并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)課件

并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)課件目錄CONTENTS并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)概述并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)分類并行計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)并行計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)并行算法設(shè)計(jì)并行計(jì)算機(jī)性能評(píng)估與優(yōu)化01并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)概述CHAPTER并行計(jì)算機(jī)是指具有多個(gè)處理單元（PU）的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，這些處理單元可以同時(shí)執(zhí)行多個(gè)操作。并行計(jì)算機(jī)分為單指令多數(shù)據(jù)流（SIMD）和多指令多數(shù)據(jù)流（MIMD）兩種類型。SIMD并行計(jì)算機(jī)在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)對(duì)一組數(shù)據(jù)進(jìn)行相同的操作，而MIMD并行計(jì)算機(jī)則可以同時(shí)執(zhí)行不同的指令。并行計(jì)算機(jī)的定義并行計(jì)算機(jī)的重要性01并行計(jì)算機(jī)可以提高計(jì)算速度和效率，特別是在處理大規(guī)模數(shù)據(jù)集和進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算時(shí)。02并行計(jì)算機(jī)可以解決許多科學(xué)、工程和其他領(lǐng)域的計(jì)算問(wèn)題，如天氣預(yù)報(bào)、物理模擬、圖像處理等。03并行計(jì)算機(jī)在軍事、航空航天、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。01早期的并行計(jì)算機(jī)采用共享內(nèi)存架構(gòu)，后來(lái)逐漸發(fā)展為分布式內(nèi)存架構(gòu)。隨著技術(shù)的發(fā)展，并行計(jì)算機(jī)的規(guī)模和性能不斷提高，目前已經(jīng)出現(xiàn)了許多超級(jí)計(jì)算機(jī)和集群系統(tǒng)。未來(lái)的并行計(jì)算機(jī)將繼續(xù)朝著更高性能、更低能耗和更易擴(kuò)展的方向發(fā)展。并行計(jì)算機(jī)的歷史可以追溯到20世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)人們開始研究如何將多個(gè)處理單元集成到一個(gè)系統(tǒng)中。020304并行計(jì)算機(jī)的歷史與發(fā)展02并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)分類CHAPTER適用于大規(guī)模并行計(jì)算，如圖像處理、科學(xué)計(jì)算等MIMD體系結(jié)構(gòu)（MultipleInstruction,MultipleData）每個(gè)處理機(jī)執(zhí)行不同的操作，處理不同的數(shù)據(jù)適用于多任務(wù)并行計(jì)算，如實(shí)時(shí)系統(tǒng)、搜索引擎等單一指令，多數(shù)據(jù)流體系結(jié)構(gòu)（SingleInstruction,MultipleData）每個(gè)處理機(jī)執(zhí)行相同的操作，處理不同的數(shù)據(jù)SIMD體系結(jié)構(gòu)各個(gè)處理機(jī)之間通過(guò)消息傳遞進(jìn)行通信共享內(nèi)存模型適用于多處理器系統(tǒng)，如多核CPU、GPU等消息傳遞模型適用于分布式系統(tǒng)，如網(wǎng)格計(jì)算、云計(jì)算等各個(gè)處理機(jī)共享內(nèi)存空間，通過(guò)內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)交換010203040506MIMD體系結(jié)構(gòu)01高性能計(jì)算集群02通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò)連接多個(gè)高性能計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)03適用于大規(guī)?？