线阅读，更多相关《计算机组成与系统结构b ch》请在金锄头文库上搜索。