并行计算机系统的性能问题ppt课件.ppt

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1、第13章并行计算机体系结构本章主要内容并行计算机系统结构概述并行计算机系统的设计问题并行计算机系统的互连网络并行计算机系统的性能问题并行计算机系统的软件问题SIMD计算机简介MIMD多处理机简介MIMD多计算机简介2计算机系统结构的发展历程硬件技术和系统结构软件和应用第一代（1945～1954）电子管和继电器。单CPU，以程序计数器PC和累加器顺序完成定点运算。机器语言或汇编语言。单用户。用CPU程序控制I/O。第二代（1955～1964）晶体管和磁芯存储器。用印制电路互连。变址寄存器，浮点运算；多路存储器，I/O处理机。有编译

2、程序支持的高级语言，子程序库，批处理监控程序。第三代（1965～1974）中小规模集成电路。多层印制电路。微程序设计，流水线，高速缓存，先行处理机。多道程序设计，分时操作系统，多用户应用。第四代（1975～1990）大规模集成电路。半导体存储器。多处理机，多计算机，向量超级计算机。用于并行处理的多处理机操作系统、专用语言和编译器；并行处理或分布计算的软件工具和环境。第五代（1991～现在）超大规模集成电路。高密度高速度处理器和存储器芯片，可扩展体系结构，因特网。大规模并行处理，Java语言，分布式操作系统，万维网，网格。3计算机

3、系统结构的发展方向第一个是改变冯.诺依曼机器的串行执行模式超标量计算机（执行多条指令）多处理机系统（共享集中或分布式存储器）大规模并行处理机MPP系统PC或工作站组成的机群系统4计算机系统结构的发展方向第二个是改变冯.诺依曼机器的控制驱动方式数据驱动方式：操作数到位即可运算，无序执行.数据流计算机是一种数据驱动式系统结构的计算机，只要指令所需的操作数准备好就可以立即启动执行，一条指令的运算结果又流向下一条指令，作为下一条指令的操作数来驱动该条指令的启动执行。程序中各条指令的执行顺序仅由指令间的数据依赖关系决定。需求驱动方式：驱动

4、方式与数据流相反，无序执行.需求驱动方式是一个操作仅在要用到其输出结果时才开始启动，如果这个操作的操作数没有准备好，那么它就去启动能够得到它的相应输入操作数的其他操作，这样的需求链一直延伸下去，直到遇到常数或者外部已经输入的数据为止，然后再反方向的执行运算。归约机就属于需求驱动式系统结构的使用函数式程序设计语言的计算机。模式匹配驱动方式：非数值型应用，主要对象为符号.在模式匹配驱动方式中，计算的进行是由谓词模式匹配来驱动的，而谓词是代表客体之间关系的一种字符串模式，主要用来求解非数值的符号演算。面向智能的Lisp机、Prolog

5、机和神经网络等就属于这种模式匹配驱动式系统结构的计算机。第一个发展方向已经取得了重大进展，取得了一系列的成果。而第二个发展方向，大多数还属于探索、研究阶段，还需要进行大量的工作。5计算机系统结构的分类方法过去曾普遍将计算机系统分为巨、大、中、小、微型机五类。划分原则：这种方法是按照规模、性能、速度以至价格的一种大致划分。存在问题：只能对同时期的计算机大致分类，划分的标准是随时间而变化，每５年左右降低一个等级；另外，这种划分方法不能反映机器的系统结构特征。设计方法：最高性能特殊用途最佳性能价格比一般商用计算机最低价格家用计算机等6

6、价最佳性能价格比格最高性能巨型机大型机等性能线中型机小型机最低价格微型机(超微型机)t-3t-2t-1tt+1时期7计算机原理及系统结构第五十三讲主讲教师：赵宏伟学时：64第13章并行计算机体系结构计算机系统结构的分类方法1966年，Michael.J.Flynn提出按指令流和数据流的多倍性对计算机系统结构进行分类。指令流是指机器执行的指令序列；数据流是由指令流调用的数据序列，包括输入数据和中间结果；多倍性是指在系统最受限制的部件上，同时处于同一执行阶段的指令或数据的最大数目。指令流数据流名称举例1个1个SISD传统的冯.诺依曼

7、计算机1个多个SIMD向量计算机，阵列处理机多个1个MISD目前还没有多个多个MIMD多处理机，多计算机10SISD体系结构处理器串行执行指令；或者处理器内采用指令流水线，以时间重叠技术实现了一定程度上的指令并行执行；甚至于处理器是超标量处理器，内有几条指令流水线实现了更大程度上的指令并行执行。但它们都是以单一的指令流从存储器取指令，以单一的数据流从存储器取操作数和将结果写回存储器。11SIMD体系结构有单一的控制部件，但是有多个处理部件。计算机以一个控制单元从存储器取单一的指令流，一条指令同时作用到各个处理单元，控制各个处理单

8、元对来自不同数据流的数据组进行操作。这种体系结构的典型代表是阵列处理机，一些学者认为将向量处理机也划入此类。12MISD体系结构多个处理单元，各配有相应的控制单元。各个处理单元接收不同的指令，多条指令同时在一份数据上进行操作。这种计算机体系结构是一种比较奇怪的组