计算机组成与系统结构(第8章)ppt课件.ppt
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1、计算机组成与系统结构 上海交通大学 网络教育学院陈泽宇 博士 副教授2023/4/271网络教育学院为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益第1章 计算机系统概论第2章 运算方法和运算器第3章 存储系统第4章 指令系统第5章 中央处理器(CPU)第6章 总线系统第7章 输入输出(I/O)系统第8章 并行计算机系统2023/4/272网络教育学院为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益第8章 并行计算机系统8.1 并行性的概念8.2 向量处理机8
2、.3 阵列处理机8.4 多处理机系统8.5 机群系统8.6 网格计算2023/4/273网络教育学院为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益计算机系统性能和容量的快速增长,除了归功于底层VLSI技术的发展之外,另一个重要因素在于计算机体系结构的不断改进,而并行性则是其中的一个主要方面2023/4/274网络教育学院为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益8.1 并行性的概念8.1.1 并行性分类8.1.2 提高并行性的技术途径8.1.3 并行性
3、的发展8.1.4 并行计算机体系结构分类2023/4/275网络教育学院为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益所谓并行性,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同时性(Simultaneity)是指两个或两个以上的事件在同一时刻发生并发性(Concurrency)是指两个或两个以上的事件在同一时间间隔内发生所谓并行计算(Parallel Computing)是指通过网络相互连接的两个以上的处理机相互协调工作,同时计算同一个任务的不同部分从而提高问题求解速度,或者求解单机无法解决的大
4、规模问题2023/4/276网络教育学院为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益并行计算的目的提高速度对于一个固定规模的问题,采用并行计算技术可以使求解时间更少现在的微型机也开始借助于流水线技术、多核技术等并行计算技术来提高系统的速度扩大问题求解规模由于器件本身的限制,任何单处理器的速度不能超过某个上限要突破这个上限,必须采用并行计算技术2023/4/277网络教育学院为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益并行计算的应用领域主要包括:科学和工
5、程计算商业计算2023/4/278网络教育学院为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益科学和工程计算在计算领域,计算机被用来模拟那些要么不可能、要么需花费很大代价才能观测到的物理现象并行体系结构已经成为科学计算的中流砥柱物理、化学、材料科学、生物学、天文学、地球物理等科学领域的研究都离不开并行计算对物理现象建模的工具也被应用到工程应用中如石油(油藏模拟)、汽车(碰撞模拟、牵引分析、燃料效益)、航空(气流分析、引擎效率、结构力学、电磁学)、制药学(分子建模)等2023/4/279网络教育学院为了规范事业单位聘用关系,建立
6、和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益商业计算商业计算在高端领域也要借助于并行体系结构早在20世纪60年代中期,多处理器就在商业计算的高端市场上崭露头角在这个领域,计算机系统的速度和容量直接反映了系统能够支持的商业规模2023/4/2710网络教育学院为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益8.1.1 并行性分类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:字串位串同时只对一个字的一位进行处理这是最基本的串处理方式,不存在并行性字串位并同时
7、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2023/4/2711网络教育学院为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益字并位串同时对许多字的一位进行处理这种方式有较高的并行性全并行同时对许多字的全部位进行处理这是最高一级的并行性2023/4/2712网络教育学院为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益从执行程序的角度看,并行性等级从低到高可分为:指令内部并行一条指令执行时各微操作之间并行。指令级并行并行执行两条或多条指令任务
8、级或过程级并行并行执行两个以上过程或任务(程序段)作业或程序级并行并行执行两个以上作业或程序2023/4/2713网络教育学院为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益并行处理着重挖掘计算过程中的并行事件,使并行性达到较高的级别并行处理是体系结构、硬件、软件、算法、语言等多方面综合研究的领域2023/4/2714网络教育学院为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益8.1.2 提高并行性的技术途径计算机系统中提高并行性的措施多种多样,就其基本思想而
