第6章并行处理机
08系统结构练习题
第一章、概论1、在计算机系统的层次结构中，从低层到高层，各层相对顺序正确的是（ ）。
A ．汇编语言机器级——操作系统机器级——高级语言机器级B ．微程序机器级——传统机器语言机器级——汇编语言机器级C ．传统机器语言机器级——高级语言机器级——汇编语言机器级D ．汇编语言机器级——应用语言机器级——高级语言机器级2、直接执行微指令的是（ ）。
A ．汇编程序B ．编译程序C ．硬件D ．微指令程序3、在计算机的系统结构设计中，提高硬件功能实现的比例会（ ）。
A ．提高硬件利用率B ．提高系统的运行速度C ．减少需要的存储器量D ．提高系统的性能价格比4、在计算机的系统结构设计中，提高软件功能实现的比例会（ ）。
A ．提高解题速度B ．减少需要的存储器量C ．提高系统的灵活性D ．提高系统的性能价格比5、在CISC 中，各种指令的使用频度相差悬殊，大致有以下的结果。
大约有 （比例）的指令使用频度较高，占据了 （比例）的处理机时间。
名词解释：CPI 、 Amdahl 定律、局部性原理、透明性1、 计算机系统的Flynn 分类法是按什么来分类的，共分为哪几类，简要说明各类的特征。
2、如有一个经解释实现的计算机，可以按功能划分成4级。
每一级为了执行一条指令需要下一级的N 条指令解释。
若执行第一级的一条指令需K ns 时间，那么执行第2、3、4级的一条指令各需用多少时间。
4、用一台40MHZ 处理机执行标准测试程序，它含的混合指令数和相应所需的时钟周期数如下：求有效CPI 、MIPS 速率和程序的执行时间。
5、假设高速缓存Cache 的工作速度为主存的5倍，且Cache 被访问命中的概率为90%，那么采用Cache 后能使整个存储系统获得多高的加速币？6、如果某计算机系统有3个部件可以改进，则这三个部件经改进后的加速比分别为：S1=30，S2=20，S3=10。
（1）如果部件1和部件2改进前的执行时间占整个系统执行时间的比例都为30%，那么，部件3改进前的执行时间占整个系统执行时间的比例为多少，才能使3个部件都改进后的整个系统的加速比Sn 达到10？36%（2）如果3个部件改进前执行时间占整个系统执行时间的比例分别为30%、30%和20%，那么，3个部件都改进后系统的加速比是多少？未改进部件执行时间在改进后的系统执行时间中占的比例是多少？4.1，0.82指令类型 指令数 时钟周期数 整数运算 45000 1 数据传送 32000 2 浮点 15000 2 控制传送 8000 21、RISC思想的精华是。
操作系统6处理机管理习题
第六章处理器管理练习题(一)单项选择题1．多道程序设计系统中，让多个计算问题同时装入计算机系统的主存储器( )。
A．并发执行B．顺序执行C．并行执行D．同时执行2．引入多道程序设计技术后，处理器的利用率( )。
A．有所改善B．极大地提高C．降低了D．无变化，仅使程序执行方便3．计算机系统采用多道程序设计技术后，（)。
A．缩短了每个程序的执行时间B．系统效率随并行工作道数成比例增长C．提高了系统效率D．使用设备时不会发生冲突4．进程是( )。
A．一个系统软件B．与程序概念等效C．存放在内存中的程序D．执行中的程序5.进程的( )和并发性是两个很重要的属性。
A．动态性 B.静态性C．易用性D．顺序性6．( )是完成操作系统功能的进程。
A．用户进程B．系统进程C．并发进程D．编译进程7．可再入程序必须是纯代码，在执行中( )。
A.可以随意改变B．计算结果相同C．自身不改变D．要求输入相同的数据8．已经获得除( )以外所有运行所需资源的进程处于就绪状态。
A主存储器B．打印机C．CPU D．磁盘空间9．在一个单处理器系统中，处于运行态的进程( )。
A．可以有多个B．不能被打断C．只有一个D．不能请求系统调用10.对于一个单处理器系统来说,允许若干进程同时执行，轮流占用处理器．称它们为（)的。
A．顺序执行B．同时执行C．并行执行D．并发执行11．操作系统根据( )控制和管理进程，它是进程存在的标志。
