计算机系统的发展 -计算机组成原理.ppt

第6章 计算机系统的发展 6.1 计算机并行技术概述 6.2 指令级并行技术 6.3 线程级并行技术 6.4 非Neumann体系的计算机系统 6.5 计算机元器件技术展望 习 题 6.1 计算机并行技术概述 6.1.1 计算机硬件并行技术的发展 6.1.2 计算机并行性开发的技术对策 6.1.3 Flynn分类法 计算机系统的发展主要是在元器件技术和体系结构两条战线上不断向前推进的。这一章首先介绍对于计算机体系结构具有决定性影响的几种并行技术，然后介绍几种非Neumann体系结构，最后介绍人们在计算机元器件技术方面的一些探索。 6.1.1 计算机硬件并行技术的发展 广义地讲，并行性包含同时性（simultaneity）和并发性（concurrency）两个方面。前者是指两个或多个事件在同一时刻发生。后者是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。简单地说，在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不相同的功能，只要时间上互相重叠，就存在并行性。 并行处理是改进系统性能以获得最好性能价格比的重要手段。计算机系统在其发展过程中在各个层次上都引入了不同形式的并行性： ·1952年设计了运算器中的并行算术运算逻辑。 · 1955年在IBM 704机中采用了I/O通道技术，实现了I/O操作与CPU的并行工作。 ·1956年在IBM的Stretch设计中，指令预取控制机构和存储器多体交叉，迈开了指令流水线和并行存储技术第一步。 ·1961年在曼彻斯特大学的ATLAS机中，又讨论了多道程序的技术，使一台处理机可以同时运行多个程序。 ·1964年在CDC 6600机中又设计了多功能部件，在一个CPU中有10个互相独立、可以并行工作的功能部件。 · 20世纪70年代初出现的向量计算机TI-ASC（1972）和STAR-100 (1973），又开始采用运算流水线技术。 · 经过20世纪70 ~ 80年代的发展，RISC技术进一步完善，VLIW计算机和超标量计算机把系统结构技术同优化编译技术相结合，进一步挖掘了指令级的并行性。这时在单处理机上并行性潜力的挖掘已趋于饱和，并行技术便主要转向高度并行技术，即多处理机方面。 · …… 6.1.2 计算机并行性开发的技术对策 并行性的开发主要从时间重叠、资源重复、资源共享3个方面展开。 1. 时间重叠 时间重叠是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，以提高硬件的利用率而赢得高速度，获得较高的性能价格比。它是通过时间重叠技术实现并行处理，主要表现在各种流水线部件和流水线处理机，而不靠增加重复硬件设备，是一种“挖掘内部潜力”的方法。 流水线在指令和操作一级的实施，形成单处理机内部的指令流水线和操作流水线；进一步发展到任务一级，形成处理机级的流水线或称宏（macro） 流水线。流水线技术的特点是各部件的专用性，设备的发展形成专用部件（如流水线中的各功能站）——专用处理机（如通道、数组处理机等）、专用计算机系统（如工作站、客户机等）等3个层次。沿着这条路线形成的多处理机系统的特点是非对称型（asymmetrical）或称异构型多处理机（heterogeneous multiprocessor）。它们由多个不同类型、至少担负不同功能的处理机组成，按照程序要求的顺序，对多个进程进行加工，各自实现规定的操作功能，并且这些进程的加工在时间上是重叠的。 2. 资源重复 资源重复是通过重复地设置硬件资源以大幅度提高计算机系统的性能,是一种“以多取胜”的方法。它的初级阶段是多存储体和多操作部件，目的在于把一个程序分成许多任务（过程），分给不同的部件去执行。这些部件在发展中功能不断增强，独立性不断提高，发展成为3个层次： ·在多个部件中的并行处理； ·在多台处理机中的并行处理──紧藕合多处理机系统； ·在多台自治的计算机系统中的并行处理──松藕合多处理机系统。 沿着这条路线形成的多处理机系统的特点是对称型（Symmetrical）或称同构型多处理机（Homogeneous Multiprocessor）。它们由多个同类型的，至少同等功能的处理机组成，同时处理同一程序中能并行执行的多个任务。 3. 资源共享 资源共享是多个用户之间可以互相使用它者另一方的资源（硬件、软件、数据），以提高计算机设备利用率。计算机网络就是这一技术路线的产物。它通过计算机与通信技术的融合