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1、1,第八章 并行处理机(SIMD),8.1 并行处理机模型 8.2 并行处理机结构 8.3 并行处理机实例 8.4 并行处理机算法举例,2,8.1 并行处理机模型,两种并行性概念： 同时性并行Simultaneituy:两个或两个以上事件在同一时刻发生。 并发性并行Concurrency：两个或两个以上事件在同一时间间隔内发生。 三条技术途径： (1)资源重复：重复设置多个部件来提高速度。 (2)时间重叠：流水线 (3)资源共享：分时系统，分布式系统。,3,1、并行处理机的定义： 多个处理部件PU按照一定方式互连，在同一个控制部件CU控制下，对各自的数据完成同一条指令规定的操作。从CU看，指令
2、是串行执行的，从PU看，数据是平行处理的。 并行处理机也称为阵列处理机，按照佛林分类法，它属于SIMD处理机。 2、并行处理机的主要应用领域； 用于高速向量、矩阵等运算。,4,3.并行处理机的操作模型可用五元组来表示： M=(N,C,I,M,R),其中： (1)N为PE个数。如llliacIV有64个PE。 (2)C为控制部件CU执行的指令集，包括标量指令和程序控制指令。 (3)I为所有PE并行执行的指令集，包括ALU、数据传送等操作。 (4)M为屏蔽操作集，将PE划分为允许操作和禁止操作两个子集。 (5)R是数据寻径集，互连网络中PE间通信所需要的各种模式。,5,4.H.J.Siegel提出
3、的并行处理机模型,6,8.2 并行处理机结构,8.2.1 并行处理机的基本结构 8.2.2 分布存储器并行处理机 8.2.3 共享存储器并行处理机 8.2.4 并行处理机的特点,7,8.2.1 并行处理机的基本结构,一台并行处理机由五个部分组成： 多个处理单元PE， 多个存储器模块M， 一个控制器CU， 一个互连网络ICN， 一台输入输出处理机IOP。 并行处理机有两种典型结构： 分布存储器并行处理机; 共享存储器并行处理机。,8,8.2.2 分布存储器并行处理机,9,(1)比较容易构成MPP(massively Parallel Processor),可以有几十万个处理机部件PE。 (2)C
4、U是控制部件。对于标量指令，在CU中直接执行：对于向量指令，CU把它广播到各个PE中去执行。 (3)在CU中通常有一个较大容量的存储器，用来存放程序和共享数据。 (4)IOP是输入输出处理机，或称为主机。在IOP上安装操作系统，它除了负担输入输出工作外，还负责程序编辑、编译和调试等工作。IOP可以是一台通用计算机。 (5)必须依靠并行算法来提高PE的利用率。因此，应用领域有限，可以认为是一种专用计算机。 (6)数据在局部存储器中的分布是一个很关键的问题。 (7)标量指令与向量指令可以并发执行。,10,8.2.3 共享存储器并行处理机,11,(1)共享并行存储器SM通过互连网络与各处理单元PE相
5、连。 (2)存储模块的数目等于或大于处理单元的数目。为了实现无冲突访问，存储模块的个数为质数。 (3)在存储模块之间合理分配数据，通过灵活、高速的互连网络，使存储器与处理单元之间的数据传送在大多数向量运算中能以存储器的最高频率进行，而最少受存储器冲突的影响。 (4)处理单元数目一般不多，几个至几十个。 (5)Burroughs Scientific Processor(BSP)采用这种结构。16个PE通过一个16*17的对准互连网络访问17个共享存储模块。 (6)对互连网络的要求很高。,12,8.2.4 并行处理机的特点,并行处理机的主要特点如下： (1)速度快，而且潜力大 (2)模块性好，生
