16计算机体系结构中并行性的发展

1／181.6计算机体系结构中并行性的发展1.6.1并行性概念1.并行性在同一时刻或是同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不相同的工作。只要时间上互相重叠，就存在并行性。第一章计算机体系结构的基本概念2／18◆同时性两个或多个事件在同一时刻发生的并行性。◆并发性两个或多个事件在在同一时间间隔内发生的并行性。1.6计算机体系结构中并行性的发展3／182.计算机系统中的并行性有不同的等级◆指令内部并行：指令内部的微操作之间的并行。◆指令级并行：并行执行两条或多条指令。◆线程级并行：并发执行多个线程，通常是以一个进程内控制派生的多个线程为调度单位。(1)从执行程序的角度看，并行性等级从低到高可分为1.6计算机体系结构中并行性的发展4／18◆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)。◆作业或程序级并行：在多个作业或程序间的并行。1.6计算机体系结构中并行性的发展5／18(2)从处理数据的角度，并行性等级从低到高可以分为◆字串位串:同时只对一个字的一位进行处理。◆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。◆字并位串：同时对许多字的同一位(称位片)进行处理。◆全并行：同时对许多字的全部或部分位进行处理。1.6计算机体系结构中并行性的发展6／181.6.2提高并行性的技术途径1.三种途径(1)时间重叠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，以加快硬件周转而赢得速度。1.6计算机体系结构中并行性的发展7／18(3)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。1.6计算机体系结构中并行性的发展(2)资源重复根据“以数量取胜”的原则，通过重复地设置资源，尤其是硬件资源，以大幅度提高计算机系统的性能。8／182.单机系统中并行性的发展(1)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这个途径。实现时间重叠的基础:部件功能专用化。◆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；◆然后按时间重叠原则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。1.6计算机体系结构中并行性的发展9／18IFIDEXMWBIFIDEXMWBIFIDEXMWBIFIDEXMWBIFIDEXMWBIFIDEXMWBIFIDEXMWB指令i指令i+1指令i+2指令i指令i+1指令i+2指令i+3时间串行执行流水执行例如对于解释指令的五个过程，就分别需要五个专用的部件，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)和写结果部件(WB)。10／18先行控制指令流水线，操作流水线向量处理机异构型（非对称型）多处理机系统由多个不同类型、至少担负不同功能的处理机组成，按照作业要求的顺序，利用时间重叠原理，依次对它们的多个任务进行加工，各自完成规定的功能动作。1.6计算机体系结构中并行性的发展11／18部件冗余多操作部件，多存储体并行处理机，相联处理机同构型（对称型）多处理机系统(2)在单处理机中，资源重复的运用已经普遍起来。由多个同类型，至少担负同等功能的处理机组成，同时处理同一作业中能并行执行的多个任务。1.6计算机体系结构中并行性的发展12／18(3)资源共享实质：用单处理机模拟多处理机的功能，形成所谓虚拟机的概念。多道程序，分时系统多终端，远程终端智能终端分布处理系统把若干个具有独立功能的处理机（或计算机）相互连接起来，在操作系统全盘控制下，统一协调地工作，而最少依赖集中的程序、数据或硬件。1.6计算机体系结构中并行性的发展13／183.多机系统中并行性的发展(1)耦合度反映多机系统的各机器之间的物理连接的紧密程度和交互作用能力的强弱。◆最低耦合耦合度最低的系统。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，也无共享的联机硬件资源。1.6计算机体系结构中并行性的发展14／18◆松散耦合或间接耦合系统通过通道或通信线路实现计算机间互连，共享某些外围设备(例如磁盘、磁带等)，机间的相互作用是在文件或数据集一级进行。◆紧密耦合系统或直接耦全系统机间物理连接的频带较高，它们往往通过总线或高速开关实现互连，可以共享主存。1.6计算机体系结构中并行性的发展15／18(2)功能专用化专用外围处理机（松散耦合系统）高级语言处理机、数据库处理机异构型多处理机系统(3)机间互连可重构、容错多处理机紧密耦合系统同构型多处理机系统1.6计算机体系结构中并行性的发展16／18(4)网络化通信处理机，远程网络局部计算机网分布处理系统1.6计算机体系结构中并行性的发展比较项目同构型多处理机异构型多处理机分布处理系统目的提高系统性能(可靠性、速度)提高系统使用效率兼顾效率与性能技术途径资源重复(机向互连)时间重迭(功能专用化)资源共享(网络化)组成同类型(同等功能)不同类型(不同功能)不限制分工方式任务分布功能分布硬件、软件、数据等各种资源分布工作方式一个作业由多机协同并行地完成一个作业由多机协同串行地完成一个作业由一台处理机完成，必要时才请求它机协作控制形式常采用浮动控制方式采用专用控制方式分布控制方式耦合度紧密耦合紧密、松散耦合松散、紧密耦合对互连网络的要求快速性、灵活性、可重构性专用性快速、灵活、简单、通用三种类型多处理机比较18／181.6.3并行计算的应用需求◆应用需求永远是计算机系统性能提高的最大动力。◆并行计算则是满足永无止境计算能力要求的几乎唯一可行的出路。1.6计算机体系结构中并行性的发展