计算机体系结构(金星)第一章体系结构基本概念之二

ComputerArchitecture(计算机体系结构),主讲人：金星QQ:65149264Email:jinxing,1.5系统结构中的并行性及其发展,一、并行性的概念,1并行性的定义并行性的开发是提高系统结构性能的主要手段之一并行性的定义：解题中具有可以同时进行运算或操作的特性，称为并行性。并行性的分类：同时性：两个或多个事件在同一时刻发生；并发性：两个或多个事件在同一时间间隔内发生。,2并行性的等级,按照不同的角度与标准可以分为不同的等级(1)从执行程序的角度看l指令内部并行：指令内部的微操作之间的并行。l指令级并行：并行执行两条或多条指令。l任务级或过程级并行：并行执行两个或多个过程或任务(程序段)。l作业或程序级并行：在多个作业或程序间的并行。,(2)从处理数据的角度,字串位串WSBS(wordserialandbitserial)每次只能处理一个字的一位，第一代计算机发展初期的纯串行计算机。字串位并WSBP(wordserialandbitparallel)每次处理一个字的n位，如STARAN,MPP,DAP等传统的位并行单处理机属于这种结构。,字并位串WPBS(wordparallelandbitserial)一次处理m个字中的一位，这是传统并行单处理机,字并位并WPBP(wordparallelandbitparallel)全并行方式，每次处理m个字的n位，大多数阵列处理机和多处理机都是这种结构，例如，PEPE,ILLIAC4,Cmmp。,主要缺点：仅考虑了数据的并行性，没有考虑指令、任务、作业的并行。,(3)从信息加工的各阶段的并行性来看，可分为存储器操作并行；处理器操作步骤并行；处理器操作并行；指令、任务、作业并行,3并行性开发的途径,（1）时间重叠：多个处理过程在时间上错开，轮流重叠的使用同一套硬件的各部分。,并行性开发的途径,（2）资源重复：重复设置硬件资源提高可靠性与性能。（3）资源共享：利用软件的方法让多个用户按照一定的时间顺序轮流使用同一套资源，提高资源利用率。,二、并行处理系统的结构,1并行处理系统的分类流水线计算机通过时间重叠让多个部件在时间上交错重叠地并行执行运算和处理。阵列处理机大量的设置算逻运算单元，在同一控制部件的作用下同时运算和处理。多处理机系统共享输入/输出子系统、数据库资源、或主存的一组处理机，在操作系统的统一控制下，实现异步并行。数据流计算机由数据驱动程序执行。,2多机系统的耦合度,各计算机之间的联系紧密程度。l最低耦合：除通过某种中间存储介质之外，各计算机之间没有物理连接，也没共享的联机硬件资源。l松散耦合：通过通道或通信线路实现机间互连，共享某些外围设备，这些计算机或者是功能专用化，或者是为了资源共享。l紧密耦合系统：机间物理连接的频带较高，通过总线或高速开关实现互连，可以共享主存，具有较高的数据传输率。,3Flynn分类法,1966年M.J.Flynn提出Flynn分类法:根据指令流和数据流的多倍性对计算机系统结构进行分类，基本思想:是计算机工作过程是指令流的执行和数据流的处理。,Flynn分类法单指令流单数据流SISD;单指令流多数据流SIMD;多指令流单数据流MISD;多指令流多数据流MIMD;,SISD:SingleInstructionStreamSingleDataStream,Flynn分类SISD,典型的SISD机器：传统的顺序计算机SISD机器结构：CU：控制部件IS：指令流PU：处理部件DS：数据流MU：存储部件,典型的SISD:冯诺依曼结构,典型结构：冯诺依曼结构-传统的顺序计算机,Flynn分类SIMD,SIMD:SingleInstructionStreamMultipleDataStream,超级计算机，单控制器、多处理单元和多对数据进行处理，重复计算增加可靠性PE：处理单元MM：本地存储器（分布存储器）,Flynn分类MISD,MultipleInstructionStreamSingleDataStream,多个处理器，对同一数据流进行处理用于图像处理,Flynn分类MIMD,说明：IS指令流DS数据流CS控制流CU控制部件PE处理部件MM存储器模块,Flynn分类法的缺点,(1)分类太粗例如：在SIMD中包括有多种处理机；对流水线处理机的划分不明确，标量流水线为SISD，向量流水线为SIMD,（2）根本问题是把两个不同等级的功能并列对待，通常，数据流受指令流控制，从而造成MISD不存在。,（3)非冯计算机的分类？其它新型计算机的分类？,(2)DavidJ.Kuck分类法,四种结构：单指令流单执行流SISE：典型的单处理机单指令流多执行流SIME：带多操作部件的处理机多指令流单执行流MISE：带指令级多道程序的单处理机多指令流多执行流MIME：多处理,1978年，美国DavidJ.Kuck提出与Flynn相似的方法：用指令流、执行流、多倍性来描述,DavidJ.Kuck分类法主要缺点,有些系统，如分布处理机等，没有总控制器；分类级别太低，没有处理机级和机器级；分类太粗，如SIME中包含了多种类型的处理机；,冯氏分类法（1972年，美籍华人冯泽云教授提出）,最大并行度是指计算机单位时间内能够处理的最大的二进制位数。,(1)字串位串，WSBSn=1,m=1(2)字并位串，WPBSn1,m=1(3)字串位并，WSBPn=1,m1(4)字并位并，WPBPn1,m1,n:一个字中同时处理二进制的位数；m:一个位片或功能部件中能同时处理的字数。,按并行度分类法3-冯泽云分类法（2）,（1）字串位串WSBS(wordserialandbitserial)每次只能处理一个字的一位，第一代计算机发展初期的纯串行计算机。（2）字串位并WSBP(wordserialandbitparallel)每次处理一个字的n位，如STARAN,MPP,DAP等传统的位并行单处理机属于这种结构。,按并行度分类法3-冯泽云分类法（3）,字并位串WPBS(wordparallelandbitserial)一次处理m个字中的一位，这是传统并行单处理机,按并行度分类法3-冯泽云分类法（4）,字并位并WPBP(wordparallelandbitparallel)全并行方式，每次处理m个字的n位，大多数阵列处理机和多处理机都是这种结构，例如，PEPE,ILLIAC4,Cmmp。,主要缺点：仅考虑了数据的并行性，没有考虑指令、任务、作业的并行。,按并行度分类法4-Handler分类法,Handle在1977根据并行度和流水线分类，计算机的硬件结构分成三个层次，并分别考虑它们的可并行性和流水处理程度。程序级k：程序控制部件(PCU)的个数k;操作级d：算术逻辑器件(ALU)或处理部件(PE)的个数d;逻辑级w：每个算术逻辑部件包含的基本逻辑线路(ELC)的套数w;一个计算机系统的结构可用如下公式表示：t(系统型号)（k,d,w）例如：t(PDP11)=(1,1,16)t(ILLIAC4)=(1,64,64)t(STARAN)=(1,8194,1)t(Cmmp)=(16,1,16),你来设计：哪种结构更好？,假设：条件分支功能两种设计方法CPUA：一个比较指令+一个分支指令CPUB：一个较复杂的分支指令相同点：分支指令CPI均为2，其他指令CPI为1，且对CPUA而言，分支指令的使用频率为20%。计算两者的平均CPI。如果CPUB的时钟周期为前者的1.25倍，哪种设计更合算？,假如你是阿姆达尔,计算机系统有3个部件可