并行计算机体系结构.pptx
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1、1并行并行计算机算机体系体系结构构-2一、一、课程目程目标1.1.并行性理并行性理论的研究的研究 并行并行计算机系算机系统模型与体系模型与体系结构;构;并行程序并行程序设计模型与通信模型;模型与通信模型;并行并行计算机性能算机性能评测方法;方法;可可扩展性原理及展性原理及实现方法。方法。2.2.并行技并行技术和和结构的研究构的研究 微微处理器并行技理器并行技术;互互连网网络技技术;共享存共享存储技技术及体系及体系结构;构;分布存分布存储技技术与可与可扩展体系展体系结构;构;通信通信时延包容技延包容技术。-3二、参考教材二、参考教材1 1、并行、并行计算机体系算机体系结构,构,陈国良等著,高等教
2、育出版社,国良等著,高等教育出版社,ISBN 7-04ISBN 7-0411558-111558-1,2002.92002.92 2、并行、并行计算机体系算机体系结构,构,David E.CullerDavid E.Culler等著,李等著,李晓明等明等译,机械工机械工业出版社,出版社,ISBN 7-111-07888-8ISBN 7-111-07888-8,2002.102002.103 3、可、可扩展并行展并行计算算技技术、结构与构与编程,程,黄黄铠、徐志、徐志伟著,著,陆鑫达鑫达等等译,机械工机械工业出版社,出版社,2000.52000.54 4、计算机系算机系统结构构一种定量的方法一种
3、定量的方法(第第5 5版版),John L.John L.HennessyHennessy等著,等著,郑纬民等民等译,清,清华大学出版社,大学出版社,2002.82002.85 5、计算机系算机系统结构构(第二版第二版),郑纬民、民、汤志忠著志忠著,清,清华大学出大学出版社版社,1998.91998.9-4第一章第一章 系系统结构构设计基基础 -5第一第一节 计算机系算机系统结构概念构概念 一、一、计算机系算机系统结构概念构概念 1 1、计算机系算机系统层次次结构构软硬件硬件交界面交界面L6L6:应用用语言言级L5L5:高:高级语言言级L4L4:汇编语言言级L3L3:操作系:操作系统级L2L2
4、:机器:机器语言言级L1L1:微程序机器:微程序机器级L0L0:电子子线路路 硬件硬件固件固件软件件虚虚拟机机器器实际机机器器翻翻译(应用程序包)用程序包)翻翻译(编译程序)程序)翻翻译(汇编程序)程序)解解释硬件直接硬件直接执行行部分解部分解释计算机算机语言言实现技技术回下页-62 2、计算机系算机系统设计方法方法(1)(1)由上向下方法由上向下方法 从从软件到硬件,适合件到硬件,适合专用机的用机的设计 结果:果:形成形成软、硬脱、硬脱节(2)(2)由下向上方法由下向上方法 从硬件到从硬件到软件,适合通用机的件,适合通用机的设计 结果:果:形成形成软、硬脱、硬脱节(3)(3)从中从中间开始方
5、法开始方法 从从软、硬件交界面、硬件交界面开始开始设计 要求:要求:不断不断进行交互、行交互、优化化设计 需要需要较好的好的评价工具和方法价工具和方法转上页-73 3、系、系统结构定构定义 *精确定精确定义:机器机器语言程序言程序员、编译程序程序编写者写者所看到的所看到的计算机的算机的属性属性,即概念性,即概念性结构和功能特性构和功能特性 概念性概念性结构构系系统的的软、硬件功能界面;、硬件功能界面;功能特性功能特性界面的功能分配,即界面的接口或界面的功能分配,即界面的接口或组织 *实质:研究研究软硬件硬件之之间的界面定的界面定义及及其上下的功能分配其上下的功能分配 *基本定基本定义:程序程序
6、员所看到的所看到的计算机的算机的属性属性 *研究内容:研究内容:数据表示、数据表示、寻址方式、指令系址方式、指令系统,寄存器,寄存器组织;存存储系系统;中断机构、中断机构、I/OI/O结构;构;机器工作状机器工作状态定定义和切和切换、信息保、信息保护回下页-8CPUCPU键盘接口接口键盘显卡卡显示器示器MEMMEM磁磁盘接口接口磁磁盘机机器器语言言级机机器器输入入设备触触发程程序序执行行指令系指令系统程程序序员看看到到的的属属性性信息保信息保护机器状机器状态存存储系系统I/OI/O系系统中断系中断系统计算机系算机系统结构包含内容示意构包含内容示意图进程管理程序程管理程序作作业管理程序管理程序文