茖W(xué)計(jì)算、天氣預(yù)報(bào)等應(yīng)用04云計(jì)算平臺(tái)05通過(guò)虛擬化技術(shù)將多個(gè)計(jì)算資源抽象為一個(gè)云平臺(tái)06適用于彈性擴(kuò)展、按需付費(fèi)的計(jì)算需求，如Web服務(wù)、企業(yè)應(yīng)用等分布式計(jì)算體系結(jié)構(gòu)0102超立方體體系結(jié)構(gòu)超立方體具有高連通性和低延遲的特點(diǎn)，適用于大規(guī)模并行計(jì)算和高性能計(jì)算領(lǐng)域超立方體是一種特殊的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)與其它節(jié)點(diǎn)都有連接03并行計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)CHAPTER并行處理單元是并行計(jì)算機(jī)的核心部件，它負(fù)責(zé)執(zhí)行并行計(jì)算任務(wù)。并行處理單元通常采用多處理器結(jié)構(gòu)，每個(gè)處理器都可以獨(dú)立執(zhí)行計(jì)算任務(wù)。并行處理單元可以通過(guò)共享內(nèi)存或分布式內(nèi)存來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。并行處理單元還可以通過(guò)消息傳遞或共享內(nèi)存來(lái)通信。01020304并行處理單元存儲(chǔ)層次結(jié)構(gòu)是并行計(jì)算機(jī)中不同類型存儲(chǔ)器的組合方式。存儲(chǔ)層次結(jié)構(gòu)通常包括寄存器、高速緩存、主存和外部存儲(chǔ)器。寄存器是速度最快的存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)需要快速訪問(wèn)的數(shù)據(jù)。高速緩存是速度較快的存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)經(jīng)常訪問(wèn)的數(shù)據(jù)。主存是速度較慢的存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)。外部存儲(chǔ)器是速度最慢的存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)大量需要長(zhǎng)期保存的數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)層次結(jié)構(gòu)高速緩存用于加速數(shù)據(jù)訪問(wèn)，通常分為一級(jí)高速緩存和二級(jí)高速緩存。內(nèi)存管理負(fù)責(zé)分配和管理內(nèi)存空間，以避免不同程序之間的干擾和沖突。內(nèi)存管理可以通過(guò)分段、分頁(yè)、虛擬內(nèi)存等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。高速緩存與內(nèi)存管理I/O設(shè)備是并行計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備進(jìn)行通信的接口。I/O設(shè)備通常包括硬盤、光驅(qū)、鍵盤、鼠標(biāo)等。網(wǎng)絡(luò)連接是并行計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行通信的接口。網(wǎng)絡(luò)連接通常包括以太網(wǎng)、光纖等通信協(xié)議。I/O設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)連接04并行計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)CHAPTER03并行操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并行操作系統(tǒng)通常由進(jìn)程管理、資源管理和任務(wù)調(diào)度等幾個(gè)核心部分組成。01并行操作系統(tǒng)定義并行操作系統(tǒng)是一種能夠同時(shí)處理多個(gè)任務(wù)的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)。02并行計(jì)算機(jī)分類根據(jù)并行程度的不同，并行計(jì)算機(jī)可分為多處理器計(jì)算機(jī)、多核處理器計(jì)算機(jī)和分布式計(jì)算網(wǎng)絡(luò)。并行操作系統(tǒng)概述01進(jìn)程是計(jì)算機(jī)中的程序關(guān)于某個(gè)數(shù)據(jù)集合上的一次運(yùn)行活動(dòng)，是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的基本單位。進(jìn)程定義與作用02線程是進(jìn)程內(nèi)的一個(gè)執(zhí)行路徑，是系統(tǒng)調(diào)度和執(zhí)行的基本單位。線程定義與作用03一個(gè)進(jìn)程可以包含多個(gè)線程，線程共享進(jìn)程的資源，但也可以有自己的執(zhí)行路徑和局部變量。