并行计算体系结构2.ppt

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1、第13章并行计算机体系结构13.1计算机体系结构概述13.2并行计算机系统概述13.3并行计算机系统的设计问题13.4SIMD计算机简介13.5共享内存的多处理机13.6基于消息传递的多计算机系统13.1计算机体系结构概述冯·诺依曼机器机构（1）改变冯·诺依曼机器的串行执行模式（2）改变冯·诺依曼机器的控制驱动方式13.1.1计算机体系结构的发展今天计算机体系结构的研究内容进一步提高单个微处理器的性能基于微处理器的多处理器体系结构。全面提高计算机的系统性能：可用性，可维护性，可缩放性。新型器件的处理器。进一步提高单个微处理器的性能器件技术（2

2、005年的IC技术）200Mtransistors,0.1featuresize/onechip;2.0-3.5GHz,Pentium1GHz;0.9-1.2V(工作电压）高性能体系结构EmbeddedComputerSystem（嵌入式计算机系统）ReconfigurablecomputerArchitecturePower-awarecomputerArchitecture高性能处理器所采用的一些技术on-chipmultilevelcache及pre-fetchbuffer硬件实现进程的上下文切换大规模的片上分布式DRAM深度流水线8-

3、1220级以上AdvancedSuper-scalar：16-32指令/clockcycleSuper-speculativeProcessor：fine-grainheavyspeculationTraceProcessorVectorIntelligentRAMProcessor,V-IRAMon-chipmultiprocessorInstruction-levelDistributedProcessing(ILDP)ClusteredDependence-basedArchitecture新型器件的处理器光速极限问题IC电路有极限：

4、线宽不能无限缩小；性能价格+低功耗新型器件量子计算机：是利用原子所具有的量子特性进行信息处理的一种全新概念的计算机。（量子算法程序）光计算机分子计算机DNA计算机：利用DNA保存复杂信息的巨大存储能力。用核苷酸的排列表示各种信息，生物酶充当加减乘除操作，通过化学反应得出计算结果。13.1.2计算机系统的分类当前计算机的种类Flynn分类法SISDSIMDMISDMIMD冯氏分类法Handle分类法Kuck分类法当前计算机的种类1989IEEE电气与电子工程师委员会提出的计算机分类：个人计算机PersonalComputer(PC)工作站Wor

5、kStation(WS)小型机MiniComputer中型机Mainframe小巨型机Minisupercomputer巨型机Supercomputer*网络并行计算机Flynn分类法1966Flynn分类法:根据指令流和数据流的多倍性对计算机系统结构进行分类，基本思想:是计算机工作过程是指令流的执行和数据流的处理。指令流：机器执行的指令序列数据流：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：在系统性能的瓶颈部件上处于同一执行阶段的指令或数据的最大个数。１.单指令流单数据流SISD典型的SISD机器：传统的顺序计算机SISD机器结

6、构：CU：控制部件IS：指令流PU：处理部件DS：数据流MU：存储部件CUMUPUI/OISDSIS2.单指令流多数据流SIMD单指令流一多数据流SIMD超级计算机单控制器、多处理单元和多对数据进行处理PU：处理单元MM：本地存储器（分布存储器）3.多指令流单数据流MISD多指令流一单数据流MISD多个处理器，对同一数据流进行处理MM主存贮模块，SM共享存储器DSCU1PE1ISPEnCUn……IS…MM1MMn………DSI/O4．多指令流多数据流MIMD多机系统----多个处理器系统或多计算机系统每个处理机可以独立执行指令和处理数据一般并行

7、计算机大多采用这种结构。共享存储器为：紧耦合分布存储器为：松耦合I/OCU1PE1ISPEnCUnIS…SM…MM1MMn…ISISI/O冯氏分类法1972年，美藉华人冯泽云，提出根据最大并行度Pm进行分类最大并行度Pm：单位时间内能处理的最大二进制位数。设每个时钟Δti内处理Pi位数据，共T个时钟平均并行度：并行度取决于系统运行程度，与应用程序有关，平均利用率μ：两参数决定计算机并行度结构类型：字宽(W)：一个字中同时处理的二进制位数位宽(B)：一个位片中能同时处理的字数可构成四种计算机结构：字串行，位串行WSBS——W=1，B=1纯串行字

8、并行，位串行WPBS——W＞1，B=1传统并行单处理机字串行，位并行WSBP——W=1，B＞1MPP字并行，位并行WPBP——W＞1，B＞1PEPEHandle分类