計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)15

1、1-5 并發(fā)性發(fā)展及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類主要內(nèi)容：并行性概念 計(jì)算機(jī)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(jī)系統(tǒng)的耦合度 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類 1并行性概念 只要在同一時(shí)刻或是在同一時(shí)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?cè)跁r(shí)間上能互相重疊。同時(shí)性（Simultaneity）：兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)刻發(fā)生。并發(fā)性（Concurrency）：兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生。 2從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行程序角度來(lái)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(wèn)題任務(wù)或進(jìn)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(lái)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(jì)算信息加工的各個(gè)步驟和階段來(lái)看 存儲(chǔ)器操作并行 例：?jiǎn)误w多字-并行存儲(chǔ)器 多體多字-相聯(lián)存儲(chǔ)器處理器操作步驟并行 指令各個(gè)微操作間，具體操作的執(zhí)行步驟之間 例：流水處理機(jī)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(jī)指令、任務(wù)、作業(yè)并行 高級(jí)，多個(gè)處理機(jī)同時(shí)對(duì)多條指令及相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理6并行性開(kāi)發(fā)途徑 時(shí)間重疊（Time Interleaving）是在并行性概念中引入時(shí)間因素，讓多個(gè)處理過(guò)程在時(shí)間上相互錯(cuò)開(kāi)，輪流重疊地使用同一套硬件設(shè)備的各個(gè)部分，以加快硬件周轉(zhuǎn)而贏得速度。舉例：流水線分離、細(xì)化功能部件流水線

3、功能不同的多機(jī)系統(tǒng)異構(gòu)型多處理機(jī)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(shí)間8并行性開(kāi)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(guò)重復(fù)設(shè)置硬件資源來(lái)提高可靠性或性能。多操作部件和多體存儲(chǔ)器相聯(lián)、并行處理機(jī)同構(gòu)型多處理機(jī)系統(tǒng)9CUPE(0)PE(1)PE(N-1)資源重復(fù)的例子10并行性開(kāi)發(fā)途徑（續(xù)）資源共享（Resource Sharing）：是利用軟件的方法讓多個(gè)用戶按一定時(shí)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(gè)系統(tǒng)的性能。網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)多道程序、分時(shí)OS 真正的處理

4、機(jī)代替虛擬機(jī)分布處理系統(tǒng)11計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的并行性發(fā)展 1960年以前 算術(shù)運(yùn)算的位運(yùn)算（EDSAC、EDVAC、UNIVAC1）輸入輸出間操作的并行直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)（DMA）IBM709系列1960年至1970年流水線單處理機(jī)多功能部件流水線多道程序分時(shí)系統(tǒng)12計(jì)算機(jī)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(jī)、數(shù)據(jù)流機(jī)、智能機(jī)1990年以來(lái)MPP:Massively Parallel Processor 大規(guī)模并行處理機(jī)SMP:Symmetric Multiprocessor 對(duì)稱多處理機(jī)Cluster:機(jī)群、集

5、群13并行處理計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu) 流水線計(jì)算機(jī)（時(shí)間重疊）陣列處理機(jī)（資源重復(fù)）多處理機(jī)系統(tǒng)（資源共享）數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī) 14流水線計(jì)算機(jī)： 主要通過(guò)時(shí)間重疊，讓多個(gè)部件在時(shí)間上交錯(cuò)重疊地并行執(zhí)行運(yùn)算和處理，以實(shí)現(xiàn)時(shí)間上的并行。陣列處理機(jī)： 主要通過(guò)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(shí)運(yùn)算和處理，以實(shí)現(xiàn)空間上的并行。15多處理機(jī)系統(tǒng)： 主要通過(guò)資源共享，讓共享輸入/輸出子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)資源及共享或不共享貯存的一組處理機(jī)在統(tǒng)一的操作系統(tǒng)全盤控制下，實(shí)現(xiàn)軟件和硬件各級(jí)上相互作用，達(dá)到時(shí)間和空間上的異步并行。16多機(jī)系統(tǒng)指的是多處理機(jī)系統(tǒng)和多計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 多處理機(jī)系統(tǒng)：是由多臺(tái)處理機(jī)組成的單一

6、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，各處理機(jī)都可有自己的控制部件，可帶自己的局部存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)：是由多臺(tái)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)組成的系統(tǒng)，各計(jì)算機(jī)分別在邏輯上獨(dú)立的操作系統(tǒng)控制下運(yùn)行，機(jī)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(jìn)行，實(shí)現(xiàn)多個(gè)作業(yè)的并行。 18多機(jī)系統(tǒng)的耦合度 反映多機(jī)系統(tǒng)中各機(jī)器之間物理連接的緊密程度和交叉作用能力的強(qiáng)弱。最低耦合系統(tǒng)（Least Coupled System）：各種脫機(jī)系統(tǒng) 松散耦合系統(tǒng)（Loosely Coupled System）：如果多臺(tái)計(jì)算機(jī)通過(guò)通道或通信線路實(shí)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(jí)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(tái)機(jī)器之間通過(guò)總線或高速開(kāi)關(guān)互連，共享主存，并有較高的信息傳輸速度，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集一級(jí)、任務(wù)級(jí)、作業(yè)級(jí)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(jì)算機(jī)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(lái)描述計(jì)算機(jī)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(lái)定量地描述各種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)特性 。23MICHAEL J,FLYNN分

