《多處理機(jī)》課件2

多處理機(jī)課件課程安排課程時(shí)間安排課程內(nèi)容安排答疑時(shí)間安排多處理機(jī)概述多處理機(jī)系統(tǒng)是指在一個(gè)系統(tǒng)中包含多個(gè)處理器，這些處理器可以同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)。多處理機(jī)系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)的性能、可靠性和可用性。多處理機(jī)系統(tǒng)根據(jù)處理器的數(shù)量和結(jié)構(gòu)可以分為多種類型，例如雙核處理器、多核處理器、對(duì)稱多處理機(jī)和非對(duì)稱多處理機(jī)等。多處理機(jī)系統(tǒng)在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，例如服務(wù)器、工作站和超級(jí)計(jì)算機(jī)等。多處理機(jī)發(fā)展歷史1早期1960年代，大型機(jī)采用多個(gè)CPU實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算。2多核時(shí)代2000年代，單芯片多核處理器成為主流。3云計(jì)算現(xiàn)代云計(jì)算平臺(tái)，利用大量服務(wù)器集群實(shí)現(xiàn)高并發(fā)處理。多處理機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總線型所有處理器通過一根總線連接到內(nèi)存，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但擴(kuò)展性差。樹型多個(gè)處理器通過層次結(jié)構(gòu)連接到內(nèi)存，比總線型更靈活，擴(kuò)展性好，但成本高。星型所有處理器通過一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)連接到內(nèi)存，可實(shí)現(xiàn)高效通信，但中心節(jié)點(diǎn)容易成為瓶頸。網(wǎng)格型處理器通過矩陣形式連接，擴(kuò)展性強(qiáng)，但通信復(fù)雜度高，成本高。多處理機(jī)的基本組成1CPU處理機(jī)核心，負(fù)責(zé)執(zhí)行指令和處理數(shù)據(jù)。2內(nèi)存存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)，供CPU訪問。3I/O設(shè)備與外部世界交互，例如鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器等。4總線連接CPU、內(nèi)存和I/O設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。CPU的結(jié)構(gòu)和工作原理CPU是計(jì)算機(jī)的核心部件，負(fù)責(zé)執(zhí)行程序指令。它的結(jié)構(gòu)主要包括運(yùn)算器、控制器、寄存器組、高速緩存等。運(yùn)算器負(fù)責(zé)執(zhí)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算，控制器負(fù)責(zé)控制程序的執(zhí)行流程，寄存器組用于存放數(shù)據(jù)和指令，高速緩存用于提高CPU的訪問速度?？偩€結(jié)構(gòu)的性能指標(biāo)帶寬總線單位時(shí)間內(nèi)可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，單位是字節(jié)每秒（B/s）傳輸速率總線一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，單位是字節(jié)（B）總線周期總線完成一次數(shù)據(jù)傳輸所需要的時(shí)間，單位是納秒（ns）總線寬度總線一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)，單位是位（bit）總線接口的技術(shù)實(shí)現(xiàn)邏輯接口邏輯接口定義了總線信號(hào)的類型和功能，例如數(shù)據(jù)線、地址線和控制線。物理接口物理接口定義了總線信號(hào)的電氣特性，例如電壓、電流和阻抗。協(xié)議總線協(xié)議規(guī)定了總線信號(hào)的傳輸順序和時(shí)序關(guān)系，確保不同設(shè)備之間正常通信。總線仲裁機(jī)制競爭共享資源多個(gè)設(shè)備同時(shí)訪問總線，需要一個(gè)機(jī)制來協(xié)調(diào)訪問，防止沖突。仲裁目的公平地分配總線使用權(quán)，提高系統(tǒng)效率，避免數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤?？偩€仲裁算法固定優(yōu)先級(jí)算法每個(gè)設(shè)備固定分配一個(gè)優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)高的設(shè)備優(yōu)先獲得總線控制權(quán)。輪詢算法設(shè)備按照循環(huán)順序輪流獲得總線控制權(quán)，適用于多個(gè)設(shè)備同時(shí)訪問總線的情況。