A．程序状态字B．进程控制块C．中断寄存器D．中断装置12．若干个等待占有CPU并运行的进程按一定次序链接起来的队列为( )。
A．运行队列B．后备队列C．等待队列D．就绪队列13．用户从终端上输入一条命令，即产生了( )。
A．程序性中断事件B．外部中断事件C．输入输出中断事件D．自愿性中断事件14．( )的断点是确定的。
A．硬件故障中断B．自愿性中断C．程序性中断D．外部中断15．自愿性中断事件是由( )引起的。
微机第6章并行通信和串行通信
(3)异步传送：5~8位/字符，时钟速率为通信波 特率的1、16或64倍
(4)可自动产生、检测和处理终止字符， 可产生1、1.5或2位的停止位
(5)波特率在同步方式时为0～64Kbps， 异步方式时为0～19.2Kbps
(6)全双工、双缓冲器发送器和接收器
3. 信号传输方式（续）
常用的调制方式有三种： 调幅、调频和调相，分别如下图所示。
4. 调制解调器
• 调制（Modulating）
– 把数字信号转换为电话线路传送的模拟信号
• 解调（Demodulating）
– 将电话线路的模拟信号转换为数字信号
• 调制解调器MODEM
– 具有调制和解调功能的器件合制在一个装置
与并行相比串行通信的特点
将数据分解成二进制位用一条信号线， 既传送数据信息，又传送控制信息
要求数据格式固定，分为异步和同步数 据格式
串行通信中对信号的逻辑定义与TTL不 兼容，需进行逻辑关系和逻辑电平转换
串行传送信息的速率需要控制，要求双 方约定通信传输的波特率
6.4 可编程并行通信接口芯片8255A
3．端口C的使用较特殊，除工作在方式0作为数据端 口之外，当工作在方式1和方式2时，它的大部分 引脚被用作联络信号，端口C还可以进行按位置位 /复位操作
二．8255A的编程结构
8255A由以下几部分组成：见图 1．三个数据端口A，B，C 这三个端口均可看作是I/O 口，但它们的结构和功能也 稍有不同。 A口：是一个独立的8位I/O 口，它的内部有对数据
字符速率与波特率两者关系
字符速率：每秒钟传输的字符数。 波特率：指单位时间内传送二进制数据的 位数。单位为：b/s
第6章阵列处理机
第 6 章 并行处理机和相联处理机
第6章 阵列处理机
6.1 阵列处理机的原理
第 6 章 并行处理机和相联处理机
6.1.2 ILLIACⅣ的处理单元阵列结构 由于阵列处理机上的并行算法的研究是与结构紧密联系 在一起的，因此，下面先介绍一下ILLIACⅣ阵列机上处理单 元的互连结构。ILLIACⅣ是采用如图6-1所示的分布存储器构 形，其处理单元阵列结构如图6-3所示。其中，PUi 为处理部 件，包含64位的算术处理单元PEi、所带的局部存储器PEMi和
用到下面的累加和并行算法。即使如此，就K的并行来说，
速度的提高也不是8倍，而只是8/log28，接近于2.7倍。
第 6 章 并行处理机和相联处理机
3.累加和 这是一个将N个数的顺序相加转为并行相加的问题。为 得到各项累加的部分和与最后的总和，要用到处理单元中的 活跃标志位。只有处于活跃状态的处理单元才能执行相应的 操作。为叙述方便取N=8，即有8个数A(I)顺序累加，其中 0≤I≤7。 在SISD计算机上可以写成下列FORTRAN程序： C=0
PEM内，且在全部64个PEM中，让A、B和C的各分量地址
均对应取相同的地址α、α+1和α+2，如图6-4所示。这样， 实现矩阵加只需用下列三条ILLIACⅣ汇编指令：
第 6 章 并行处理机和相联处理机
LDA ADRN
Hale Waihona Puke ALPHA ;全部(α)由PEMi送PEi的累加器RGAi ALPHA+1 ;全部(α+1)与(RGAi)浮点加，结果送 RGAi
操作系统概论 第6章 并发进程 课件
进程的交互：竞争与协作
并发进程之间的竞争关系
共享资源
进程的互斥
并发进程之间的协作关系
进程的相互合作
进程的同步
进程的交互：竞争与协作
第一种是竞争关系
资源竞争的两个控制问题：
一个是死锁(Deadlock)问题
一个是饥饿(Starvation) 问题
既要解决饥饿问题，又要解决死锁问题
CPU利用率= 40/80 = 50%
DEV1利用率=18.75%
