計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)15

1、1-5 并發(fā)性發(fā)展及計算機系統(tǒng)的分類主要內(nèi)容：并行性概念 計算機系統(tǒng)的并行性發(fā)展 并行處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與多機系統(tǒng)的耦合度 計算機系統(tǒng)的分類 1并行性概念 只要在同一時刻或是在同一時間間隔內(nèi)完成兩種或兩種以上性質(zhì)相同或不同的工作，它們在時間上能互相重疊。同時性（Simultaneity）：兩個或多個事件在同一時刻發(fā)生。并發(fā)性（Concurrency）：兩個或多個事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生。 2從計算機系統(tǒng)執(zhí)行程序角度來看 從低到高分為：指令內(nèi)部-微操作之間-硬件和組成技術(shù)指令之間-多條指令并行執(zhí)行-相關(guān)問題任務(wù)或進程之間-任務(wù)或程序段-任務(wù)分解作業(yè)或程序之間-作業(yè)或多道程序-并行算法 3從處理數(shù)據(jù)的

2、并行性來看 從低到高分為：位串字串位并字串位片串字并全并行4從計算信息加工的各個步驟和階段來看 存儲器操作并行 例：單體多字-并行存儲器 多體多字-相聯(lián)存儲器處理器操作步驟并行 指令各個微操作間，具體操作的執(zhí)行步驟之間 例：流水處理機5處理器操作并行 設(shè)置大量重復(fù)的處理單元，同一控制器 例：并行處理機指令、任務(wù)、作業(yè)并行 高級，多個處理機同時對多條指令及相關(guān)數(shù)據(jù)進行處理6并行性開發(fā)途徑 時間重疊（Time Interleaving）是在并行性概念中引入時間因素，讓多個處理過程在時間上相互錯開，輪流重疊地使用同一套硬件設(shè)備的各個部分，以加快硬件周轉(zhuǎn)而贏得速度。舉例：流水線分離、細化功能部件流水線

3、功能不同的多機系統(tǒng)異構(gòu)型多處理機系統(tǒng)7指令流水線舉例取指分析執(zhí)行kK+1kkK+1K+1K+2K+2K+2部件分析取指執(zhí)行時間8并行性開發(fā)途徑（續(xù)）資源重復(fù)（Resource Replication）：是在并行性概念中引入空間因素，通過重復(fù)設(shè)置硬件資源來提高可靠性或性能。多操作部件和多體存儲器相聯(lián)、并行處理機同構(gòu)型多處理機系統(tǒng)9CUPE(0)PE(1)PE(N-1)資源重復(fù)的例子10并行性開發(fā)途徑（續(xù)）資源共享（Resource Sharing）：是利用軟件的方法讓多個用戶按一定時間順序輪流地使用同一套資源，以提高其利用率，這樣也可以提高整個系統(tǒng)的性能。網(wǎng)絡(luò)打印機多道程序、分時OS 真正的處理

4、機代替虛擬機分布處理系統(tǒng)11計算機系統(tǒng)的并行性發(fā)展 1960年以前 算術(shù)運算的位運算（EDSAC、EDVAC、UNIVAC1）輸入輸出間操作的并行直接存儲器訪問（DMA）IBM709系列1960年至1970年流水線單處理機多功能部件流水線多道程序分時系統(tǒng)12計算機系統(tǒng)的并行性發(fā)展(續(xù)）1970年至1980年多種并行處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，例：向量、陣列、相聯(lián)等1980年至1990年RISC、多處理機、數(shù)據(jù)流機、智能機1990年以來MPP:Massively Parallel Processor 大規(guī)模并行處理機SMP:Symmetric Multiprocessor 對稱多處理機Cluster:機群、集

5、群13并行處理計算機的結(jié)構(gòu) 流水線計算機（時間重疊）陣列處理機（資源重復(fù)）多處理機系統(tǒng)（資源共享）數(shù)據(jù)流計算機 14流水線計算機： 主要通過時間重疊，讓多個部件在時間上交錯重疊地并行執(zhí)行運算和處理，以實現(xiàn)時間上的并行。陣列處理機： 主要通過資源重復(fù)，設(shè)置大量算術(shù)邏輯單元，在同一控制部件作用下同時運算和處理，以實現(xiàn)空間上的并行。15多處理機系統(tǒng)： 主要通過資源共享，讓共享輸入/輸出子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫資源及共享或不共享貯存的一組處理機在統(tǒng)一的操作系統(tǒng)全盤控制下，實現(xiàn)軟件和硬件各級上相互作用，達到時間和空間上的異步并行。16多機系統(tǒng)指的是多處理機系統(tǒng)和多計算機系統(tǒng) 多處理機系統(tǒng)：是由多臺處理機組成的單一