鏈?zhǔn)秸?qǐng)求算法設(shè)備發(fā)出請(qǐng)求后，將請(qǐng)求信號(hào)傳遞給下一個(gè)設(shè)備，直到最后一個(gè)設(shè)備或總線控制器發(fā)出響應(yīng)，適用于設(shè)備數(shù)量較少的情況。競爭算法多個(gè)設(shè)備同時(shí)請(qǐng)求總線控制權(quán)，使用競爭機(jī)制來決定哪個(gè)設(shè)備獲得控制權(quán)，例如使用總線請(qǐng)求信號(hào)線。中斷機(jī)制中斷機(jī)制是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的一種重要機(jī)制，它允許CPU在執(zhí)行當(dāng)前程序時(shí)，能夠及時(shí)處理來自外部設(shè)備或內(nèi)部事件的請(qǐng)求。當(dāng)一個(gè)中斷事件發(fā)生時(shí)，CPU會(huì)暫停當(dāng)前正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)而執(zhí)行與中斷事件相關(guān)的處理程序，處理完后，再返回到原來程序執(zhí)行的斷點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行。中斷機(jī)制在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中扮演著重要的角色，它可以提高系統(tǒng)的效率，使系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng)各種事件，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與外界的交互。中斷處理流程1中斷發(fā)生CPU識(shí)別到中斷請(qǐng)求2保存上下文保存CPU當(dāng)前狀態(tài)3中斷處理執(zhí)行中斷處理程序4恢復(fù)上下文恢復(fù)中斷前的狀態(tài)5返回執(zhí)行繼續(xù)執(zhí)行被中斷程序多處理器間通信多處理器間通信是多處理器系統(tǒng)中至關(guān)重要的部分，它允許不同的處理器協(xié)同工作，共享數(shù)據(jù)和資源。常見的通信方式包括共享內(nèi)存和消息傳遞。共享內(nèi)存允許處理器直接訪問同一物理內(nèi)存空間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。消息傳遞則通過發(fā)送和接收消息來傳遞數(shù)據(jù)，例如使用管道、隊(duì)列等通信機(jī)制。通信協(xié)議共享內(nèi)存不同處理器通過共享內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。消息傳遞處理器通過發(fā)送和接收消息進(jìn)行通信，使用消息隊(duì)列進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。遠(yuǎn)程過程調(diào)用一個(gè)處理器上的程序可以調(diào)用另一個(gè)處理器上的過程，通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)用。任務(wù)分配算法將任務(wù)分配給特定處理器，以最大程度地利用資源和提高效率平衡處理器負(fù)載，避免過載或閑置考慮處理器間通信成本，優(yōu)化任務(wù)分配策略任務(wù)調(diào)度策略先來先服務(wù)（FCFS）按任務(wù)到達(dá)的順序進(jìn)行調(diào)度，簡單易實(shí)現(xiàn)，但對(duì)短任務(wù)不利。最短作業(yè)優(yōu)先（SJF）選擇下一個(gè)運(yùn)行時(shí)間最短的任務(wù)，可提高系統(tǒng)吞吐量，但需預(yù)知任務(wù)運(yùn)行時(shí)間。優(yōu)先級(jí)調(diào)度根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行調(diào)度，可滿足特定任務(wù)的優(yōu)先級(jí)需求，但需合理設(shè)置優(yōu)先級(jí)。時(shí)間片輪轉(zhuǎn)將CPU時(shí)間劃分為時(shí)間片，輪流分配給各任務(wù)，可實(shí)現(xiàn)公平調(diào)度，但可能造成時(shí)間片過短的效率低下。同步機(jī)制1互斥確保一次只有一個(gè)進(jìn)程或線程可以訪問共享資源。2同步協(xié)調(diào)多個(gè)進(jìn)程或線程之間的執(zhí)行順序，確保它們按照預(yù)定的順序訪問共享資源。同步原語1信號(hào)量信號(hào)量是一種計(jì)數(shù)器，用于控制對(duì)共享資源的訪問。2互斥量互斥量是一種鎖，用于確保一次只有一個(gè)線程可以訪問共享資源。3條件變量條件變量允許線程等待特定條件發(fā)生，例如資源可用。4監(jiān)視器監(jiān)視器是一種抽象數(shù)據(jù)類型，它提供了一種簡單的同步機(jī)制。死鎖概念和特征相互等待多個(gè)進(jìn)程互相等待對(duì)方釋放資源，導(dǎo)致所有進(jìn)程都無法繼續(xù)執(zhí)行。持有和等待進(jìn)程持有至少一個(gè)資源，同時(shí)等待另一個(gè)資源，而該資源被其他進(jìn)程持有。不可剝奪進(jìn)程持有的資源只能由進(jìn)程主動(dòng)釋放，不能被其他進(jìn)程強(qiáng)行奪取。循環(huán)等待多個(gè)進(jìn)程形成一個(gè)循環(huán)等待鏈，每個(gè)進(jìn)程都等待鏈中下一個(gè)進(jìn)程所持有的資源。