DEV2利用率= 31.25%
程序并发执行
在并发环境下
CPU利用率=89% DEV1并发环境下利用=33% DEV2并发环境下利用=66%
并行和并发
在单CPU系统中，系统调度在某一时刻只能让一个 线程(进程)运行，虽然这种调度机制有多种形式(大 多数是时间片轮巡为主)，但无论如何，要通过不断 切换需要运行的线程让其运行的方式就叫并发 (concurrent)。 而在多CPU系统中，可以让两个以上的线程(进程) 同时运行，这种可以同时让两个以上线程同时运行 的方式叫做并行(parallel) 多道程序设计和并发的关系
程被置成等待信号量s的状态 */
end; procedure V(var s:semaphore); begin s := s + 1; /* 把信号量加1 */ if s <= 0 then R(s); /* 若信号量小于等于0，则释放
一个等待信号量s的进程 */
end;
p、v操作
(1) p操作 对信号量s的 p操作记为 p(s)。p(s)是一个不可分割的原语 操作，即取信号灯值减1，若相减结果为负，则调用p(s)的进程 被阻，并插入到该信号量的等待队列中，否则可以继续执行
6计算机组成原理第6章流水线原理
结果
6.1 先行控制技术
• 先行控制（look-ahead）技术最早在IBM公司研制的 STRETCH机器中采用。目前，许多处理机中都已经采 用了这种技术，包括超流水处理机和超标量处理机等。
6.4 线性流水线性能分析
衡量流水线的主要指标有吞吐率，加速比和效率。
6.4.1 吞吐率TP
吞吐率（TP ── ThroughPut）指流水线在单位时间内执行的任务数， 可以用输入任务数或输出任务数表示。
TP n Tk
其中k表示流水线划分的段数。
当满足 ti 条t 件时，有 Tk (n k 1) t。
第6章 流水线原理及其 §1 重叠方式
通常提高指令执行速度的途径有如下三种： 1. 提高处理机的工作主频。 2. 采用更好的算法和设计更好的功能部件。 3. 多条指令并行执行，称为指令级并行技术。
• 可以从两个方面来开发处理机内部的并行性：
– 空间并行性：即在一个处理机内设置多个独 立的操作部件，并让这些操作部件并行工作， 这种处理机称为多操作部件处理机或超标量 处理机;
• 超长指令字技术VLIW：指让一条指令包含多个独立的操 作字段，并且分别控制多个功能部件并行工作的技术。
一．重叠解释方式
1.一条指令的几个过程段
1）取指令：根据PC（指令计数器）从M（存储器）取 出指令送到IR（指令寄存器）
2）译码分析：译出指令的操作性质，准备好所需数 据
3）执行：将准备好的数按译出性质进行处理，主要 涉及ALU（算术逻辑运算部件）
并行计算(陈国良版)课后答案解析
第三章互连网络3.1 对于一颗K级二叉树（根为0级，叶为k-1级），共有N=2^k-1个节点，当推广至m-元树时（即每个非叶节点有m个子节点）时，试写出总节点数N的表达式。
答：推广至M元树时，k级M元树总结点数N的表达式为：N=1+m^1+m^2+...+m^（k-1）=(1-m^k)*1/(1-m);3.2二元胖树如图3.46所示，此时所有非根节点均有2个父节点。
如果将图中的每个椭圆均视为单个节点，并且成对节点间的多条边视为一条边，则他实际上就是一个二叉树。
试问：如果不管椭圆，只把小方块视为节点，则他从叶到根形成什么样的多级互联网络？答：8输入的完全混洗三级互联网络。
3.3 四元胖树如图3.47所示，试问：每个内节点有几个子节点和几个父节点？你知道那个机器使用了此种形式的胖树？答：每个内节点有4个子节点，2个父节点。
CM-5使用了此类胖树结构。
3.4 试构造一个N=64的立方环网络，并将其直径和节点度与N=64的超立方比较之，你的结论是什么？答：A N=64的立方环网络,为4立方环（将4维超立方每个顶点以4面体替代得到），直径d=9，节点度n=4B N=64的超立方网络，为六维超立方（将一个立方体分为8个小立方，以每个小立方作为简单立方体的节点，互联成6维超立方），直径d=6，节点度n=63.5 一个N=2^k个节点的de Bruijin 网络如图3.48。
