“计算机组成与系统结构”(第8章).ppt

计算机组成与系统结构 上海交通大学 网络教育学院 陈泽宇 博士、副教授 前言 第1章 计算机系统概论 第2章 运算方法和运算器 第3章 存储系统 第4章 指令系统 第5章 中央处理器 第6章 总线系统 ×第7章 外围设备 第8章 输入输出系统 第9章 并行组织 第9章 并行组织 9.1 体系结构的并行性 × 9.2 互连网络 9.3 向量处理机 9.4 阵列处理机 9.5 多处理机系统 9.6 机群系统 9.1 体系结构的并行性 9.1.1 并行性的概念 9.1.2 提高并行性的技术途径 9.1.3 单机系统中并行性的发展 9.1.4 多机系统中并行性的发展 9.1.1 并行性的概念 所谓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： 字串位串 同时只对一个字的一位进行处理 不存在并行性 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 开始出现并行性 字并位串 同时对许多字的同一位进行处理 有较高的并行性。 全并行 同时对许多字的全部位进行处理 最高一级的并行性 从执行程序的角度看，并行性等级从低到高可分为： 指令内部并行 一条指令执行时各微操作之间的并行 指令级并行 并行执行两条或多条指令 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） 作业或程序级并行 并行执行两个以上作业或程序 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 9.1.2 提高并行性的技术途径 计算机系统中提高并行性的措施多种多样，就其基本思想而言，可归纳成如下四条途径： 时间重叠 即时间并行 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 资源重复 即空间并行 通过重复设置硬件资源，大幅度提高计算机系统的性能 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 在计算机系统中广泛应用，成为并行性主流技术 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 9.1.3 单机系统中并行性的发展 时间并行（流水方式） 实现时间并行的物质基础是“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 时间并行技术开发了计算机系统中的指令级并行 空间并行 在单处理机中，通用部件被分解成若干个专用操作部件 一条指令所需的操作只要空闲，就可以开始执行这条指令，这就是指令级并行 资源共享 在单处理机中，资源共享的概念实质上是用单处理机模拟多处理机的功能，形成所谓虚拟机的概念 例如分时系统，在多终端情况下，每个终端上的用户感到好像自己有一台处理机一样 9.1.4 多机系统中并行性的发展 为了反映多机系统各机器之间物理连接的紧密程度与交互能力的强弱，使用了耦合度这样一个术语 多机系统的耦合度，分为紧耦合系统和松耦合系统两大类 紧耦合系统 又称直接耦合系统 指计算机间物理连接的频带较高，一般是通过总线或高速开关实现计算机间的互连 可以共享主存 松耦合系统 又称间接耦合系统 一般是通过通道或通信线路实现计算机间的互连 可以共享外存设备 多处理机中为了实现时间重叠，将处理机功能分散给各专用处理机去完成，即功能专用化，从而发展成为异构型多处理机系统 通过设置多台相同类型的计算机而构成的容错系统，可使系统工作的可靠性在处理机一级得到提高 为了使并行处理的任务能在处理机之间随机地进行调度，就必须使各处理机具有同等的功能，从而成为同构型多处理机系统 9.3 向量处理机 9.3.1 向量处理的基本概念 9.3.2 向量处理机的结构 9.3.1 向量处理的基本概念 1．向量处理 × 2．向量处理方法 1．向量处理 向量处理机是指令级并行的一类机器 能较好地发挥流水线技术的特性，可以达到较高的计算速度 新型向量流水处理机则采用了多处理机的体系结构 向量处理 从数学的概念上讲，标量是指单个量，而向量是指一组标量 一条向量指令可以处理N个或N对操作数，我们把这N个互相独立的数叫做向量，对这样一组数的运算叫做向量处理 因此，向量指令的处理效率要比标量指令的处理效率高得多 9.3.2 向量处理机的结构 为了提高通用性，向量处理机应同时具有处理向量和处理标量的功能，使向量硬件和标量硬件的资源得到充分利用 × 1．存储器-