8、類指令流：是指機(jī)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(gè)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(jī)屬于SISD計(jì)算機(jī)SIMD 單指令流多數(shù)據(jù)流 并行處理機(jī)是SIMD計(jì)算機(jī)的典型代表 我國(guó)的YH-I型是此類計(jì)算機(jī)型25MISD 多指令流單數(shù)據(jù)流 實(shí)際上不存在，但也有學(xué)者認(rèn)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(jī)及多計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 我國(guó)的YH-II型計(jì)算機(jī)是這種類型的計(jì)算機(jī)26CUPUMMCSDSISSISDCU：控制部件，PU：處理機(jī)，

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(jī)，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(jī)，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(lái)描述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)總控制器的結(jié)構(gòu)特征。 SISE：?jiǎn)翁幚頇C(jī)系統(tǒng) SIME：多操作部件的處理機(jī)MISE：帶指令級(jí)多道程序的單處理機(jī)MIME：多處理機(jī) 30馮澤云分類 用數(shù)據(jù)處理的并行度來(lái)定量地描述各種計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)運(yùn)算器ALU控制器輸出設(shè)備輸入設(shè)備存儲(chǔ)器32馮諾依曼的設(shè)計(jì)思想“程序存儲(chǔ)”核心思想計(jì)算機(jī)的程序和數(shù)據(jù)可以一同存在于存

11、儲(chǔ)器中，計(jì)算機(jī)通過(guò)在存儲(chǔ)器中順序讀取程序來(lái)獲取指令33主存儲(chǔ)器程序控制器I/O設(shè)備算術(shù)邏輯單元存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和指令對(duì)二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)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(chǔ)程序控制 STORED PROGRAM CONTROL 實(shí)現(xiàn)指令流程的三或四個(gè)階段 取指令 取操作數(shù) 執(zhí)行指令 寫回結(jié)果35VON NEUMANN機(jī)結(jié)構(gòu)的主要特征 存儲(chǔ)器是順序線性編址的一維結(jié)構(gòu) 按地址訪問(wèn)、單元位數(shù)固定、運(yùn)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(chǔ)器中是按其執(zhí)行順序存儲(chǔ)存儲(chǔ)器內(nèi)指令和數(shù)據(jù)同等看待二進(jìn)制編碼、運(yùn)算以運(yùn)算器為中心，I/O與存儲(chǔ)器之間數(shù)據(jù)通過(guò)運(yùn)算器，運(yùn)

12、算器、存儲(chǔ)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(jì)算為主，對(duì)自然語(yǔ)言、圖像、圖形和符號(hào)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(lái)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(shí)，又具備編程技巧； 37VON NEUMANN型結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn) 存在兩個(gè)瓶頸 物理瓶頸：CPU與存儲(chǔ)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(jí)的機(jī)器語(yǔ)言與高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)之間存在巨大的語(yǔ)義差距復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)象無(wú)法直接放到一維線性結(jié)構(gòu)地址空間存儲(chǔ)器中，必須經(jīng)過(guò)地址映像 38V

13、ON NEUMANN型結(jié)構(gòu)的改進(jìn) 增加了新的數(shù)據(jù)表示：浮點(diǎn)數(shù)、字符串 采用虛擬存儲(chǔ)器，方便了高級(jí)語(yǔ)言編程引入堆棧，支持過(guò)程調(diào)用、遞歸機(jī)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(chǔ)器交叉訪問(wèn)技術(shù)，以及無(wú)沖突并行存儲(chǔ)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(jī)采用自定義數(shù)據(jù)表示使程序和數(shù)據(jù)空間分開(kāi) 39四十年來(lái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn) 串行算法-適應(yīng)并行算法 出現(xiàn)向量計(jì)算機(jī)、并行計(jì)算機(jī)、多處理機(jī)高級(jí)語(yǔ)言與機(jī)器語(yǔ)言的語(yǔ)義差距減少 出現(xiàn)面向高級(jí)語(yǔ)言計(jì)算機(jī)機(jī)器和直接執(zhí)行高級(jí)語(yǔ)言機(jī)器硬件系統(tǒng)與操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)軟件相適應(yīng) 出現(xiàn)面向操作系統(tǒng)機(jī)器和數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算機(jī)指令驅(qū)動(dòng)型-數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型、需求驅(qū)動(dòng)型 出現(xiàn)數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)和規(guī)約機(jī) 40四十年來(lái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)出現(xiàn)專用計(jì)算機(jī) 快速傅里葉變換計(jì)算機(jī)、過(guò)程控制計(jì)算機(jī)提高可靠性 出現(xiàn)容錯(cuò)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)功能分散化、專業(yè)化 出現(xiàn)各種功能分布計(jì)算機(jī)、外圍計(jì)算機(jī)、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(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)非數(shù)值化信息的智能計(jì)算機(jī)，如自然語(yǔ)言