计算机组织与系统结构 季福坤 第8章

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1、学习要点多处理机系统的构成及特性和掌握高集成度、高性能芯片的发展和掌握机群系统的构成和特点网格计算技术的发展状况高生产率计算系统的研究现状第8章计算机体系结构的发展趋势8.3机群系统8.4网格计算技术第8章计算机体系结构的发展趋势8.1概论8.2多处理机系统退出8.5计算机体系结构的研究退出8.1概论8.1概论冯·诺依曼（J.VonNeumann）为计算机体系结构做出了巨大贡献。从1946年第一台计算机出现以来，计算机在性能和结构上不断的演进，但从本质而言，仍没有突破冯·诺依曼所定义的范畴。随着计算机技术的发展，应用需求也不断的增

2、加，对高性能高速度高容量的超级计算机的需求不断攀升，迫使计算机在结构、技术甚至概念上作根本的改变。解决问题的办法多种多样，但归纳起来无外乎两种：一是彻底推翻冯·诺依曼体系结构，重新设计更合理的能够适应爆炸式增长的信息技术的需求的计算机体系结构。第二种就是采取改进的方法，在现有的体系结构的基础上不断的改进，使系统更快速、更有效。第一种方法是革命性的，人们从未放弃过对其探求。曾提出过生物计算机等概念。但距离真正的实用还很遥远，而且革命的代价是惨重的。这是因为，计算机出现以来，所有的软件系统，大量的应用系统，全部的外围设备，乃至生产、商

3、务、教育、军事到家庭统统地围绕着现有的系统发展起来。如果彻底的推翻了，一切都要重来。其代价不可想象。因此，计算机系统结构的发展一直是沿着不断改进的路线行走。从硬件的角度，大规模集成电路技术的进步是计算机体系结构发展的基础。人们一直在芯片级的技术上不断努力。期望在一块晶片上集成度更高，运行更快，功耗更小，性能更强。由此，先行控制、流水线技术和招标量流水线直至在一个芯片上集成多个处理器内核，使得计算机在时间上和空间上的并行性越来越强。为了解决快速CPU和慢速存储器的矛盾，人们还在努力将主存储体也集成到芯片之中，使之因访存而引起的性能下

4、降问题得以缓解。从软件的角度，计算机指令系统的改进、编译技术的水平不断提高、程序设计技术及水平的快速演进，使得硬件的性能得以充分的发挥。同时增加新的数据类型使得硬件可以直接识别和访问数据，也使计算机的处理能力得到发展。在改进体系结构的设计技术和芯片的生产技术的同时，在单一机器性能有限的状况下，创造了诸如多处理机系统、集群系统等协同工作系统；采用在一台机器中安装多个CPU，通过软件来共享存储空间完成协同作业，达到了1+1大于2的性能；或将多台机器联系起来通过软件将作业划分成若干子作业，分配给不同的机器处理，然后再将结果重组，得到单台

5、超大型机器所不及的性能。计算机网络的发展又使分布式计算系统得到了充分应用。人们甚至可以将全球的计算机都作为某一作业的一分子来使用，可想而知，这是一个多么巨大的计算机，具有多么超级的处理能力和处理速度。近年来出现的网格计算技术，也在向传统的分布式计算提出挑战。可以预见，在不久的将来，还会出现更新的技术来解决目前体系结构所面临的各种问题。实际上，分布式计算系统已超出了计算机体系结构的范畴，是广义上的系统结构的概念。人们仍在进行着具体的计算机体系结构的研究与发现。多年来研究的光计算机,近期也有突破性的进展。返回本节返回本章8.2.1多处

6、理机系统的特点与分类8.2.2多处理机系统的Cache一致性问题8.2多处理机系统退出8.2.1多处理机系统的特点与分类1．阵列处理机阵列处理机原则上不属于多处理机体系，我们之所以先介绍它，是期望让读者能够进行对比，以便对多处理机系统结构有一个清晰的认识。阵列处理机又称并行处理机，通过硬件上采用资源重复的方法来实现并行性。因为是单指令流多数据流结构，也称为SIMD（SingleInstructionMultipleData）计算机，其抽象模型见图8-1。它用一个控制部件同时管理多个处理单元。所有处理单元均收到从控制部件广播来的同一

7、条指令，但是操作的对象却是不同的数据。阵列机是以单指令流多数据流方式工作的。采用资源重复方法引入空间因素，即在系统中设置多个相同的处理单元来开发并行性，这与利用时间重叠的流水线处理机是不一样的。此外，它是利用并行性中的同时性，而不是并发性，所有处理单元必须同时进行相同操作。阵列机是以某一类算法为背景的专用计算机。这是由于阵列机中通常都采用简单、规整的互连网络来实现处理单元间的连接操作，从而限定了它所适用的求解算法类别。因此，对互连网络设计的研究就成为阵列机研究的重点之一。阵列机的研究必须与并行算法的研究密切结合，以使它的求解算法的

8、适应性更强一些，应用面更广一些。另外从处理单元来看，由于结构都相同，因而可将阵列机看成是一个同构型并行机。2．多处理机系统多处理机属于多指令流多数据流计算机MIMD（MultipleInstructionMultipleData），可实现任务、作业