第8单元 Computer Systems Architecture.pptVIP

8.1 引 言 1. 单处理机系统结构正在走向尽头？ 2. 多处理机正起着越来越重要的作用。近两年来，我们已经开始进入多处理机将起主要作用的新时期。 期望：将来更加普及 问题： 如何发挥其潜在计算能力？ （并行程序） 应用是否具有足够的并行性？ 并行计算机应用软件已有了稳定的发展。 （尽管缓慢） 并行处理已经成为重要和主流的技术。 3.本章重点：中小规模的计算机(处理器的个数＜128) （多处理机设计的主流） 8.1 引 言 Flynn分类法 SISD、SIMD、MISD、MIMD MIMD已成为通用多处理机系统结构的选择，原因： MIMD具有灵活性。 MIMD可以充分利用商品化微处理器在性能价格比方面的优势。 计算机机群系统（cluster）是一类广泛被采用的MIMD计算机。 8.1 引 言 根据系统中处理器个数的多少，可把现有的MIMD计算机分为两类： （每一类代表了一种存储器的结构和互连策略） 集中式共享存储器结构 动画 最多由几十个处理器构成。 通过大容量的Cache和总线互连使各处理器共享一个单独的物理存储器。 这类计算机有时被称为 SMP计算机 （Symmetric shared-memory MultiProcessor） UMA计算机（Uniform Memory Access） 8.1 引 言 8.1 引 言 分布式存储器结构 动画 每个结点包含： 处理器 存储器 I／O 互连网络接口 在许多情况下，分布式存储器结构优于集中式共享存储器结构。 8.1 引 言 8.1 引 言 分布式存储器结构的优点 如果大多数的访问是针对本结点的局部存储器，则可降低对存储器和互连网络的带宽要求。 对局部存储器的访问延迟低。 最主要的缺点 处理器之间的通信较为复杂，且各处理器之间访问延迟较大。 簇：超级结点 每个结点内包含个数较少（例如2～8）的处理器； 处理器之间可采用另一种互连技术（例如总线）相互连接形成簇。 8.1 引 言 地址空间的组织方案（两种） 共享地址空间 物理上分离的多个存储器作为一个逻辑上共享的存储空间进行编址。 任何一个处理器可以访问该共享空间中的任何一个单元（如果它具有访问权），而且不同处理器上的同一个物理地址指向的是同一个存储单元。 这类机器的结构被称为 分布式共享存储器结构 （DSM: Distributed Shared-Memory) NUMA机器 （NUMA: Non-Uniform Memory Access) 8.1 引 言 整个地址空间由多个独立的地址空间构成，它们在逻辑上也是独立的，远程的处理器不能对其直接寻址。 每一个处理器-存储器模块实际上是一台单独的计算机 现在的这种机器多以集群的形式存在 两种通信机制 共享地址空间的机器 利用load和store指令中的地址隐含地进行数据通信。 多个地址空间的机器 通过处理器间显式地传递消息来完成。 （消息传递多处理机） 8.1 引 言 消息传递计算机通过传递消息来请求某些服务或传输数据，从而完成通信。 例如：一个处理器要对远程存储器上的数据进行访问或操作： 发送消息，请求传递数据或对数据进行操作； 远程进程调用(RPC，Remote Process Call) 目的处理器接收到消息以后，执行相应的操作或代替远程处理器进行访问，并发送一个应答消息将结果返回。 同步消息传递 请求处理器发送一个请求后一直要等到应答结果才继续运行。 8.1 引 言 异步消息传递 发送方不经请求就直接把数据送往数据接收方。 通信机制的性能指标（3个） 通信带宽 理想状态下的通信带宽受限于处理器、存储器和互连网络的带宽。 通信延迟 理想状态下通信延迟应尽可能地小。 通信延迟＝发送开销＋跨越时间＋传输延迟＋接收开销 跨越时间：数字信号从发送方的线路端传送到接收方的线路端所经过的时间。 传输时间：全部的消息量除以线路带宽。 8.1 引 言 通信延迟的隐藏 如何才能较好地将通信和计算或多次通信之间重叠起来，以实现通信延迟的隐藏。 通常的原则：只要可能就隐藏延迟。 通信延迟隐藏是一种提高性能的有效途径，但它对操作系统和编程者来讲增加了额外的负担。 不同通信机制的优点 共享存储器通信的主要优点 与常用的对称式多处理机使用的通信机制兼容。 易于编程，同时在简化编译器设计方面也占有优势。 8.1 引 言 当通信数据量较小时，通信开销较低，带宽利用较好。 通过硬件控制的Cache减少了远程通信的频度，减少了通信延迟以及对共享数据的访问冲突。 消息传递通信机制的主要优