并行处理机基础

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1、第八章并行处理机和多处理机【学习指南】一.首先透切理解以下基本概念：并行处理机基本结构、SIMD计算机基本结构、阵列处理机基木结构、TMD计算机的优缺点、共享存储多处理机、分布存储多处理机、多处理机系统的特点、MPP、SMP、机群系统。1.SIMD计算机模型（1）SIMD计算机的抽象模型在同一个控制部件的管理下，有多个处理单元。所有处理单元均收到从控制部件广播来的同一条指令，但操作对象是不同的数据。（2）SIMD计算机的操作模型S1MD计算机的操作模型用五元组表示：M=（N,C,I,M,R）o其中，五元

2、组中各符号的含义：N—机器的处理单元（PE）数；C—由控制部件（CU）宜接执行的指令集，包括标量和程序流控制指令；I—由CU广播至所冇PE进行并行执行的指令集，包括算术运算、逻辑运算、数据寻径、屏蔽以及其他由每个活动的PE对它的数据所执行的局部操作；M—屏蔽方案集，其中每种屏蔽将PE集划分为允许操作和禁止操作两种了集；R—数据寻径功能集，说明互连网络中PE间通信所需要的各种设置模式。（3）W以用上述五元组描述一台具体的SIMD机器。（4）SIMD计算机处理单元的粒度：细粒度、小粒度。2.SIMD计算机的

3、基本结构（1）分布式存储器结构分布式存储结构的体系模型、工作原理和特点。（2）共享存储器结构共享存储结构的体系模型、工作原理和特点。3.SIMD计算机的特点⑴STMD计算机的实质是利用了多PE的空间并行性来提高计算速度。⑵STMD计算机与流水线向量处理机的相同与不同。1.多处理机结构由如何台独立的计算机组成，每台计算机能够独立执行自己的程序，乂称多指令流多数据流（M1MD）结构。多处理机系统中的处理机之间通过某种方式（如互连网络）互连，从而实现程序Z间的数据交换和同步。2.使用多处理机的主要日的是利用多

4、台处理机并发地执行一个作业，使得执行速度比单处理机快；冇时候，使川使川多处理机的主要冃的是提高可靠性而不是高性能，如果某台处理机出现故障，那么它的程序对以由系统中其它处理机来执行。3.多处理机有两种基本的结构：共享存储器结构和本地存储器结构。共享存储器方案中，存储器和I/O设备是独立的了系统，为所冇处理机所共厚，这是实现信息交换和同步最简单的办法，任何两台处理机都可以通过共亨存储器的单元实现通信。本地存储器结构每台处理机都有自己的存储器和I/O设备，处理机之间通过点对点的信息交换实现通信。4.多处理机的

5、主要特点包括：（1）结构的灵活性。与SIMD计算机相比，多处理机的结构具有较强的通用性，它可以同时对多个数组或多个标量数据进行不同的处理，这要求多处理机能够适应更为多样的算法,具有灵活多变的系统结构。（2）程序并行性。并行处理机实现操作一级的并行，其并行性存在于指令内部，主要用来解决数组向量问题；而多处理机的并行性体现在指令外部，即表现在多个任务之间。（3）并行任务派生。多处理机是多指令流操作方式，一个程序中就存在多个并发的程序段,需要专门的程序段來表示它们的并发关系以控制它们的并发执行，这称为并行任务

6、派牛。（4）进程同步。并行处理机实现操作级的并行，所侑处于活动状态的处理单元受一个控制器控制，同时执行共同的指令，工作自然同步；而多处理机实现指令、任务、程序级的并行,在同一时刻，不同的处理机执行着不同的指令，进程Z间的数据相关和控制依赖决定了耍采取一定的进程同步策略。5.如果多处理机系统以峰值速度运行时，所冇处理机都在做着冇用的工作，并R忽略通信开销，那么N台处理机所构成的多处理机系统其效率和性能应该是单个处理机的N倍。实际上，山于以下原因，多处理机的峰值性能很难达到：多处理机间的通信延迟；处理机间的

7、同步开销；没有足够多的任务时，若干台处理机处于空闲状态或执行无关工作；系统控制和操作调度所需的开销。多处理机的性能很大程度依赖于R/C比值，其中R代表程序的执行时间,C代表用于通信的开销。常见的多处理机性能模型包括：基木模型、随机模型、通信开销为线性函数的模型、完全重叠通信的理想模型、具有多条通信链的模型等。6.在并行多处理机系统中的私有Cache会引起Cache中的内容相互Z间以及与共享存储器之间互不相同的问题，即多处理机的Cache一致性问题。(1)出现Cache-致性问题的原因主要冇三个：共厚可写

8、的数据、进程迁移、I/O传输。共享可写数据引起的不一致性。比如Pl、P2两台处理机各自的木地高速缓冲存储器Cl、C2中都冇共享存储器是M中某个数据X的拷贝，当P1把X的值变成X/后，如果P1采用写通过策略，内存屮的数据也变为X/,C2中还是X。如果通过写回策略，这是内存中还是X。在这两种情况下都会发牛:数据不一致性。(1)进程迁移引起的数据不一致性。P1中有共享数据X的拷贝，某时刻P1进程把它修改为X并采用了写回策略，山于某种原因进程从P1