6、計算機系統(tǒng)，各處理機都可有自己的控制部件，可帶自己的局部存儲器，能執(zhí)行各自的程序。受邏輯上統(tǒng)一的操作系統(tǒng)控制。17多計算機系統(tǒng)：是由多臺獨立的計算機組成的系統(tǒng)，各計算機分別在邏輯上獨立的操作系統(tǒng)控制下運行，機間可以互不通信，即使通信也只是經(jīng)通道或通信線路以文件或數(shù)據(jù)集形式進行，實現(xiàn)多個作業(yè)的并行。 18多機系統(tǒng)的耦合度 反映多機系統(tǒng)中各機器之間物理連接的緊密程度和交叉作用能力的強弱。最低耦合系統(tǒng)（Least Coupled System）：各種脫機系統(tǒng) 松散耦合系統(tǒng)（Loosely Coupled System）：如果多臺計算機通過通道或通信線路實現(xiàn)互連，共享某些磁帶、磁盤等外圍設(shè)備，以較低頻

7、帶在文件或數(shù)據(jù)集一級相互作用。間接耦合系統(tǒng)19緊密耦合系統(tǒng)（Tightly Coupled System）：如果多臺機器之間通過總線或高速開關(guān)互連，共享主存，并有較高的信息傳輸速度，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)集一級、任務(wù)級、作業(yè)級的并行。直接耦合系統(tǒng) 20SMP服務(wù)器CPU利用率狀態(tài) 21MPP服務(wù)器架構(gòu) 22計算機系統(tǒng)的分類 1966年Michael J,Flynn 1978年David J.Kuck：用指令流和執(zhí)行流（Execution Stream）及其多倍性來描述計算機系統(tǒng)總控制器的結(jié)構(gòu)特征1972年馮澤云：提出用數(shù)據(jù)處理的并行度來定量地描述各種計算機系統(tǒng)特性 。23MICHAEL J,FLYNN分

8、類指令流：是指機器執(zhí)行的指令序列。數(shù)據(jù)流：是指指令流調(diào)用的數(shù)據(jù)序列，包括輸入數(shù)據(jù)和中間結(jié)果。多倍性：是指在系統(tǒng)性能瓶頸部件上處于同一執(zhí)行階段的指令或數(shù)據(jù)的最大可能個數(shù)。 24MICHAEL J,FLYNN分類SISD 單指令流單數(shù)據(jù)流 傳統(tǒng)的單處理機屬于SISD計算機SIMD 單指令流多數(shù)據(jù)流 并行處理機是SIMD計算機的典型代表 我國的YH-I型是此類計算機型25MISD 多指令流單數(shù)據(jù)流 實際上不存在，但也有學(xué)者認為存在MIMD 多指令流多數(shù)據(jù)流 包括了大多數(shù)多處理機及多計算機系統(tǒng) 我國的YH-II型計算機是這種類型的計算機26CUPUMMCSDSISSISDCU：控制部件，PU：處理機，

9、MM：主存模塊，SM：共享主存, IS：指令流，CS：控制流，DS：數(shù)據(jù)流CUPU1PU2PUnMM1MM2MMmDS1DS2DSnCSISSIMDSM27CU：控制部件，PU：處理機，MM：貯存模塊，SM：共享主存，IS：指令流，CS：控制流，DS：數(shù)據(jù)流CU1PU1PU2PUnMM1MM2MMmDSDSCS1ISnMISDSMCU2CUnCS2CSnIS2IS128CU：控制部件，PU：處理機，MM：貯存模塊，SM：共享主存，IS：指令流，CS：控制流，DS：數(shù)據(jù)流CU1PU1PU2PUnMM1MM2MMmDS1DSnCS1ISnMIMDCU2CUnCS2CSnIS2IS1DS229DAV