進(jìn)程與線程關(guān)系進(jìn)程與線程管理資源定義資源是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有限的物理或邏輯資源，如處理器、內(nèi)存、磁盤等。資源分配方式并行操作系統(tǒng)通常采用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種方式進(jìn)行資源分配。資源共享與競(jìng)爭(zhēng)多個(gè)進(jìn)程或線程可以共享資源，但也可能存在競(jìng)爭(zhēng)，需要進(jìn)行有效的管理和控制。資源管理任務(wù)調(diào)度是并行操作系統(tǒng)中的一個(gè)重要功能，它負(fù)責(zé)按照一定的策略將任務(wù)分配給處理器執(zhí)行。任務(wù)調(diào)度定義負(fù)載平衡可以使得系統(tǒng)中的各個(gè)處理器盡可能地均衡負(fù)載，提高系統(tǒng)整體性能。負(fù)載平衡意義負(fù)載平衡策略包括靜態(tài)負(fù)載平衡和動(dòng)態(tài)負(fù)載平衡兩種，各有優(yōu)缺點(diǎn)，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行選擇。負(fù)載平衡策略任務(wù)調(diào)度與負(fù)載平衡05并行算法設(shè)計(jì)CHAPTER并行算法的分類根據(jù)并行程度的不同，并行算法可分為強(qiáng)并行算法和弱并行算法。并行算法的設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)并行算法時(shí)需要考慮任務(wù)劃分、通信開銷、負(fù)載均衡等因素，以提高算法的效率和性能。并行算法的定義并行算法是一種在計(jì)算過(guò)程中同時(shí)執(zhí)行多個(gè)操作的算法，具有高效性、可擴(kuò)展性和資源共享的優(yōu)點(diǎn)。并行算法的基本要素利用多個(gè)處理器的優(yōu)勢(shì)，將待排序的序列劃分為多個(gè)子序列，每個(gè)處理器對(duì)一個(gè)子序列進(jìn)行快速排序，最終合并得到全局排序結(jié)果。并行快速排序?qū)⒋判虻男蛄袆澐譃槎鄠€(gè)子序列，每個(gè)處理器對(duì)一個(gè)子序列進(jìn)行排序，然后將所有子序列合并成一個(gè)有序序列。并行歸并排序并行排序算法在多個(gè)處理器上同時(shí)搜索目標(biāo)元素，每個(gè)處理器搜索一部分?jǐn)?shù)據(jù)，然后通過(guò)通信將搜索結(jié)果合并。利用二分搜索算法的特性，將搜索區(qū)間劃分為多個(gè)子區(qū)間，每個(gè)處理器搜索一個(gè)子區(qū)間，通過(guò)通信將搜索結(jié)果合并。并行搜索算法并行二分搜索并行順序搜索并行Dijkstra算法在多個(gè)處理器上同時(shí)執(zhí)行Dijkstra算法的各個(gè)步驟，提高求解單源最短路徑問(wèn)題的效率。并行Floyd-Warshall算法利用多個(gè)處理器實(shí)現(xiàn)Floyd-Warshall算法的并行化，加快求解任意兩點(diǎn)間最短路徑問(wèn)題的速度。并行圖論算法06并行計(jì)算機(jī)性能評(píng)估與優(yōu)化CHAPTER基準(zhǔn)測(cè)試通過(guò)運(yùn)行一系列代表性的基準(zhǔn)測(cè)試程序，獲取并行計(jì)算機(jī)的基本性能數(shù)據(jù)。模擬器利用模擬器模擬并行計(jì)算機(jī)的運(yùn)行，通過(guò)模擬器可以評(píng)估并行計(jì)算機(jī)的性能。實(shí)際運(yùn)行在實(shí)際運(yùn)行并行計(jì)算機(jī)的過(guò)程中，對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)估。性能評(píng)估方法增加處理器數(shù)量通過(guò)增加處理器數(shù)量，提高并行計(jì)算機(jī)的處理能力。提高內(nèi)存帶寬通過(guò)提高內(nèi)存帶寬，減少內(nèi)存訪問(wèn)延遲對(duì)性能的影響。優(yōu)化存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)通過(guò)優(yōu)化存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)，提高存儲(chǔ)器的訪問(wèn)速度和命中率。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過(guò)改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提高并行計(jì)算機(jī)內(nèi)部通信的效率。硬件優(yōu)化策略通過(guò)優(yōu)化算法，提高程序的運(yùn)行效率。算法優(yōu)化將程序拆分成多個(gè)并行任務(wù)，提高程序的并行度。并行化通過(guò)平衡處理器之間的負(fù)載，避免某些處理器過(guò)載而其他處理器空閑的情況。負(fù)載平衡通