9、言,可归纳成如下四条途径:1时间重叠2资源重复3资源重复+时间重叠4资源共享2023/4/2715网络教育学院为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益1时间重叠即时间并行在并行性概念中引入时间因素,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部分,以加快硬件周转时间而赢得速度2023/4/2716网络教育学院为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益2资源重复即空间并行在并行性概念中引入空间因素,采用以数量取胜的原则,通过重复
10、设置硬件资源,大幅度提高计算机系统的性能随着硬件价格的降低,这种方式在单处理机中广泛应用,而多处理机本身就是实施资源重复原理的结果2023/4/2717网络教育学院为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益3资源重复+时间重叠在计算机系统中同时运用空间并行和时间并行技术这种方式在计算机系统中应用广泛,成为主流的并行技术2023/4/2718网络教育学院为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益4资源共享这是一种软件方法,它使多个任务按一定时间顺序轮
11、流使用同一套硬件设备例如多道程序、分时系统就是遵循资源共享原理而产生的资源共享既降低了成本,又提高了计算机设备的利用率2023/4/2719网络教育学院为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益8.1.3 并行性的发展1单机系统并行性发展2多机系统并行性发展2023/4/2720网络教育学院为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益1单机系统并行性发展在发展高性能单处理机过程中,起着主导作用的是时间并行技术实现时间并行的物质基础是部件功能专用化把一
12、件工作按功能分割为若干个相互联系的部分,把每一部分指定给专门的部件完成然后按时间重叠原理把各部分执行过程在时间上重叠起来,使所有部件依次分工完成一组同样的工作2023/4/2721网络教育学院为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益在单处理机中,空间并行技术的运用也已经十分普遍多体交叉存储器和多操作部件都是空间并行技术成功应用的结构形式在多操作部件处理机中,通用部件被分解成若干个专用的操作部件如加法部件、乘法部件、除法部件、逻辑运算部件等一条指令所需的操作部件只要空闲,就可以开始执行这条指令这是指令级并行2023/4/
13、2722网络教育学院为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益在单处理机中,资源共享概念的实质就是用单处理机模拟多处理机的功能,形成所谓的“虚拟机(Virtual Machine,VM)”的概念例如在分时系统中,在多终端情况下,每个终端上的用户都感觉自己好像独立拥有一台处理机一样2023/4/2723网络教育学院为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益2多机系统并行性发展多机系统也遵循时间重叠、资源重复、资源共享原理,向三种不同的多处理机方向发展
14、,但在采取的技术措施上与单处理机系统有些差别为了反映多机系统各机器之间物理连接的紧密程度及交互能力的强弱,我们引入“耦合度”这个术语按照耦合度的不同,可将多机系统分为紧耦合系统和松耦合系统两大类紧耦合系统又称直接耦合系统指计算机间物理连接的频带较高,一般通过总线或高速开关实现计算机间的互连,可以共享主存由于具有较高的信息传输率,因而可以快速并行处理作业或任务2023/4/2724网络教育学院为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益松耦合系统又称间接耦合系统一般通过通道或通信线路实现计算机间的互连,可以共享外存设备(磁盘
15、、磁带等)机器之间的相互作用是在文件或数据集一级上进行的松耦合系统表现为两种形式:一种是多台计算机和共享外存设备连接不同机器之间实现功能上的分工(功能专用化)机器处理的结果以文件或数据集的形式送到共享外存设备,供其他机器继续处理另一种是计算机网络通过通信线路连接,以求得更大范围的资源共享2023/4/2725网络教育学院为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益多处理机中为了实现时间重叠,将处理机功能分散给各台专用处理机去完成,即功能专用化,各处理机之间则按时间重叠原理工作机器间的耦合程度逐渐加强,从而发展成为异构型多处
16、理机系统通过设置多台相同类型的计算机而构成的容错系统,可使系统工作的可靠性在处理机一级得到提高随着硬件价格的降低,人们追求的目标是通过多处理机的并行处理来提高整个系统的速度,因此对计算机间互连网络的性能提出了更高的要求高带宽、低延迟、低开销的机间互连网络,是高效实现任务级并行处理的前提条件为了使并行处理的任务能够在处理机间随机地进行调度,就必须使各处理机具有同等的功能,从而成为同构型多处理机系统2023/4/2726网络教育学院为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益8.1.4 并行计算机体系结构分类根据指令流和数据流
17、的不同,通常把计算机系统分为四类:单指令流单数据流SISD、单指令流多数据流SIMD、多指令流单数据流MISD、多指令流多数据流MIMD并行计算机系统除了少量早期、专用的SIMD系统之外,绝大部分为MIMD系统MIMD型并行计算机采用的技术包括共享地址空间(Shared Address Space)和非连接地址空间(Disjoint Address Space)两种2023/4/2727网络教育学院为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益8.2 向量处理机8.2.1 向量处理的基本概念 8.2.2 向量处理机的结构20
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