第六章 并行计算机访存模型.doc

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并行计算机体系结构讲义 I、引入: 计算机系统结构的分类(从计算机系统结构的并行性能出发) 弗林(Flynn)分类法 ??? 1966年M.J.Flynn按照指令流和数据流(所谓指令流是计算机在计算过程中执行的一串指令;而数据流是指令执行过程中的一串数据。)的不同组织方式,把计算机系统的结构分为以下4类: ???1. 单指令流,单数据流(SISD)——这就是一个单处理器。 2. 单指令流,多数据流(SIMD)——同一指令由多个处理器执行,这些处理器使用不同数据流,有各自的数据内存,但共享一个指令内存和控制处理器(负责存取和发送指令)。处理器通常是专用的,不要求通用性。 3. 多指令流,单数据流(MISD)—— 4. 多指令流,多数据流(MIMD)——每个处理器存取自己的指令,操作自己的数据。处理器通常就采用普通的微处理器。 这是一个粗略的模型分类,许多机器是这些类型的混合体。SISD是传统的顺序处理计算机。SIMD以阵列处理机为代表。MISD在实际中代表何种计算机,存在着不同的看法。MIMD的代表是多处理机。 二、并行性技术 一个理想的计算机系统结构应在处理速度、存储容量和I/O吞吐能力三者之间取得平衡。而并行性技术是实现这种平衡的主要手段。并行性技术包括时间并行、空间并行、时间并行+空间并行、资源共享4种方法。 也就是说, 计算机系统中提高并行性的措施就其基本思想而言,可归纳如下4条途径: (1) 时间重叠:即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。因此时间重叠可称为时间并行技术。 (2) 资源重复:在并行性概念中引入空间因素,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使用,而多处理机本身就是实施“资源重复”原理的结果。因此资源重复可称为空间并行技术。 (3) 时间重叠+资源重复:在计算机系统中同时运用时间并行和空间并行技术,这种方式在计算机系统中得到广泛使用,成为并行性主流技术。 (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。 II、讲授内容: 并行性的概念: 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——两个或两个以上的事件在同一时刻发生。 ??? 并发性——两个或两个以上的事件在同一时间间隔发生。 ??? 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: ??? (1)字串位串:同时只对一个字的一位进行处理。这是最基本的串行处理方式,不存在并行性。 ??? (2)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。 ??? (3)字并位串:同时对许多字的同一位进行处理。这种方式有较高的并行性。 ??? (4)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。 ??? 从执行程序的角度看,并行性等级从低到高可分为: ??? (1)指令内部并行:一条指令执行时各微操作之间的并行。 ??? (2)指令级并行:并行执行两条或多条指令。 ??? (3)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)。 ??? (4)作业或程序级并行:并行执行两个以上作业或程序。 ??? 在单处理机系统中,这种并行性升到某一级别后(如任务级或作业级并行),则需要通过软件(如操作系统中的进程管理、作业管理)来实现。而在多处理机系统中,由于已有了完成各个任务或作业的处理机,其并行性是由硬件实现的。 ??? 在一个计算机系统中,可以采取多种并行性措施。既可以有数据处理方面的并行性,又可以有执行程序方面的并行性。当并行性提高到一定级别时,则称之为进入并行处理领域。 ??? 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。因此,并行处理是系统结构、硬件、软件、算法、语言等多方面综合研究的领域。 单机系统中并行性的发展 在发展高性能单处理机过程中,起着主导作用的是时间重叠原理。实现时间重叠的物质基础是“部件功能专用化”,即把一件工作按功能分割为若干相互联系的部分,把每一部分指定给专门的部件完成;然后按时间重叠原理把各部分执行过程在时间上重叠起来,使所有部件依次分工完成一组同样的工作。例如解释指令的5个子过程分别需要5个专用部件,即取指令部件(IF)、指令译码部件(ID)、指令执行部件(EX)、访问存储器部件(M)、写回结果部件(WB)。将它们按流水方式连接起来,就满足时间重叠原理,从而使得处理机内部同时处理多条指令,提高了处理机

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