计算机组成与系统结构课件：并行体系结构.pptxVIP

并行体系结构;

9.1计算机体系结构的并行性;

并行计算机系统最主要的特性就是并行性。并行性是指计算机系统同时运算或同时操作的特性,它包括同时性与并发性两种含义。同时性是指两个或两个以上事件在同一时刻发生,并发性是指两个或两个以上事件在同一时间间隔内发生。并行机制可以加速计算机系统的运行速度。;

在计算机系统中,实现并行机制的途径有多种,可以归纳为以下四类:

(1)时间重叠:运用的是时间并行技术,它通过让多个处理任务或子任务同时使用系统中的不同功能部件,使系统处理任务的吞吐量增大,从而达到使系统运行速度提高的目的。

(2)资源重复:运用的是空间并行技术,它通过大量重复设置硬件资源,使多个处理任务或子任务同时使用系统中的多个相同功能的部件,使系统处理任务的吞吐量增大,从而达到使系统运行速度提高的目的。;

(3)时间重叠+资源重复:同时运用时间并行和空间并行技术,这已成为当前并行机制的主流。

(4)资源共享:与前三种硬件方式不同,这是一种软件方式,通过操作系统的调度使多个任务按一定规则(如时间片)轮流使用同一设备。资源共享既可以降低成本,提高设备利用率,又可以实现多任务分时并行处理。;

在计算机系统中,可以在不同层次引入并行机制,如图9.1所示。当多个CPU或者处理元件紧密连在一起时,它们之间具有高带宽和低时延,而且是亲密计算,通常称之为紧耦合(TightlyCoupled);相反,当它们距离较远时,具有低带宽、高时延,而且是远程计算,通常称之为松耦合(LooselyCoupled)。从片内并行、协处理器、多处理器、多计算机到云计算,随着计算机体系结构并行层次的上移,系统从最底层紧耦合的系统开始逐步转变到高层松耦合的系统。;;

1.片内并行

片内并行是在计算机体系结构的最底层———芯片内部引入的一种并行机制,即并行行为都发生在一个单独的芯片内部。它实现加速的方法是使芯片在同一时间内完成更多工作,从而增加芯片吞吐量。片内并行的第一种形式是指令级并行,允许多条指令在片内流水线的不同功能单元上并行执行。第二种形式是芯片多???程,在这种并行中,CPU可以在多个线程之间来回切换,产生虚拟多处理器。第三种形式是单片多处理器(多核CPU),即在同一个芯片中设置了两个或者更多个处理器内核,并且允许它们同时运行。;

2.协处理器

协处理器(Coprocessor)是为减轻主处理器负担、协助主处理器完成特定工作的专用处理器。主处理器和协处理器并行工作可使计算机速度得到提高。

指令级并行对提高速度有帮助,但流水线和超标量体系结构对速度的提高很难超过10倍以上。如果要将计算机系统性能提高百倍、千倍甚至百万倍,唯一的办法就是使用多个甚至成千上万个CPU,让它们连接成一个大的系统,一起并行高效地工作。由多个CPU构成的系统分为多处理器系统和多计算机系统。这两种设计的核心是CPU间的相互通信,主要区别是它们是否有共享的内存,这种区别影响着并行计算机系统的设计、构建、编程、规模和价格。;

3.多处理器

所有的CPU共享公共内存的并行计算机称为多处理器系统,如图9.2(a)所示。运行在多处理器上的所有进程能够共享映射到公共内存的单一虚拟地址空间。任何进程都能通过执行Load或者Store指令来读或写一个内存字,其余工作由硬件来完成。采用一个进程先把数据写入内存然后由另一个进程读出的方式,两个进程之间可以进行通信。;;

4.多计算机

多计算机系统是由具有大量CPU但不共享公共内存的系统构成的。在多计算机系统中,每个CPU都有私有本地内存,私有内存只能供CPU自己通过执行Load和Store指令来使用,其他CPU则不能直接访问,这种体系结构也被称为分布式内存系统(DistributedMemorySystem,DMS),如图9.2(b)所示。当处理器Pi发现Pj有它需要的数据时,它给Pj发送一条请求数据的消息,然后Pi进入阻塞(即等待),直到请求被响应。当消息到达Pj后,Pj的软件将分析该消息并把响应消息和需要的数据发送给Pi。当响应消息到达Pi后,Pi软件将解除阻塞、接收数据并继续执行。所以,进程间通信通常使用Send和Receive这样的软件原语实现。;

5.云计算

到目前为止,使具有不同计算机操作系统、数据库和协议的不同组织一起工作,进而共享资源和数据,还是非常困难的。然而,不断增长的对大规模组织间协作的需求引领了新的系统和技术的开发。云计算(CloudComputing)是网格计算(GridComputing)、分布计算(Distribut