试问：该网络的直径和对剖宽度是多少？答：N=2^k个节点的de Bruijin网络直径d=k 对剖宽带w=2^(k-1)3.6 一个N=2^n个节点的洗牌交换网络如图3.49所示。
试问：此网络节点度==？网络直径==？网络对剖宽度==？答：N=2^n个节点的洗牌交换网络，网络节点度为=2 ，网络直径=n-1 ，网络对剖宽度=43.7 一个N=（k+1）2^k个节点的蝶形网络如图3.50所示。
试问：此网络节点度=？网络直径=？网络对剖宽度=？答：N=（k+1）2^k个节点的蝶形网络，网络节点度=4 ，网络直径=2*k ，网络对剖宽度=2^k3.9 对于如下列举的网络技术，用体系结构描述，速率范围，电缆长度等填充下表中的各项。
《操作系统》课程教学大纲
《操作系统》课程教学大纲一、教学大纲说明(一)课程的地位、作用与任务《操作系统》是信息类计算机应用专业学生必修的公共基础课之一，是一门涉及较多硬件知识的计算机系统软件课程。
在计算机软硬件课程的设置上，它起着承上启下的作用。
其特点是概念多、较抽象和涉及面广，其整体实现思想和技术又往往难于理解。
操作系统对计算机系统资源实施管理，是所有其他软件与计算机硬件的唯一接口，所有用户在使用计算机时都要得到操作系统提供的服务。
因此本课程的目的与任务是使学生通过本课程的学习，理解操作系统的基本概念和主要功能，掌握常用操作系统（如UNIX、xinux）的使用和一般管理方法，了解它是如何组织和运作的，从而为学生以后的学习和工作打下基础。
先修课要求，本课程在学习之前最好具有计算机组成原理、程序设计语言的知识。
(二)课程的教学目的和要求通过本课程的学习，使学生较好地掌握操作系统在计算机系统中的重要作用和基本工作原理。
了解操作系统发展过程、新技术的应用。
理解操作系统的基本概念和主要功能，掌握常用操作系统及它们的使用和一般管理方法，为今后的进修、应用实务作好技术准备。
掌握：基本概念包括：多道程序设计、并发、分时、作业、进程、互斥与同步、周转时间、吞吐量、重定位、连接、虚拟存储、虚拟设备、死锁、线程。
基本知识：计算机系统资源（处理机、存储器、设备、文件）的管理策略。
基本技能：管理系统资源的常用命令、系统配置与维护的方法和技术。
理解重点：进程概念、存储管理（尤其虚拟存储）的各种策略、文件系统的管理、设备的管理和配置。
结合具体现代操作系统加深理解。
了解难点：进程的概念及其与程序的区别、进程间同步与互斥的正确实现、虚拟设备与虚拟存储。
Unix,Windows NT的系统结构、功能特点。
(三)课程的教学方法与手段１、本课程概念多、较抽象、涉及面广，因此教学形式以讲授方式为主。
约佔80%。
实验与自学约佔20%。
教师应该提供自学提纲并适当辅导。
组成原理课件——第6章阵列处理机和相联处理机
ILLIAC Ⅳ的组成
第 6 章 阵列处理机和相联处理机 PU56 PU63 PU0 PU57 PU1 PU58 PU7
PU8
PU7
PU8
PU9
PU15
PU16
PU55
PU56
PU0
PU57
PU1
PU63
PU7
PU0
ILLIAC-IV的处理单元互连结构
第 6 章 阵列处理机和相联处理机
特点: (1)闭合螺线阵列
的基本构件组合而成，模块性好；
第 6 章 阵列处理机和相联处理机
2.互连函数 互连网络的连接特征一般用一组互连函数表示。 互连函数：出端编码是入端编码的排列、组合、移位、取反 等操作的结果。表示所有入端与出端的连接关系。 互连函数有2种表示方法： (1)输入输出对应表示法 输入: 0 1 2 3 4 5 6 7 互连 0 1 N-1 输出: 1 0 3 2 5 4 7 6 函数 f(0) f(1) f(N-1) (2)函数式表示法： 入端编码表示： x = bn-1…b0 n=log2N 出端编码表示：f(x) = 基于bn-1…b0的操作的结果。 自变量和函数可以用二进制表示，也可以用十进制等表示