7、件管理程序文件管理程序存存储管理程序管理程序设备管理程序管理程序信息保信息保护操操作作系系统级机机器器注:注:作作业管理管理包含用包含用户界界面面功能功能转上页-9 计算机算机组成包含内容成包含内容数据通路数据通路宽度、度、专用部件用部件设计、各种各种OSOS共享程度、功能部件并行度、控制机构共享程度、功能部件并行度、控制机构组成方式、排成方式、排队与与缓冲技冲技术、预估与估与预判技判技术、可靠性技、可靠性技术等等 *系系统结构、构、计算机算机组成、物理成、物理实现三者关系:三者关系:1 1:n:n 1 1:m m 系系统结构构 计算机算机组成成 物理物理实现 *计算机算机组成:成:定定义计算
8、机系算机系统设计人人员看到的基本属性看到的基本属性 实质是系是系统结构的构的逻辑实现-104 4、计算机系算机系统结构构设计步步骤(1)(1)需求分析需求分析 在在应用用环境、所用境、所用语言种言种类及特性、及特性、对OSOS的特殊要求、所的特殊要求、所用外用外设特性、技特性、技术经济指指标、市、市场分析等方面分析等方面进行分析行分析(2)(2)需求需求说明明 形成形成设计设计准准准准则则、功能、功能说明、器件性能明、器件性能说明明等需求等需求(3)(3)概念性概念性设计 进行行软、硬件功能分析,确定机器、硬件功能分析,确定机器级界面界面(4)(4)具体具体设计 机器机器级界面各方面的确切定界
9、面各方面的确切定义,可考,可考虑几种方案几种方案(5)(5)反复反复进行行评价及价及优化化设计-115 5、并行并行体系体系结构构 *并行并行计算机算机:是是一一组相互通信、相互相互通信、相互协作的作的处理理单元,元,用以快速求解大型用以快速求解大型问题总线或互或互连网网络SMSMSMLMMBNICP/CLMMBNICP/C互互连网网络LMMBNICBridgeP/CIOBNICLMMBNICBridgeP/CIOBNIC-12 *并行并行体系体系结构:构:由宏体系由宏体系结构、微体系构、微体系结构两部分构两部分组成成 微体系微体系结构构节点内部点内部结构构,主要主要为处理器理器及其壳的及其壳
10、的结构构 宏体系宏体系结构构并行并行计算机的算机的整体整体结构,构,包括包括节点点间互互连、通信、存通信、存储器器访问等方面等方面 *并行并行体系体系结构研究内容:构研究内容:互互 连结构模型、互构模型、互连网网络 存存储器器访存模型、存模型、一致性模型一致性模型(Cache/(Cache/存存储)交交 互互编程模型、程模型、通信机构、同步机构通信机构、同步机构-13二、二、计算机系算机系统结构分构分类1 1、FlynnFlynn分分类法法 *分分类原理:原理:按按指令流和数据流的多倍性指令流和数据流的多倍性进行分行分类 *结构种构种类:SISDSISD,SIMDSIMD,MISDMISD,M
11、IMDMIMDSISDCUMMISISPUDSSIMDCUMMmDS1ISISMM1PUnDSnPU1MISDDSIS1IS1ISnDSISnMMmMM1PU1PU1CU1CU1MIMDDS1IS1IS1ISnDSnISnMMmMM1PU1PU1CU1CU1 *缺点:缺点:对流水流水线处理机的分理机的分类不明确不明确-142 2、HandlerHandler分分类法法 *分分类原理:原理:在三个在三个层次,次,按并行程度及按并行程度及流水流水处理理程度分程度分类 层次次 PCUPCU(程序控制部件或(程序控制部件或宏流水宏流水)K K级 ALUALU(算(算术逻辑部件部件或指令流水或指令流水)
12、D D级 ELCELC(基本(基本逻辑线路或路或操作流水操作流水)W W级 描述描述 T(C)T(C)KK 其中:其中:K K为PCUPCU数、数、K K为宏流水宏流水级数数(PCU(PCU数数),D D为每个每个PCUPCU中中ALUALU数、数、D D为指令流水指令流水级数数(ALU(ALU数数),W W为ALUALU或或PEPE字字长,W W为操作流水操作流水线级数数(ELC(ELC套数套数)*特点:特点:对并行及流水并行及流水线的程度有清晰的描述的程度有清晰的描述 注:注:流水属并行的一种流水属并行的一种类型,但有所不同;型,但有所不同;并行程度越好,性能越高并行程度越好,性能越高-1
13、53 3、冯氏氏分分类法法 *分分类原理:原理:按照系按照系统的最大并行程度的最大并行程度进行分行分类 *最大并行度:最大并行度:单位位时间内能内能处理的最大二理的最大二进制位数制位数 即即 P Pm m=位片位片宽字字宽位片位片宽字字宽SISDSIMD(MPP)SIMDMIMD1mn1mn-164 4、按控制方式按控制方式分分类 *分分类原理:原理:按程序按程序执行的控制方式分行的控制方式分类 *分分类结果:果:共有共有4 4种种 控制流方式控制流方式指令按指令按逻辑顺序序执行行(如如冯诺依曼模型依曼模型);数据流方式数据流方式只要操作数到位,指令即可只要操作数到位,指令即可执行,行,无序无
