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并行计算机体系结构课件
目录
CONTENTS
并行计算机体系结构概述
并行计算机体系结构分类
并行计算机硬件系统
并行计算机操作系统
并行算法设计
并行计算机性能评估与优化
并行计算机体系结构概述
并行计算机是指具有多个处理单元（PU）的计算机系统，这些处理单元可以同时执行多个操作。
并行计算机分为单指令多数据流（SIMD）和多指令多数据流（MIMD）两种类型。
SIMD并行计算机在每个时钟周期内对一组数据进行相同的操作，而MIMD并行计算机则可以同时执行不同的指令。
01
并行计算机可以提高计算速度和效率，特别是在处理大规模数据集和进行复杂计算时。
02
并行计算机可以解决许多科学、工程和其他领域的计算问题，如天气预报、物理模拟、图像处理等。
03
并行计算机在军事、航空航天、医学等领域也有广泛的应用。
01
早期的并行计算机采用共享内存架构，后来逐渐发展为分布式内存架构。
随着技术的发展，并行计算机的规模和性能不断提高，目前已经出现了许多超级计算机和集群系统。
未来的并行计算机将继续朝着更高性能、更低能耗和更易扩展的方向发展。
并行计算机的历史可以追溯到20世纪60年代，当时人们开始研究如何将多个处理单元集成到一个系统中。
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并行计算机体系结构分类
适用于大规模并行计算，如图像处理、科学计算等
MIMD体系结构（MultipleInstruction,MultipleData）
每个处理机执行不同的操作，处理不同的数据
适用于多任务并行计算，如实时系统、搜索引擎等
单一指令，多数据流体系结构（SingleInstruction,MultipleData）
每个处理机执行相同的操作，处理不同的数据
各个处理机之间通过消息传递进行通信
共享内存模型
适用于多处理器系统，如多核CPU、GPU等
消息传递模型
适用于分布式系统，如网格计算、云计算等
各个处理机共享内存空间，通过内存进行数据交换
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01
高性能计算集群
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通过高速网络连接多个高性能计算机节点
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适用于大规模科学计算、天气预报等应用
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云计算平台
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通过虚拟化技术将多个计算资源抽象为一个云平台
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适用于弹性扩展、按需付费的计算需求，如Web服务、企业应用等
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超立方体具有高连通性和低延迟的特点，适用于大规模并行计算和高性能计算领域
超立方体是一种特殊的网络拓扑结构，每个节点与其它节点都有连接
并行计算机硬件系统
并行处理单元是并行计算机的核心部件，它负责执行并行计算任务。
并行处理单元通常采用多处理器结构，每个处理器都可以独立执行计算任务。
并行处理单元可以通过共享内存或分布式内存来存储数据。
并行处理单元还可以通过消息传递或共享内存来通信。
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存储层次结构是并行计算机中不同类型存储器的组合方式。
存储层次结构通常包括寄存器、高速缓存、主存和外部存储器。
寄存器是速度最快的存储器，用于存储需要快速访问的数据。
高速缓存是速度较快的存储器，用于存储经常访问的数据。
主存是速度较慢的存储器，用于存储大量数据。
外部存储器是速度最慢的存储器，用于存储大量需要长期保存的数据。
高速缓存用于加速数据访问，通常分为一级高速缓存和二级高速缓存。
内存管理负责分配和管理内存空间，以避免不同程序之间的干扰和冲突。
内存管理可以通过分段、分页、虚拟内存等技术实现。
I/O设备是并行计算机与外部设备进行通信的接口。
I/O设备通常包括硬盘、光驱、键盘、鼠标等。
网络连接是并行计算机之间进行通信的接口。
网络连接通常包括以太网、光纤等通信协议。
并行计算机操作系统
03
并行操作系统结构
并行操作系统通常由进程管理、资源管理和任务调度等几个核心部分组成。
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并行操作系统定义
并行操作系统是一种能够同时处理多个任务的计算机操作系统。
02
并行计算机分类
根据并行程度的不同，并行计算机可分为多处理器计算机、多核处理器计算机和分布式计算网络。
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进程是计算机中的程序关于某个数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的基本单位。
进程定义与作用
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线程是进程内的一个执行路径，是系统调度和执行的基本单位。
线程定义与作用
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一个进程可以包含多个线程，线程共享进程的资源，但也可以有自己的执行路径和局部变量。
进程与线程关系
资源定义
资源是计算机系统中有限的物理或逻辑资源，如处理器、内存、磁盘等。
资源分配方式
并行操作系统通常采用静态和动态两种方式进行资源分配。
资源共享与竞争
多个进程或线程可以共享资源，但也可能存在竞争，需要进行有效的管理和控制。
任务调度是并行操作系统中的一个重要功能，它负责按照一定的策略将任务分配给处理器执行。
任务调度定义
负载平衡可以
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