计算机组织与结构 第8章 并行组织.ppt

第8章 并行组织 本章结构 8.1 计算机系统的并行性 研究计算机体系结构的目的：提高计算机系统的性能； 计算机体系结构的重要研究内容之一：开发计算机系统的并行性。 计算机体系结构、计算机组织和计算机实现 体系结构中的并行性 并行性等级划分：从执行程序角度 指令内部并行：指的是指令内部的微操作之间的并行。 指令级并行：指的是并行执行两条或多条指令，就是指令之间的并行。 线程级并行：指的是并发执行多个线程，通常是以一个进程内控制派生的多个线程为调度单位。 任务级或过程级并行：指的是并行执行两个或多个过程或任务(程序段)。 作业或程序级并行：指的是在多个作业或程序间的并行。 并行性等级划分：从处理数据的角度 字串位串: 指的是同时只对一个字的一位进行处理。 字串位并：指的是同时对一个字的全部位进行处理，不同字之间是串行的。 字并位串：指的是同时对许多字的同一位(称位片)进行处理。 全并行：指的是同时对许多字的全部或部分位进行处理。 提高并行性的技术途径 1、时间重叠 时间重叠：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，以加快硬件周转而赢得速度。 实现时间重叠的基础：部件功能专用化。 时间重叠的实质：把一件工作按功能分割为若干个相互联系的部分；然后把每一部分指定给专门的部件完成；最后按时间重叠原则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。 流水线技术就是时间重叠的典型应用。 时间重叠举例 例：一条指令的执行可以看成是由四个过程组成，即取指令、指令译码、指令执行和写结果。 2、资源重复 资源重复：根据“以数量取胜”的原则来实现并行，其付出的代价是在空间上通过重复地设置资源，尤其是硬件资源，以提高计算机系统的性能。 3、资源共享 资源共享是一种软件方法的并行，它使多个任务按一定时间顺序轮流使用同一套硬件设备。 资源共享的实质就是用单处理机模拟多处理机的功能，形成所谓虚拟机的概念。 多机系统的并行性 多机系统：包括多处理机系统和多计算机系统。 多机系统也遵循时间重叠、资源重复和资源共享这三种基本的技术途径，向着三种不同的多处理机方向发展。 多机系统的耦合度 最低耦合 松散耦合或间接耦合系统 松耦合系统的各处理机间通过共享I/O子系统、通道或通信线路实现处理机间通信和互连，不共享主存，但可共享某些外围设备(例如磁盘、磁带等)，机间的相互作用是在文件或数据集一级进行。 松散耦合多处理机由多个处理机、一个通道、一个仲裁开关和消息传送系统组成。每个处理机带有一个局部存储器和一组I/O设备。在仲裁开关的通道中有高速通信存储，用来缓冲传送的信息块。 紧密耦合系统或直接耦合系统 紧耦合多处理机系统，其处理机间物理连接的频带较高，它们往往通过总线或高速开关实现互连，可以共享主存，各处理机之间是通过互连网络共享主存的。 一般地，紧耦合系统由P台处理机、m个存储器模块、d个I/O通道和三个互连网络构成。 处理机-存储器网络实现处理机与各存储模块的连接； 处理机中断信号网络实现多处理机之间的互连； 处理机-I/O互连网络实现处理机与外设的连接。 每个处理机可自带局部存储器，也可自带Cache存储器模块，可采用流水工作方式。 紧耦合系统多用于并行作业中的多任务，一般处理机是同构的。 并行计算机体系结构的分类 Flynn（弗林）分类法：美国的弗林（Michael Flynn）于1966年提出的分类法 这种分类法主要依据指令流和数据流的多倍性关系来对计算机系统进行分类。 指令流是指机器执行的指令序列； 数据流是指由指令流调用的数据序列，包括输入数据和中间结果； 多倍性是指在系统瓶颈部件上处于同一执行阶段的指令或数据的最大可能数。 Flynn分类法 按照Flynn分类法，把计算机系统分成四类，分别是： 单指令流单数据流（SISD：Single Instruction Stream Single Data Stream） 单指令流多数据流（SIMD：Single Instruction Stream Multiple Data Stream） 多指令流单数据流（MISD：Multiple Instruction Stream Single Data Stream） 多指令流多数据流（MIMD：Multiple Instruction Stream Multiple Data Stream） SISD计算机 SISD实际上就是传统的单处理器计算机。只要指令部件每次只对一条指令译码，只对一个操作部件分配数据，就属于SISD系统。 SIMD计算机 SIMD中具有代表性的例子是相联处理机和阵列处理机。 特殊地，如果“多倍性”中“处于同一执行阶段”被理解成一条指令的操作全