计算机体系结构金星第一章体系结构基本概念之二.ppt

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1、l1.5系统结构中的并行性及其发展1 并行性的定义并行性的定义l并行性的开发是提高系统结构性能的主要手段之一并行性的开发是提高系统结构性能的主要手段之一l并行性的定义：并行性的定义：解题中具有可以同时进行运算或操作的特性，称解题中具有可以同时进行运算或操作的特性，称为并行性。为并行性。l并行性的分类：并行性的分类：同时性：两个或多个事件在同一时刻发生；同时性：两个或多个事件在同一时刻发生；并发性：两个或多个事件在同一时间间隔内发生。并发性：两个或多个事件在同一时间间隔内发生。2 按照不同的角度与标准可以分为不同的等级按照不同的角度与标准可以分为不同的等级(1)(1)从执行程序的角度看从执行程序

2、的角度看 l l指令内部并行：指令内部的微操作之间的指令内部并行：指令内部的微操作之间的并行。并行。l l指令级并行：并行执行两条或多条指令。指令级并行：并行执行两条或多条指令。l l任务级或过程级并行：并行执行两个或多任务级或过程级并行：并行执行两个或多个过程或任务个过程或任务(程序段程序段)。l l作业或程序级并行：在多个作业或程序间作业或程序级并行：在多个作业或程序间的并行。的并行。l字串位串字串位串WSBS(word serial and bit serial)每次只能处理一个字的一位，第一代计算机发展初期的纯每次只能处理一个字的一位，第一代计算机发展初期的纯串行计算机串行计算机。l字

3、串位并字串位并WSBP(word serial and bit parallel)每次处理一个字的每次处理一个字的n位，如位，如STARAN,MPP,DAP等传统的位等传统的位并行单处理机属于这种结构。并行单处理机属于这种结构。l字并位串字并位串WPBS(word parallel and bit serial)一次处理一次处理m个字中的一位，这是传统并行单处理个字中的一位，这是传统并行单处理机机 。l字并位并字并位并WPBP(word parallel and bit parallel)全并行方式，每次处理全并行方式，每次处理m个字的个字的n位，大多数阵列处理位，大多数阵列处理机和多处理机都

4、是这种结构，例如，机和多处理机都是这种结构，例如，PEPE,ILLIAC4,Cmmp。主要缺点：仅考虑了数据的并行性，没有考虑指令、任务、主要缺点：仅考虑了数据的并行性，没有考虑指令、任务、作业的并行作业的并行。(3)从信息加工的各阶段的并行性来看，可分从信息加工的各阶段的并行性来看，可分为为l存储器操作并行；存储器操作并行；l处理器操作步骤并行；处理器操作步骤并行；l处理器操作并行；处理器操作并行；l指令、任务、作业并行指令、任务、作业并行（1）时间重叠：）时间重叠：多个处理过程在时多个处理过程在时间上错开，轮流重叠间上错开，轮流重叠的使用同一套硬件的使用同一套硬件的各部分。的各部分。取 指

5、取 指分 析分 析执 行执 行功 能 部 件功 能 部 件ttt3t输入输出输入输出t2t 3tkk+14t5t 6tt处 理kkkk+1k+1k+1k+2k+2k+2t取指分析执行t2t3t4t5t（2）资源重复：）资源重复：重复设置硬件资源重复设置硬件资源提高可靠性与性能。提高可靠性与性能。（3）资源共享：）资源共享：利用软件的方法让利用软件的方法让多个用户按照一定多个用户按照一定的时间顺序轮流使的时间顺序轮流使用同一套资源，提用同一套资源，提高资源利用率。高资源利用率。CUPE1PEnPE0.用户1用户2用户1.资 源二、并行处理系统的结构二、并行处理系统的结构1 并行处理系统的分类并行