死鎖預(yù)防策略互斥條件資源不能被多個(gè)進(jìn)程共享，必須獨(dú)占使用。占有并等待進(jìn)程已經(jīng)獲得了一些資源，但又請(qǐng)求其他資源，而這些資源已被其他進(jìn)程占有，處于阻塞狀態(tài)。循環(huán)等待多個(gè)進(jìn)程形成一個(gè)環(huán)形等待鏈，每個(gè)進(jìn)程都等待著鏈中下一個(gè)進(jìn)程所持有的資源。死鎖檢測(cè)與解除檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)資源的使用情況，以識(shí)別死鎖情況，例如通過檢測(cè)循環(huán)等待資源的進(jìn)程。解除一旦檢測(cè)到死鎖，采取措施將其解除，例如：撤銷一個(gè)或多個(gè)進(jìn)程、搶占資源、回滾進(jìn)程。緩存一致性1數(shù)據(jù)一致性問題多個(gè)處理器共享同一塊內(nèi)存，每個(gè)處理器都有自己的緩存，當(dāng)多個(gè)處理器同時(shí)訪問同一數(shù)據(jù)時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致問題。2緩存一致性保證緩存一致性協(xié)議通過一定機(jī)制，保證共享內(nèi)存數(shù)據(jù)的一致性，即使多個(gè)處理器同時(shí)對(duì)同一數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作。3提高性能緩存一致性協(xié)議保證了多處理器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)一致性，同時(shí)也提高了系統(tǒng)性能，因?yàn)樘幚砥骺梢詮淖约旱木彺嬷锌焖僭L問數(shù)據(jù)，減少了訪問主內(nèi)存的次數(shù)。緩存一致性協(xié)議MSI協(xié)議MSI協(xié)議是比較簡單的緩存一致性協(xié)議。它將緩存塊的狀態(tài)分為三種：Modified、Shared、Invalid，分別代表修改、共享和失效。MESI協(xié)議MESI協(xié)議在MSI協(xié)議的基礎(chǔ)上增加了Exclusive狀態(tài)。當(dāng)一個(gè)緩存塊只被一個(gè)處理器擁有時(shí)，它處于Exclusive狀態(tài)，不需要與其他處理器共享數(shù)據(jù)。MOESI協(xié)議MOESI協(xié)議是在MESI協(xié)議基礎(chǔ)上增加了Owned狀態(tài)。Owned狀態(tài)用于表示一個(gè)處理器修改了緩存塊，但還沒有寫入主內(nèi)存。內(nèi)存一致性模型順序一致性所有處理器看到的內(nèi)存操作順序與程序中指定的順序相同。弱一致性處理器可能看到不同順序的內(nèi)存操作，但最終結(jié)果一致。松散一致性允許處理器看到不同的內(nèi)存視圖，但最終結(jié)果必須在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)一致。內(nèi)存一致性協(xié)議緩存一致性協(xié)議確保多個(gè)處理器之間對(duì)共享內(nèi)存的訪問保持一致性。緩存一致性模型定義處理器訪問共享內(nèi)存的規(guī)則，并保證數(shù)據(jù)的一致性。多處理機(jī)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)描述吞吐量單位時(shí)間內(nèi)處理的數(shù)據(jù)量響應(yīng)時(shí)間從請(qǐng)求開始到響應(yīng)結(jié)束的時(shí)間利用率處理器實(shí)際工作時(shí)間占總時(shí)間的比例性能優(yōu)化方法1硬件優(yōu)化選擇更高性能的處理器、內(nèi)存和存儲(chǔ)設(shè)備可以提升系統(tǒng)整體性能。2軟件優(yōu)化通過改進(jìn)算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和代碼編寫方式，可以提高程序的執(zhí)行效率。3系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整操作系統(tǒng)參數(shù)、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)配置和管理磁盤空間可以提升系統(tǒng)性能。實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)本課程將設(shè)置一系列實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生加深對(duì)多處理機(jī)理論和技術(shù)的理解，并培養(yǎng)實(shí)踐能力。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括但不限于以下幾個(gè)方面：多處理器系統(tǒng)架構(gòu)搭建與配置多處理器間通信編程同步機(jī)制實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證緩存一致性測(cè)試多處理機(jī)性能分析與優(yōu)化課程小結(jié)多處理機(jī)概述講解多處理機(jī)概念、歷史和基本組成?？偩€與內(nèi)存分析總線結(jié)構(gòu)、仲裁機(jī)制和內(nèi)存一致性。