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1、ComputerArchitecture(计算机体系结构计算机体系结构)主讲人：主讲人：金星金星 QQ:65149264QQ:65149264Email:jinxingmail.hzau.edu Email:jinxingmail.hzau.edu 精选pptl1.5系统结构中的并行性及其开展精选ppt一、并行性的概念一、并行性的概念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
2、：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。精选ppt2 并行性的等级 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的角度看 l l指指令令内内部部并并行行：指指令令内内部部的的微微操操作作之之间间的的并行。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任任务务级级或或过过程程级级并并行行：并并行行执执行行两两个个或或多多个过程或任务个过程或任务
3、(程序段程序段)。l l作作业业或或程程序序级级并并行行：在在多多个个作作业业或或程程序序间间的并行。的并行。精选ppt(2)(2)从处理数据的角度从处理数据的角度l字串位串字串位串WSBS(wordserialandbitserial)l每次只能处理一个字的一位，第一代计算机开展初期每次只能处理一个字的一位，第一代计算机开展初期的纯串行计算机。的纯串行计算机。l字串位并字串位并WSBP(wordserialandbitparallel)l每次处理一个字的每次处理一个字的n位，如位，如STARAN,MPP,DAP等传等传统的位并行单处理机属于这种结构。统的位并行单处理机属于这种结构。精选ppt
4、l字并位串字并位串WPBS(wordparallelandbitserial)一次处理一次处理m个字中的一位，这是传统并行单处理机个字中的一位，这是传统并行单处理机精选pptl字并位并字并位并WPBP(wordparallelandbitparallel)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、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。精选ppt(3)从信息加工
5、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、作业并行精选ppt3并行性开发的途径并行性开发的途径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局部。的各局部。精选ppt并行性开发的途径并行性开发的途径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
6、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。精选ppt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
7、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。精选ppt2多机系统的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最最低低耦耦合合：除除通通过过某某种种中中间间存存储储介介质质之之外外，各各计计算算机机之之间间没没有有物物理理连连接接，也也没没共共享享的的联联机机硬硬件资源。件资源。l l松松散散耦耦合合：通通过过通通道道或或通通信信线线路路实实现现机机间间互互连连，共共享享某某些些外外围围设设备备，这这些些计计算算机机或或者者是是功功能能专专用化
8、，或者是为了资源共享。用化，或者是为了资源共享。l l紧紧密密耦耦合合系系统统：机机间间物物理理连连接接的的频频带带较较高高，通通过过总总线线或或高高速速开开关关实实现现互互连连，可可以以共共享享主主存存，具有较高的数据传输率。具有较高的数据传输率。精选ppt3 Flynn3 Flynn分类法分类法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根本思想根本思想: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。精选pptFlyn
9、n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;精选pptlSISD:SingleInstructionStreamSingleDataStreamFlynnFlynn分类分类SISDSISDl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：存储部件精选ppt典型的典型的SISD:冯冯诺依曼结构诺依曼结构典型结构：
10、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精选pptFlynnFlynn分类分类 SIMD SIMDSIMD:SingleInstructionStreamMultipleDataStreaml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lPE：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精选pptFlynnFlynn分类分类 MISD MISDlMultiple Instruction
11、Stream Single Data Stream多个处理器，对同一数据流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精选pptFlynn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精选pptFlynnFlynn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SIMDSIMD2 2
12、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，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？精选ppt(2)David J.Kuck(2)David J.Kuck分类法分类法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
13、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1978年，美国年，美国DavidJ.Kuck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、多倍性来描述精选pptDavid J.KuckDavid J.Kuck分类法主要缺点分类法主要缺点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；精选ppt冯氏分类法冯氏分
14、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最大并行度最大并行度最大并行度最大并行度 是指计算机单位时间内能够处理的最大的是指计算机单位时间内能够处理的最大的是指计算机单位时间内能够处理的最大的是指计算机单位时间内能够处理的最大的二进制位数二进制位数二进制位数二进制位数 。(1)(1)字串位串，字串位串，字串位串，字串位串，WSBS n=1,m=1 WSBS n=1,m=1 (2)(2)字并位串，字并位串，字并位串，字并位串，WPBS n1,m=1WPBS n1,m=1(3)(3)字串位并，字串位并，字串位并，字串位并，WSBP n=1,m1WSBP n=1,m1(4)(4
15、)字并位并，字并位并，字并位并，字并位并，WPBP n1,m1WPBP n1,m1n: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。精选ppt按并行度分类法3-冯泽云分类法2l1字串位串字串位串WSBS(wordserialandbitserial)l每次只能处理一个字的一位，第一代计算机开每次只能处理一个字的一位，第一代计算机开展初期的纯串行计算机。展初期的纯串行计算机。l2字串位并字串位并WSBP(wordserialandbitparallel)l每次处理一个字的每次处理一个字的n位，如位，如S
16、TARAN,MPP,DAP等传统的位并行单处理机属于这种结构。等传统的位并行单处理机属于这种结构。精选ppt按并行度分类法按并行度分类法3-3-冯泽云分类法冯泽云分类法3 3l字并位串字并位串WPBS(wordparallelandbitserial)一次处理一次处理m个字中的一位，这是传统并行单处理机个字中的一位，这是传统并行单处理机精选ppt按并行度分类法3-冯泽云分类法4l字并位并字并位并WPBP(wordparallelandbitparallel)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。精选ppt按并行度分类法按并行度分类法4-Handler4-Handler分类法分类法lHandle在在1977根据并行度和流水线分类，计算机的根据并行度和流水线分类，计算机的硬件结构分成三个层次，并分别考虑它们的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