10、ID J.KUCK分類 用指令流和執(zhí)行流（Execution Stream）及其多倍性來描述計算機系統(tǒng)總控制器的結(jié)構(gòu)特征。 SISE：單處理機系統(tǒng) SIME：多操作部件的處理機MISE：帶指令級多道程序的單處理機MIME：多處理機 30馮澤云分類 用數(shù)據(jù)處理的并行度來定量地描述各種計算機系統(tǒng)特性。 WSBS（字串位串） WSBP（字串位并）WPBS（字并位串）WPBP（字并位并） 位片寬字寬SISDSIMD（MPP）SIMDMIMD1mn1mn31VON NEUMANN結(jié)構(gòu)計算機運算器ALU控制器輸出設(shè)備輸入設(shè)備存儲器32馮諾依曼的設(shè)計思想“程序存儲”核心思想計算機的程序和數(shù)據(jù)可以一同存在于存

11、儲器中，計算機通過在存儲器中順序讀取程序來獲取指令33主存儲器程序控制器I/O設(shè)備算術(shù)邏輯單元存儲數(shù)據(jù)和指令對二進制數(shù)進行算術(shù)和邏輯運算控制內(nèi)存中的指令并執(zhí)行系統(tǒng)的輸入輸出設(shè)備34存儲程序控制 STORED PROGRAM CONTROL 實現(xiàn)指令流程的三或四個階段 取指令 取操作數(shù) 執(zhí)行指令 寫回結(jié)果35VON NEUMANN機結(jié)構(gòu)的主要特征 存儲器是順序線性編址的一維結(jié)構(gòu) 按地址訪問、單元位數(shù)固定、運算速度與訪存次數(shù)有關(guān)指令=操作碼+地址碼 操作數(shù)的類型由操作碼決定指令在存儲器中是按其執(zhí)行順序存儲存儲器內(nèi)指令和數(shù)據(jù)同等看待二進制編碼、運算以運算器為中心，I/O與存儲器之間數(shù)據(jù)通過運算器，運

12、算器、存儲器、I/O設(shè)備的操作及之間的聯(lián)系，由控制器控制 36VON NEUMANN型結(jié)構(gòu)的局限性 以數(shù)值計算為主，對自然語言、圖像、圖形和符號處理的能力較差；程序算法在整體上為順序型，限制并行操作發(fā)揮；軟件系統(tǒng)越來越復(fù)雜，正確性不能保證，軟件生產(chǎn)效率低；硬件投資大，可靠性差，體系結(jié)構(gòu)受限制；應(yīng)用人員既懂專業(yè)知識，又具備編程技巧； 37VON NEUMANN型結(jié)構(gòu)的缺點 存在兩個瓶頸 物理瓶頸：CPU與存儲器之間頻繁交換信息智能瓶頸：每次只能順序執(zhí)行一條指令低級的機器語言與高級語言程序設(shè)計之間存在巨大的語義差距復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對象無法直接放到一維線性結(jié)構(gòu)地址空間存儲器中，必須經(jīng)過地址映像 38V

13、ON NEUMANN型結(jié)構(gòu)的改進 增加了新的數(shù)據(jù)表示：浮點數(shù)、字符串 采用虛擬存儲器，方便了高級語言編程引入堆棧，支持過程調(diào)用、遞歸機制采用變址寄存器，并增加間接尋址方式增加CPU內(nèi)的通用寄存器和增設(shè)Cache采用存儲器交叉訪問技術(shù)，以及無沖突并行存儲器采用指令流水技術(shù)采用多功能部件采用支持多處理機采用自定義數(shù)據(jù)表示使程序和數(shù)據(jù)空間分開 39四十年來計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進 串行算法-適應(yīng)并行算法 出現(xiàn)向量計算機、并行計算機、多處理機高級語言與機器語言的語義差距減少 出現(xiàn)面向高級語言計算機機器和直接執(zhí)行高級語言機器硬件系統(tǒng)與操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件相適應(yīng) 出現(xiàn)面向操作系統(tǒng)機器和數(shù)據(jù)庫計算機指令驅(qū)動型-數(shù)據(jù)驅(qū)動型、需求驅(qū)動型 出現(xiàn)數(shù)據(jù)流計算機和規(guī)約機 40四十年來計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進出現(xiàn)專用計算機 快速傅里葉變換計算機、過程控制計算機提高可靠性 出現(xiàn)容錯計算機計算機系統(tǒng)功能分散化、專業(yè)化 出現(xiàn)各種功能分布計算機、外圍計算機、通訊處理出現(xiàn)與大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路相適應(yīng)的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)非數(shù)值化信息的智能計算機，如自然語言