14、序执行行(,源,源目的求解目的求解过程程);规约方式方式当需要当需要该指令指令结果果时,该指令才会指令才会执行,行,无序无序执行行(,目的,目的源源目的求解目的求解过程程);匹配方式匹配方式由由谓词模式匹配模式匹配驱动指令的指令的执行,行,适合非数适合非数值型数据型数据应用,常用于智能型用,常用于智能型计算机算机 *特点:特点:除控制流方式外,其它的并行程度除控制流方式外,其它的并行程度较好好-17第二第二节 系系统设计的定量原理的定量原理 一、大概率事件一、大概率事件优先原先原则 *基本思想:基本思想:对大概率事件大概率事件赋予予优先的先的处理理权和和资源使用源使用权,以以获得全局的最得全局
15、的最优结果果 该原原则是系是系统设计中中最重要最重要和和最常用最常用的原的原则 *应用用举例:例:指令系指令系统指令操作指令操作码采用霍夫曼采用霍夫曼编码;溢出溢出处理理优化不溢出情况的化不溢出情况的处理;理;存存储系系统层次次结构使高构使高频使用数据存取速度更快,使用数据存取速度更快,虚虚拟存存储器的器的TLBTLB用高速芯片用高速芯片组成成-18二、二、AmdahlAmdahl定律定律 *基本思想:基本思想:优化某部件所化某部件所获得的系得的系统性能的改善程度,取决性能的改善程度,取决于于该部件被使用的部件被使用的频率,或所占率,或所占总执行行时间的比例的比例 *应用:用:使用使用该定律可
16、改善定律可改善“系系统瓶瓶颈”性能性能 *举例:例:某功能某功能处理理时间占系占系统时间的的40%40%,将其,将其处理速度加理速度加快快1010倍后,整个系倍后,整个系统性能提高多少?性能提高多少?解解已知已知f fe e=0.4=0.4,r re e=10=10,利,利用用AmdahlAmdahl定律,定律,则 S Sp p=1.56=1.560.00.51.0feSp1015 r re e=10=10时S Sp p和和f fe e的关系如右的关系如右图:方法方法若改善某部件性能后,系若改善某部件性能后,系统性能急性能急剧提高,提高,则该部件部件为“系系统瓶瓶颈”-19三、程序三、程序访问
17、的局部性原理的局部性原理 *基本思想:基本思想:程序程序执行行时,呈,呈现出出频繁重复使用那些繁重复使用那些“簇聚簇聚”的数据和指令的的数据和指令的规律,包含律,包含时间局部性和空局部性和空间局部性局部性 时间局部性局部性-近期被近期被访问的信息,可能的信息,可能马上被上被访问 空空间局部性局部性-与被与被访问地址相地址相邻的信息可能会一起被的信息可能会一起被访问 *应用:用:层次存次存储体系体系设计-20四、四、软硬件取舍原硬件取舍原则1 1、现有有软硬件条件下,所硬件条件下,所选方法方法应有助于有助于提高系提高系统的性能的性能/价格价格 例:例:2 2、所、所选方法方法应尽量尽量不限制不限
18、制计算机算机组成和成和实现技技术 例:例:数据表示数据表示设计不不应限制数据限制数据宽度与之一一度与之一一对应;主存容量主存容量设计不不应限制是否采用多体交叉存限制是否采用多体交叉存储器等器等3 3、所、所选方法方法应能能够对编译程序和操作系程序和操作系统的的实现提供好的支持提供好的支持 例:例:指令系指令系统中增加中增加OSOS所需指令;所需指令;根据根据编译要求要求设置一定数量通用寄存器等置一定数量通用寄存器等研制研制费用用生生产费用用产品品费用用硬件方法硬件方法D Dh hM Mh hD Dh h/V+M/V+Mh h软件方法件方法CDCDs sRMRMs sCDCDs s/V+RM/V
19、+RMs s说明:明:VV设备数量,数量,CC重复重复设计次数,次数,RR复制次数复制次数-21第三第三节 计算机系算机系统性能性能评价价 一、一、计算机系算机系统性能性能 *计算机性能:算机性能:正确性、可靠性和工作能力正确性、可靠性和工作能力 响响应时间指任指任务从从输入到入到结果果输出的所有出的所有时间,反映反映CPUCPU、I/OI/O系系统及及OSOS等的等的总体性能;体性能;正确性:正确性:与数学与数学计算算结果比果比较,通常,通常认为是正确的是正确的 可靠性:可靠性:用平均无故障用平均无故障时间表示,通常表示,通常认为是可靠的是可靠的 工作能力:工作能力:即系即系统的速度,通常用
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