第7章.多指令流多数据流计算机.ppt

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1、计算机系统结构教程武汉理工大学目录第7章多指令流多数据流计算机7.1MIMD计算机结构模型与访存模型7.2对称多处理机系统7.3大规模并行处理机系统7.4机群系统7.5分布式共享存储系统7.6并行算法的性能评测第7章多指令流多数据流计算机7.1MIMD计算机结构模型与访存模型本节首先介绍各类MIMD计算机的结构，然后抽象出具有普遍意义的MIMD计算机体系结构模型，包括MIMD计算机的结构模型和访存模型。并行计算机体系结构一般可分为以下6类：单指令流多数据流（SIMD）计算机；并行向量处理机（PVP）；对称多处理机（SMP

2、）；大规模并行处理机（MPP）；工作站机群（COW）和分布式共享存储系统（DSM）。其中后5种都属于多指令流多数据流（MIMD）计算机。7.1.1MIMD计算机结构模型5种MIMD并行计算机的结构如图7.1所示。其中，VP是向量处理机，SM是共享存储器，P/C是微处理器和高速缓存，LM是本地存储器，NIC是网络接口电路，MB是存储器总线，DIR是为解决高速缓存一致性问题而设置的高速缓存目录存储器，IOB是I/O总线，LD是本地磁盘，B是存储总线与I/O总线之间的接口。图7.15种MIMD计算机的结构模型五种MIMD计算和

3、结构特征比较MIMD计算机体系结构合一的结构模型20世纪90年代以后，上述各种并行计算机的体系结构呈现渐趋一致的趋势。促使体系结构渐趋一致而最终合一的主要因素是：所有体系结构都要求快速的高质量的互连网络；都希望尽量避免或降低延迟；都希望能尽量隐藏通信代价；都必须支持不同的同步形式；等等。根据各种MIMD计算机的体系结构渐趋一致的发展趋势，当代并行计算机的公共结构模型如图7.2所示。可扩放并行计算机公共结构模型7.1.2MIMD计算机访存模型1.均匀存储访问模型图7.3UMA多处理机模型UMA模型的特点①物理存储器（SM1

4、~SMm）被所有处理器均匀共享。所谓均匀共享是指：所有处理器访问任何存储器所需的时间都相同。②每个处理器可带有私有高速缓存。③外围设备以一定的形式被共享。2.非均匀存储访问模型图7.4NUMA多处理机模型NUMA模型的特点①被共享的存储器在物理上是分布在所有的处理器中，所有的本地存储器（LM1~LMn）的集合组成全局地址空间。②处理器访问存储器所需的时间不相等，访问本地存储器LM或通过群内互连网络（ClusterInterconnectionNetwork，CIN）访问群内共享存储器（ClusterSharedMemor

5、y，CSM）费时较少，访问非本地存储器或通过全局互连网络（GlobalInterconnectionNetwork，GIN）访问全局共享存储器（GlobalSharedMemory，GSM）费时较多，即所谓非均匀存储访问。③每个处理器可带有私有高速缓存，外设也可以以某种形式共享。3.全高速缓存存储访问模型全高速缓存存储访问（Cache-OnlyMemoryAccess，COMA）模型如图7.5所示，它是NUMA模型的一种特例。图7.5COMA多处理机模型COMA模型的特点①各处理器结点中没有存储层次结构，全部高速缓存组成

6、全局地址空间。②利用分布的高速缓存目录D对远程高速缓存进行访问。③COMA中的高速缓存容量一般都大于二级高速缓存容量。④开始使用COMA时，数据可以任意分配到高速缓存C中，在运行过程中，数据将被迁移到使用该数据的处理器结点的高速缓存中。4.高速缓存一致性非均匀存储访问模型高速缓存一致性非均匀存储访问模型如图7.6所示，它的一个结点实际上是一个SMP机器，通过互连网络把若干个SMP机器连接而成的一个较大规模的多处理机系统。图7.6CC-NUMA多处理机模型（RC：远程高速缓存）CC-NUMA模型的特点①绝大多数商用CC-N

7、UMA多处理机系统都使用基于目录的高速缓存一致性协议来维护Cache的一致性。②保留了SMP结构的易于编程的优点，同时也改善了常规SMP结构的可扩放性问题。③CC-NUMA模型实际上是一个分布共享存储（DSM）多处理机系统模型。④CC-NUMA模型最显著的优点是程序员无需明确地在结点上分配数据。5.非远程存储访问模型在一个分布存储的多处理机系统中，如果所有的存储器都是私有的，仅能由本地处理器访问，就称为非远程存储访问（NO-RemoteMemoryAccess，NORMA）。基于消息传递的NORMA多计算机一般模型如图7

8、.7所示。图7.7消息传递的NORMA多计算机一般模型NORMA模型的特点①每个结点都是由处理器（P）、本地存储器（M）和（或）I/O设备组成的自治计算机。多个结点由基于消息传递的互连网络互连。②所有的存储器都是私有的。③绝大多数NORMA都不支持远程存储器的访问。MIMD计算机的结构模型与访存模型的相互关系7.2对