第八章 并行计算体系结构2.ppt

第13章 并行计算机体系结构 13.1 计算机体系结构概述 13.2 并行计算机系统概述 13.3 并行计算机系统的设计问题 13.4 SIMD计算机简介 13.5 共享内存的多处理机 13.6 基于消息传递的多计算机系统 13.1 计算机体系结构概述 冯·诺依曼机器机构 （1）改变冯·诺依曼机器的串行执行模式 （2）改变冯·诺依曼机器的控制驱动方式 今天计算机体系结构的研究内容 进一步提高单个微处理器的性能 基于微处理器的多处理器体系结构。 全面提高计算机的系统性能： 可用性，可维护性，可缩放性。 新型器件的处理器。 进一步提高单个微处理器的性能 器件技术（2005年的 IC技术） 200M transistors, 0.1 feature size/onechip; 2.0-3.5GHz, Pentium 1GHz; 0.9-1.2V (工作电压） 高性能体系结构 Embedded Computer System（嵌入式计算机系统） Reconfigurable computer Architecture Power-aware computer Architecture 高性能处理器所采用的一些技术 on-chip multilevel cache及pre-fetch buffer 硬件实现进程的上下文切换 大规模的片上分布式DRAM 深度流水线 8-12? 20级以上 Advanced Super-scalar：16-32指令/clock cycle Super-speculative Processor：fine-grain heavy speculation Trace Processor Vector Intelligent RAM Processor, V-IRAM on-chip multiprocessor Instruction-level Distributed Processing ( ILDP) Clustered Dependence-based Architecture 新型器件的处理器 光速极限问题 IC电路有极限： 线宽不能无限缩小； 性能价格 + 低功耗 新型器件 量子计算机：是利用原子所具有的量子特性进行信息处理的一种全新概念的计算机。（量子算法程序） 光计算机 分子计算机 DNA计算机：利用DNA保存复杂信息的巨大存储能力。用核苷酸的排列表示各种信息，生物酶充当加减乘除操作，通过化学反应得出计算结果。 13.1.2 计算机系统的分类 当前计算机的种类 Flynn分类法 SISD SIMD MISD MIMD 冯氏分类法 Handle分类法 Kuck分类法 当前计算机的种类 1989 IEEE电气与电子工程师委员会提出的计算机分类： 个人计算机 Personal Computer (PC) 工作站 WorkStation (WS) 小型机 Mini Computer 中型机 Mainframe 小巨型机 Minisupercomputer 巨型机 Supercomputer * 网络并行计算机 Flynn分类法 1966 Flynn分类法: 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， 基本思想:是计算机工作过程是指令流的执行和数据流的处理。 指令流：机器执行的指令序列 数据流：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：在系统性能的瓶颈部件上处于同一执行 阶段的指令或数据的最大个数。 １.单指令流单数据流 SISD 典型的SISD机器：传统的顺序计算机 SISD机器结构： CU：控制部件 IS：指令流 PU：处理部件 DS：数据流 MU：存储部件 2.单指令流多数据流 SIMD 单指令流一多数据流 SIMD 超级计算机 单控制器、多处理单元和多对数据进行处理 PU：处理单元 MM：本地存储器（分布存储器） 3. 多指令流单数据流 MISD 多指令流一单数据流 MISD 多个处理器，对同一数据流进行处理 MM主存贮模块，SM共享存储器 4．多指令流多数据流MIMD 多机系统----多个处理器系统或多计算机系统每个处理机可以独立执行指令和处理数据一般并行计算机大多采用这种结构。 冯氏分类法 1972年，美藉华人冯泽云，提出根据最大并行度Pm进行分类 最大并行度Pm：单位时间内能处理的最大二进制位数。 设每个时钟Δti内处理Pi位数据，共T个时钟 平均并行度： 并行度取决于系统运行程度，与应用程序有关， 平均利用率μ： 两参数决定计