[工学]“计算机组成与系统结构”第8章 2009.ppt

上海交通大学网络教育学院 计算机组成与系统结构 上海交通大学 网络教育学院 陈泽宇 博士 副教授 第1章 计算机系统概论 第2章 运算方法和运算器 第3章 存储系统 第4章 指令系统 第5章 中央处理器（CPU） 第6章 总线系统 第7章 输入输出（I/O）系统 第8章 并行计算机系统 第8章 并行计算机系统 8.1 并行性的概念 8.2 向量处理机 8.3 阵列处理机 8.4 多处理机系统 8.5 机群系统 8.6 网格计算 计算机系统性能和容量的快速增长，除了归功于底层VLSI技术的发展之外，另一个重要因素在于计算机体系结构的不断改进，而并行性则是其中的一个主要方面 8.1 并行性的概念 8.1.1 并行性分类 8.1.2 提高并行性的技术途径 8.1.3 并行性的发展 8.1.4 并行计算机体系结构分类 所谓并行性，是指计算机系统具有可以同时进行运算或操作的特性 它包括同时性与并发性两种含义 同时性（Simultaneity）是指两个或两个以上的事件在同一时刻发生 并发性（Concurrency）是指两个或两个以上的事件在同一时间间隔内发生 所谓并行计算（Parallel Computing）是指通过网络相互连接的两个以上的处理机相互协调工作，同时计算同一个任务的不同部分 从而提高问题求解速度，或者求解单机无法解决的大规模问题 并行计算的目的 ⑴提高速度 对于一个固定规模的问题，采用并行计算技术可以使求解时间更少 现在的微型机也开始借助于流水线技术、多核技术等并行计算技术来提高系统的速度 ⑵扩大问题求解规模 由于器件本身的限制，任何单处理器的速度不能超过某个上限 要突破这个上限，必须采用并行计算技术 并行计算的应用领域主要包括： ⑴科学和工程计算 ⑵商业计算 ⑴科学和工程计算 在计算领域，计算机被用来模拟那些要么不可能、要么需花费很大代价才能观测到的物理现象 并行体系结构已经成为科学计算的中流砥柱 物理、化学、材料科学、生物学、天文学、地球物理等科学领域的研究都离不开并行计算 对物理现象建模的工具也被应用到工程应用中 如石油（油藏模拟）、汽车（碰撞模拟、牵引分析、燃料效益）、航空（气流分析、引擎效率、结构力学、电磁学）、制药学（分子建模）等 ⑵商业计算 商业计算在高端领域也要借助于并行体系结构 早在20世纪60年代中期，多处理器就在商业计算的高端市场上崭露头角 在这个领域，计算机系统的速度和容量直接反映了系统能够支持的商业规模 8.1.1 并行性分类 计算机系统中的并行性有不同的等级 从处理数据的角度看，并行性等级从低到高可分为： ⑴字串位串 同时只对一个字的一位进行处理 这是最基本的串处理方式，不存在并行性 ⑵字串位并 同时对一个字的全部位进行处理，不同字之间是串行的 这里已开始出现并行性 ⑶字并位串 同时对许多字的一位进行处理 这种方式有较高的并行性 ⑷全并行 同时对许多字的全部位进行处理 这是最高一级的并行性 从执行程序的角度看，并行性等级从低到高可分为： ⑴指令内部并行 一条指令执行时各微操作之间并行。 ⑵指令级并行 并行执行两条或多条指令 ⑶任务级或过程级并行 并行执行两个以上过程或任务（程序段） ⑷作业或程序级并行 并行执行两个以上作业或程序 并行处理着重挖掘计算过程中的并行事件，使并行性达到较高的级别 并行处理是体系结构、硬件、软件、算法、语言等多方面综合研究的领域 8.1.2 提高并行性的技术途径 计算机系统中提高并行性的措施多种多样，就其基本思想而言，可归纳成如下四条途径： 1．时间重叠 2．资源重复 3．资源重复+时间重叠 4．资源共享 1．时间重叠 即时间并行 在并行性概念中引入时间因素，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，以加快硬件周转时间而赢得速度 2．资源重复 即空间并行 在并行性概念中引入空间因素，采用以数量取胜的原则，通过重复设置硬件资源，大幅度提高计算机系统的性能 随着硬件价格的降低，这种方式在单处理机中广泛应用，而多处理机本身就是实施资源重复原理的结果 3．资源重复+时间重叠 在计算机系统中同时运用空间并行和时间并行技术 这种方式在计算机系统中应用广泛，成为主流的并行技术 4．资源共享 这是一种软件方法，它使多个任务按一定时间顺序轮流使用同一套硬件设备 例如多道程序、分时系统就是遵循资源共享原理而产生的 资源共享既降低了成本，又提高了计算机设备的利用率 8.1.3 并行性的发展 1．单机系统并行性发展 2．多机系统并行性发展 1．单机系统并行性发展 在发展高性能单处理机过程中，起着主导作用的是时间并行技术 实现时间并行的物质基础是部件功能专用化 把一件工作按功能分割为若干个相互联系的部分，把每一部分指定给专门的部件完成 然后