6、产和维护方便 (3)可靠性高，容易实现容错和重构 (4)效率低。 与流水线处理机，向量处理机等比较。依靠是资源重复，而不是时间重叠，所以其效率要低一些。,13,(5)潜力大 主要依靠增加PE个数，与流水线处理机主要依靠缩短时钟相比，其提高速度的潜力要大得多。 (6)依赖于互连网络和并行算法 互连网络决定了PE之间的连接模式，也决定了并行处理机能够适应的算法。 (7)需要有一台高性能的标量处理机 如果一台机器的向量处理速度极高，但标量处理速度只是每秒一百万次，那么对于标量运算占10%的题目来说，总的有效速度就不过每秒一千万次。,14,8.3 并行处理机实例,llliaclV是采用SIMD结构的并
7、行处理机。 随后一个方向是位片PE制造的并行处理机，如Goodyear MPP、AMT/DAP610和TMC/CM-2、CM-5是以SIMD模式运行同步MMID计算机。 另一方向是字宽运算PE的中粒度SIMD计算机 并行处理机的两个基发展方向： (1)保留阵列结构，但每个处理单元的规模减小，如一个bit. (2)去掉阵列结构和分布存储器。Burroughs公司的BSP处理机是典型代表。,15,8.3.1 lllialv并行处理机,(1)1963年，美国西屋电器公司提出“Slotnick,The SOLOMON Compuer,Simultaneous Operation linked Ordi
8、nal Modular Network”. (2)1966年美国国防远景研究规划局ARPR与伊利诺依大学签定合同。原计划：256PE，运算速度为1GFLOPS。 (3)Burroughs公司和伊利诺依大学于1972年共同设计和生产，1975年实际投入运行。用了4倍的经费，只达到1/20的速度。只实现了8*8=64个PE，只达到50MFLOPS。 (3)llliaclv的影响非常大。它是并行处理机的典型代表，也是分布存储器并行处理机的典型代表。,16,llliaclV由三大部分组成 llliaclV处理机阵列：包括88PE、PEM和互连网络。 阵列控制CU 输入输出处理机：一台标准的Burrou
9、ghs B6700计算机,17,1.阵列控制器 阵列控制器CU实际是一台小型计算机。对阵列处理机单元实行控制和完成标量操作。标量操作与各PE的数组操作可以重叠执行。 控制器的功能有以下五个方面： (1)对指令进行译码，并执行标量指令； (2)向各PE发出执行数组操作指令的控制信号； (3)产生地址,并向所有处理单元广播公共地址； (4)产生数据,并向所有处理单元广播公共数据； (5)接收和处理PE、I/O操作以及B6700产生的陷阱中断信号。,18,2、输入输出系统 llliaclv的输入输出的系统包括： 磁盘文件系统DFS， I/O分系统， 一台B6700 处理机组成。 I/O分系统由三部分
10、组成： 输入输出开关IOS 控制描述字控制器CDC， 输入输出缓冲存储器BIOM。,19,3.llliaclV处理阵列 (1)llliaclV处理机阵列由8*8=64个组成。每个PU由处理部件PE和它的局部存储器PEM组成。 (2)每一个 只和它东、西、南、北四个近邻: mod 64、 mod 64、 mod 64、 mod 64直接连接。 (3)南北方向同一列PU连成一个环，东西方向构成一个闭合螺线。 (4)闭合螺线网络直径为7步，环形网络的直径为8步。,20,21,例如：从 到 ，采用环形网络必须第8步； 或 或 如果采用闭合螺线，只需要7步： 或 或 对于NN个单元的阵列，网络直径为N-
11、1。,22,8.3.2 BSP处理机,(1)BSP(Buroughs Scientific Processor)计算机是由美国宝来公司和伊利诺依大学研制。 (2)BSP是共享存储器并行处理机的典型代表。处理机与共享存储器之间采用全交叉开关连接，不仅可以同时实现任结点之间的互连，还能实现广播和多播。 (3)BSP由5个部分组成： 控制处理机、并行处理机、文件存储器、并行存储器模块、对准网络。,23,24,1.并行处理机 5级流水线： (1)从17个并行存储器中读出数据。 (2)通过输入对准网络把17个并行存储器中读出的数据送入16个并行处理部件。 (3)16个并行处理部件并行处理机数据。 (4)