6、处理系统的分类l流水线计算机流水线计算机 通过时间重叠让多个部件在时间上交错重叠地并行执通过时间重叠让多个部件在时间上交错重叠地并行执行运算和处理。行运算和处理。l阵列处理机阵列处理机 大量的设置算逻运算单元，在同一控制部件的作用下大量的设置算逻运算单元，在同一控制部件的作用下同时运算和处理。同时运算和处理。l多处理机系统多处理机系统 共享输入共享输入/输出子系统、数据库资源、或主存的一组处输出子系统、数据库资源、或主存的一组处理机，在操作系统的统一控制下，实现异步并行。理机，在操作系统的统一控制下，实现异步并行。l数据流计算机数据流计算机 由数据驱动程序执行。由数据驱动程序执行。2多机系统的

7、耦合度各计算机之间的联系紧密程度。各计算机之间的联系紧密程度。l l 最低耦合：除通过某种中间存储介质之外，各最低耦合：除通过某种中间存储介质之外，各计算机之间没有物理连接，也没共享的联机硬计算机之间没有物理连接，也没共享的联机硬件资源。件资源。l l 松散耦合：通过通道或通信线路实现机间互连，松散耦合：通过通道或通信线路实现机间互连，共享某些外围设备，这些计算机或者是功能专共享某些外围设备，这些计算机或者是功能专用化，或者是为了资源共享。用化，或者是为了资源共享。l l 紧密耦合系统：机间物理连接的频带较高，通紧密耦合系统：机间物理连接的频带较高，通过总线或高速开关实现互连，可以共享主存，过

8、总线或高速开关实现互连，可以共享主存，具有较高的数据传输率。具有较高的数据传输率。l1966年年M.J.Flynn提出提出 lFlynn分类法分类法:根据指令流和数据流的多倍性对计算根据指令流和数据流的多倍性对计算机系统结构进行分类，机系统结构进行分类，l基本思想基本思想:是计算机工作过程是指令流的执行和数据是计算机工作过程是指令流的执行和数据流的处理。流的处理。Flynn分类法分类法 单指令流单数据流单指令流单数据流SISD;单指令流多数据流单指令流多数据流SIMD;多指令流单数据流多指令流单数据流MISD;多指令流多数据流多指令流多数据流MIMD;lSISD:Single Instruct

9、ion Stream Single Data StreamFlynnFlynn分类分类SISDSISDPUMMCUCSDSISl典型的典型的SISD机器：传统的顺序计算机机器：传统的顺序计算机lSISD机器结构：机器结构：CU：控制部件：控制部件 IS：指令流：指令流PU：处理部件：处理部件 DS：数据流：数据流MU：存储部件：存储部件典型结构：冯典型结构：冯诺依曼结构诺依曼结构-传统的顺序计传统的顺序计算机算机输入设备输入设备 运算器运算器输出设备输出设备 主存主存 控制器控制器FlynnFlynn分类分类 SIMD SIMDSIMD:Single Instruction Stream Mu

10、ltiple Data StreamCUPE1PE2PEn.MM1MM2MMm.DS1DS2DSnCSISl超级计算机，单控制器、多处理单元和多对数据进超级计算机，单控制器、多处理单元和多对数据进行处理，重复计算增加可靠性行处理，重复计算增加可靠性 PE：处理单元：处理单元 MM：本地存储器（分布存储器）：本地存储器（分布存储器）FlynnFlynn分类分类 MISD MISDlMultiple Instruction Stream Single Data StreamPE1PE2PEn.CU1CU2CUn.DSMM1MM2MMm.ISnIS2.IS1CS1CS2CSn多个处理器，对同一数据流

11、进行处理多个处理器，对同一数据流进行处理用于图像处理用于图像处理Flynn分类 MIMD说明：说明：IS指令流指令流 DS数据流数据流 CS控制流控制流 CU控制部件控制部件 PE处理部件处理部件 MM存储器模块存储器模块FlynnFlynn分类法的缺点分类法的缺点(1)(1)分类太粗分类太粗 例如：在例如：在SIMDSIMD中包括有多种处理机；中包括有多种处理机；对流水线处理机的划分不明确，标量流水对流水线处理机的划分不明确，标量流水 线为线为SISDSISD，向量流水线为，向量流水线为SIMDSIMD（2 2）根本问题是把两个不同等级的功能并列对待，）根本问题是把两个不同等级的功能并列对待

