《程序并行性的分析》PPT课件

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1、第9章并行组织1、计算机系统的分类一般采用1966年弗林（Flynn）根据指令流和数据流数量进行分类的方法。定义如下：指令流（InstructionStream）：是机器执行的指令序列；数据流（DataStream）：是由指令流调用的数据序列，包括输入数据和中间结果；多重性（Multiplicity）：在系统最受限制的元件上，同时处于同一执行阶段的指令或数据的最大可能个数。计算机系统结构的基本概念按照指令流和数据流的不同组织方式、多重性，将计算机系统分成四类：单指令流单数据流（SISD）计算机系统最常用的串行计算机，通常由一个处理器和一个存储器组成。每次执行一条指令，每次从

2、存储器取（或存）一个数据单指令流多数据流（SIMD）计算机系统具有多个处理单元，所有处理单元执行同一条指令，多指令流单数据流（MISD）计算机系统有N个处理单元，按N条不同指令的要求对同一个数据进行不同的处理，多指令流多数据流（MIMD）计算机系统由多台处理器和多个存储器成，并有一个互连网络实现各处理器和各存储器之间的通信。2、如何提高计算机系统的运算速度从两个方面考虑提高计算机系统的运算速度：（1）微电子技术的发展和器件工艺的改进是提高集成度、提高工作频率的基础。计算机系统的发展又为微电子技术的发展带来更好的机遇；（2）CPU速度提高后，应注意内存存取速度的提高，通道速度

3、的提高，采用DMA技术等，这些部件都与计算机系统的运算速度密切相关。3、开放系统遵循国际标准接口，使得计算机系统之间有“可移植性”和“互操作性”。可移植性是指将操作系统或应用软件放在不同厂家的各种不同型号的计算机上使用。互操作性是指不同厂家在不同平台上开发的多种应用软件通过网络共享数据和协同工作的能力。4、改进单机系统的系统结构的主要方法（1）CPU和输入输出设备并行工作，以减少CPU等待和空闲时间；（2）采用多个通用寄存器来暂存运算的中间结果，减少访问存储器次数；（3）采用多体交叉存储器和Cache，协调CPU和存储器之间的速度匹配；（4）操作重叠的流水线方式。5、计算机

4、系统性能指标-----加速比最早由阿姆达尔(Amdahl)，因此系统加速比有时也称为阿姆达尔(Amdahl)定律。T0是指系统没有改进以前运行程序所用的时间；Te是指系统采用了改进措施以后运行程序所用的时间；阿姆达尔(Amdahl)定律这个定律就是一个公式：即Fe称为可改进比，是指系统中可改进部分占系统整体的百分数，因此0＜Fe＜1。（表示执行某个任务的总时间中改进部分的时间所占的百分比）Se称为部件加速比，是指改进部分采用了改进措施以后比没有采用改进措施以前性能提高的倍数。九、增加向量处理部件可提高计算机的运算速度。设计算机处理向量的速度比其通常的运算要快20倍。使用向量

5、处理部件所花费的时间占总时间的百分比，称为可向量化百分比。①求出加速比S和可向量化百分比F之间的关系式。②当要得到加速比为4时的可向量化百分比F是多少？九、解：1）由Amdahl定律可知：S＝=2)由上式，S＝4，代入表达式4＝故F＝15/19=0.79=79%9.1.1并行性的概念包含两方面含义：（1）同时性（Simultaneity）：指两个或两个以上事件在同一时刻发生；（2）并发性（Concurrency）：指两个或两个以上事件在同一时间间隔内发生。并行性主要表现为时间重叠、资源重叠、资源重叠+时间重叠和资源共享。（1）时间重叠:即时间并行。多个处理过程在时间上相互错

6、开，轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转而赢得时间。（2）资源重叠:即空间并行。通过重复地设置硬件资源以大幅度提高计算机系统的性能，即以数量取胜的原则。（3）资源重叠+时间重叠：在计算机系统中同时运用时间并行和空间并行技术，这种方式在计算机系统中广泛应用，成为并行性主流技术。（4）资源共享：这是一种软件方法，多个用户按一定时间顺序轮流使用同一套硬件设备。计算机系统中的并行性有不同的等级。从处理数据的角度看，并行性等级从低到高可分为：字串位串：同时只对一个字的一位进行处理。这是最基本的串处理方式，不存在并行性。字串位并：同时对一个字的全部位进行处理，不同字之

7、间是串行的。这里已开始出现并行性。字并位串：同时对许多字的一位进行处理。这种方式有较高的并行性。全并行：同时对许多字的全部位进行处理。这是最高一级的并行性。从执行程序的角度看，并行性等级从低到高可分为：指令内部并行：一条指令执行时各微操作之间的并行。指令级并行：并行执行两条或多条指令。任务级或过程级并行：并行执行两条以上过程或任务。（程序段）作业或程序级并行：并行执行两条以上作业或程序。紧耦合系统又称直接耦合系统，指计算机间物理连接的频带较高，一般是通过总线或高速开关实现计算机间的互连，可以共享主存。由于具有较高的