12、通过输出对准网络把数据从16个并行处理部件送到17个并行存储器。 (5)把接收到的数据写入并行存储器。 时钟周期160ns，向量运算速度50MFlops。,25,2.控制处理机 (1)控制并行处理机工作。 (2)执行存放在控制存储器中的操作系统和用户程序中标量部分。 (3)控制17个并行存储器工作。 (4)把全部的向量指令及组成的标量指令给出并行处理机。 (5)控制维护单元是系统管理机与控制之间的接口，用来进行初始化，监控命令通信和维护。 (6)提供与系统管理机相连的接口。,26,3.文件存储器 (1)计算任务文件从系统管理机家载到文件存储器，由控制处理机执行。 (2)文件存储器是在BSP直接
13、控制下的唯一外围设备。 (3)程序执行过程中所产生的暂存文件和输出文件，在将它们送给系统管理机输出给用户之前是存在文件存储器中的。 (4)文件存储器的数据传输率较高，大大地缓解了I/O受限制问题。,27,4.对准网络 (1)对准网络采用全交叉开关实现。 (2)数据从一个源广播至几个目的地，几个源寻找一个目的地时能分解冲突。 (3)存储器模块和对准网络的组合实现了无冲突访问并行存储器。 (4)对准网络还可以实现快速富里叶变换，数据压缩和扩展操作。,28,5.无访问冲突存储系统 (1)17个存储模块，每个模块512K字，周期160ns，等效存储周期为10ns. (2)只有数组存取和I/O访问并行存
14、储器。 (3)实现一维向量和二维矩阵的行、列、对角线和反对角线的无冲突访问(具体方法见第三章） (4)对于三元向量，两次算术运算中需要用到三个变量，产生一个结果，共访问存储器4次，并行存储器和浮点运算之间的频带保持完全平衡。 (5)对于长向量来，中间结果存在寄存器中，每次运算只需一个操作数。因此并行存储器有足够的频宽给输入和输出信息用。,29,8.4 并行处理机算法举例,(1)并行处理机特别依赖于并行算法。 (2)并行算法的一个关键是提高向量化的程度。 (3)在设计并行算法时，要特别注意：数据在多个存储模块之间分布。要解决好访问存储器的冲突问题。 (4)通常，互连网络并不能提供所有处理单元之间
15、的直接连接，因此并行算法要充分利用互连网络的结构，尽量缩短传输延时时间。,30,8.4 并行处理机算法举例,8.4.1 有限差分问题 8.4.2 矩阵乘 8.4.3 求累加和,31,8.4.1 有限差分问题,有限差分方法是一种通用和有效方法： 把连续方程变换成离散形式。把二阶偏导数表示为差分形式： 代入原方程，则可得有限差分公式：,32,其中: (x,y)为平面直角坐标.h为网络间距。 llliaclV的矩阵结构特别适合计算这种网格上定义的有限差分函数。 把内部网格点分配给各个处理单元，计算过程可以并行完成。 加速比可以与处理机数目成正比。,33,8.4.2 矩阵乘,矩阵乘是典型的并行程序，非
16、常适合在SIMD并行处理机上运行。 例如：A、B、C均为8*8的二维矩阵，则C=A*B的计算公式： 在串行机上要用一个三重循环程序，乘法和加法分别做512次。 如果用8个PE并行工作，乘法和加法分别为64次。 如果用64个PE并行工作，乘法和加法分别做8次。,34,如果在8个PE的并行处理机上求解，FORTRAN语言程序如下： DO 10 I=0, 7 C(I,J)=0 DO 20 K=0,7 20 C(I,J)=C(I,J)+A(I,K)*B(K,J) 10 COUTIUE 在8个PE的并行处理机运行，运算速度可提高8倍。也可在64个PE的并行处理机上运行。 数据如何分布到各个局部存储器中？,35,在并行处理机上，J循环只需一次。 PE0：c00a00b00a01b10a02b20a07b70 PE1：c01a00b01a01b11a02b21a07b71 PE7：c07a00b07a01b17a02b27a07b77 PE0：c10a10b00a11b10a12b20a17b70
