并行处理技术(6.1—6.4)

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1、计算机系统结构第6章并行处理技术本章学习要求理解并行处理机的结构和工作原理；了解并行处理机与流水处理机的差别；熟练掌握基本的单级互连网络及其互连函数表示；理解循环互连网络的实现；熟练掌握多级网络、全排列网络的画法；本章学习要求了解多处理机的特点及主要技术；掌握并行算法研究思路，程序并行性分析结论，任务的派生和汇合；理解多处理机任务粒度、通信开销对性能的影响；了解多处理机操作系统并行处理技术是获取高性能计算的重要手段通过资源的重复设置以实现性能的改善，其发展是没有极限的有双重含义：同时性（Simultaneity）和并发性（Concurrency）6.1并行处理

2、技术的基本概念并行处理的目的⑴提高速度对于一个固定规模的问题，采用并行计算技术可以使求解时间更少现在的微型机也开始借助于流水线技术、多核技术等并行计算技术来提高系统的速度⑵扩大问题求解规模由于器件本身的限制，任何单处理器的速度不能超过某个上限要突破这个上限，必须采用并行计算技术6.1并行处理技术的基本概念数据处理过程中可能存在若干个可以同时进行处理的部分。用一个处理部件按时间顺序先后处理它们，称串行处理用若干个处理部件同时处理这些部分，称并行处理并行性概念同时性并发性6.1并行处理技术的基本概念并行处理相对于串行处理而言，着重开发计算过程中的并发事件，用并行性

3、粒度G来描述；G＝＝TWTC∑tWi∑tCii=1i=1PP所有处理器处理时间的总和所有处理器通信时间的总和6.1并行处理技术的基本概念粒度细,表明处理器间通信时间长;粒度粗,表明处理器之间通信量小,性能较好。程序执行过程分个5级别：作业级,任务级,程序级,指令级,指令内操作级粗粒度级别细粒度级别主要由多处理机或多计算机系统实现。开发手段:软件在单处理机实现,开发手段:硬件.如流水技术6.1并行处理技术的基本概念并发性开发的途径有：时间重叠：多个处理过程在时间上错开，重叠使用同一部件，以赢得速度，如指令流水执行方式。资源重复：通过设置多套功能部件，利用空间上的

4、并行性提高指令执行速度资源共享：利用软件的方法，让多个任务在时间上轮流使用一套资源，以提高资源的利用率。6.2SIMD并行计算机（阵列处理机）并行处理机（ParallelProcessor）的一个重要特点是处理机有并列的多个处理单元，每个单元的组成都相同或相似。并行处理机内部有数十、数百甚至更多个处理单元，每个单元可以有自己的运算器、存储器、寄存器组或别的硬件设备。阵列机（ArrayProcessor）作为并行处理机，在差分、乘法、矩阵和向量运算等领域用之甚多。6.2SIMD并行计算机（阵列处理机）阵列机的处理单元被画成“阵列”的样子，处理单元作为这个这个阵列

5、的节点，通过一个环形的网络把节点连接起来了,网络同时也把控制器CU和各节点连接起来。CU通过网络向各个处理单元“广播”，共享资源。阵列机属于SIMD6.2SIMD并行计算机（阵列处理机）阵列处理机由一个控制器(CU)、N个处理单元(PE)、M个存储器模块(M)和一个互连网络(IN)组成。由CU控制将指令广播给系统中的各个PE，所有活跃的PE将以同步方式执行相同的指令（单指令流），它们从相应的存储模块中取得自己所需的数据对象（多数据流）ILLIAC-IV阵列机处理单元内部方块图RGARGBRGRRGSRGXRGMAULUSUADAPEM累加寄存器64b存放第1操

6、作数操作数寄存器64b存放第2操作数被乘数寄存器64b兼互连寄存器通用寄存器64b中间寄存器PE单元存储器:容量2048×64b访问时间350ns变址寄存器64bADA的地址修改MARMLU存储器逻辑控制器模式寄存器8b指示标志位PEM地址寄存器11b算术运算器逻辑运算器移位运算器地址加法器PEDFSILLIAC说明ILLIAC-IV阵列机RGARGBRGRRGSRGXRGMAULUSUADACDCB6700PEMIOS标量ALUCUBCDB(64)MBL(64)CU(64)ICL(200)1024总线2048X64b×13管理系统资源完成编译汇编进行作业调度

7、BIOM阵列控制计算机CU输入输出系统阵列PE共64个PE变址(16b)模式(8b)accgrdrnrbuffer6.2SIMD并行计算机（阵列处理机）P0P1Pn-1M0M1Mn-1INPE0PE1PEn-1CUINPE0CUM0M1Mm-1PE1PEn-1图6.1阵列处理机两种结构a.分布存储器的阵列机b.共享存储器的阵列机6.2SIMD并行计算机（阵列处理机）阵列机的主要特点它采用资源重复方法它是以某一类算法为背景的专用机器阵列机的研究必须以并行算法的研究密切结合从处理单元来看，由于都是相同的，故阵列机是同构的并行处理机6.4SIMD计算机的互联网络互连

8、网络是一种由开关元件按照一定的拓扑结构