12、，通常，数据流受指令流控制，从而造成通常，数据流受指令流控制，从而造成MISDMISD不不存在存在。（3)3)非冯计算机的分类？其它新型计算机的分类？非冯计算机的分类？其它新型计算机的分类？l四种结构：四种结构：单指令流单执行流单指令流单执行流SISE：典型的单处理机：典型的单处理机 单指令流多执行流单指令流多执行流SIME：带多操作部件的处理机：带多操作部件的处理机 多指令流单执行流多指令流单执行流MISE：带指令级多道程序的：带指令级多道程序的 单处理机单处理机 多指令流多执行流多指令流多执行流MIME：多处理：多处理总控制器总控制器指令流执行流1978年，美国年，美国David J.Ku

13、ck提出与提出与Flynn相似的方法：用相似的方法：用指令流、执行流、多倍性来描述指令流、执行流、多倍性来描述l有些系统，如分布处理机等，没有总控制器；有些系统，如分布处理机等，没有总控制器；l分类级别太低，没有处理机级和机器级分类级别太低，没有处理机级和机器级 ；l分类太粗，如分类太粗，如SIMESIME中包含了多种类型的处理机；中包含了多种类型的处理机；冯氏分类法冯氏分类法（1972年，美籍华人冯泽云教授提出）年，美籍华人冯泽云教授提出）n:一个字中同时处理二进制的位数；一个字中同时处理二进制的位数；m:一个位片或功能部件中能同时处理的字数。一个位片或功能部件中能同时处理的字数。按并行度分

14、类法3-冯泽云分类法（2）l（1）字串位串字串位串WSBS(word serial and bit serial)每次只能处理一个字的一位，第一代计算机发展初期的纯每次只能处理一个字的一位，第一代计算机发展初期的纯串行计算机串行计算机。l（2）字串位并）字串位并WSBP(word serial and bit parallel)每次处理一个字的每次处理一个字的n位，如位，如STARAN,MPP,DAP等传统的位等传统的位并行单处理机属于这种结构。并行单处理机属于这种结构。冯泽云分类法（冯泽云分类法（3 3）l字并位串字并位串WPBS(word parallel and bit serial)一

15、次处理一次处理m个字中的一位，这是传统并行单处理个字中的一位，这是传统并行单处理机机 。按并行度分类法3-冯泽云分类法（4）l字并位并字并位并WPBP(word parallel and bit parallel)全并行方式，每次处理全并行方式，每次处理m个字的个字的n位，大多数阵列处理位，大多数阵列处理机和多处理机都是这种结构，例如，机和多处理机都是这种结构，例如，PEPE,ILLIAC4,Cmmp。主要缺点：仅考虑了数据的并行性，没有考虑指令、任务、作业的并行。lHandle 在在1977根据并行度和流水线分类，根据并行度和流水线分类，计算机的计算机的硬件结构分成三个层次，并分别考虑它们的

16、可并行性硬件结构分成三个层次，并分别考虑它们的可并行性和流水处理程度。和流水处理程度。程序级程序级k k：程序控制部件程序控制部件(PCU)的个数的个数 k;操作级操作级d d：算术逻辑器件算术逻辑器件(ALU)或处理部件或处理部件(PE)的个数的个数 d;逻辑级逻辑级w w：每个算术逻辑部件包含的基本逻辑线路每个算术逻辑部件包含的基本逻辑线路(ELC)的的 套数套数 w;一个计算机系统的结构可用如下公式表示：一个计算机系统的结构可用如下公式表示：t(系统型号系统型号)（k,d,w）例如：例如：t(PDP11)=(1,1,16)t(ILLIAC4)=(1,64,64)t(STARAN)=(1,8194,1)t(Cmmp)=(16,1,16)你来设计：哪种结构更好？l假设：条件分支功能两种设计方法1.CPU A：一个比较指令+一个分支指令2.CPU B：一个较复杂的分支指令相同点：分支指令CPI均为2，其他指令CPI为1，且对CPU A而言，分支指令的使用频率为20%。l计算两者的平均CPI。如果CPU B的时钟周期为前者的1.25倍，哪种设计更合算？假如你是阿姆达尔l计算机系统有3个部