一． 矩阵加 矩阵加(配比加)是最简单的情况。假定两个8*8的矩阵 A、B相加，所得结果矩阵C也是一个8*8的矩阵 。设A、B 的分量元素分别存在PEM i的Z,Z+1单元中,所得结果矩阵C 各分量存在PEM i 的Z+2单元中 用下面三条指令可一次完成(64个处理单元并行) LDA Z；全部（Z）由PEMi送到PE的累加器RGAi ADRN Z+1；全部（Z+1）与（RGAi）进行浮点加，结果 送RGAi STA Z+2；全部（RGAi）由PE送到PEMi的（Z+2）单元
并行体系结构课后答案
第一章绪论什么是并行计算机答：简单地讲，并行计算机就是由多个处理单元组成的计算机系统，这些处理单元相互通信和协作，能快速高效求解大型的复杂的问题。
简述Flynn分类法：答：根据指令流和数据流的多重性将计算机分为：1）单指令单数据流SISD2）单指令多数据流SIMD3）多指令单数据流MISD4）多指令多数据流MIMD简述当代的并行机系统答：当代并行机系统主要有：1）并行向量机（PVP）2）对称多处理机（SMP）3）大规模并行处理机（MPP）4）分布式共享存储（DSM）处理机5）工作站机群（COW）为什么需要并行计算机答：1）加快计算速度2）提高计算精度3）满足快速时效要求4）进行无法替代的模拟计算简述处理器并行度的发展趋势答：1）位级并行2）指令级并行3）线程级并行简述SIMD阵列机的特点答：1）它是使用资源重复的方法来开拓计算问题空间的并行性。
2）所有的处理单元（PE）必须是同步的。
21m 3）阵列机的研究必须与并行算法紧密结合，这样才能提高效率。
4）阵列机是一种专用的计算机，用于处理一些专门的问题。
简述多计算机系统的演变答：分为三个阶段：1）1983-1987年为第一代，代表机器有：Ipsc/1、Ameteks/14等。
2）1988-1992年为第二代，代表机器有：Paragon 、Intel delta 等。
3）1993-1997年为第三代，代表机器有：MIT 的J-machine 。
简述并行计算机的访存模型答：1）均匀存储访问模型（UMA ）2）非均匀存储访问模型（NUMA ）3）全高速缓存存储访问模型（COMA ）4）高速缓存一致性非均匀访问模型（CC-NUMA ）简述均匀存储访问模型的特点答：1）物理存储器被所有处理器均匀共享。
2）所有处理器访问任何存储字的时间相同。
3）每台处理器可带私有高速缓存。
4）外围设备也可以一定的形式共享。
简述非均匀存储访问模型的特点答：1）被共享的存储器在物理上分布在所有的处理器中，其所有的本地存储器的集合构成了全局的地址空间。
第六章并行处理和多处理
BSP的五级数据流水线构图
17个存储块 存储器
（集中式共享存贮器）
NW1 对准网络
指令译码 控制部件
NW2 对准网络
处理器
16个处理单元
BSP的五级数据流水线 在BSP中，存储器-存储器型的浮点运算是流水进行的。 BSP的流水线组织由五个功能级组成。尤其是并行处理机包括 有16个处理单元、17个存储器模块和2套互连网络（亦称对准 网络）组合在一起，就形成了一条五级的数据流水线，使连续 几条向量指令能在时间下重叠起来执行。 作用： （1）由17个存储器模块并行读出16个操作数； （ 2 ）经对准网络 NW1 将 16 个操作数重新排列成 16 个处理单元 所需要的次序； （3）将排列好的16个操作送到并行处理单元完成操作； （ 4 ）所得的 16 个结果经过对准网络 NW2 重新排列成 17 个存储 器模块所需要的次序； （5）写入存储器；
对处理单元阵列实现控制,(发控制信号,广播公共地址, 广播公共数据)对指令流进行译码控制,利用CU内部资源可以进 行标量操作,接受和处理各类中断，其他输入输出操作。 •I/O系统 由磁盘文件系统DFS，输入输出子系统和宿主计算机S/C 构成（驻留操作系统，编译程序，I/O服务程序等）
控制器CU
ADB
6.2
并行处理技术及发展
提高计算机系统的并行性的技术途径：(单机系统) 时间重叠（Time Interleaving）：在并行性概念中引入时间 因素。让多个处理过程在时间上相互错开，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速度。 资源重复（Resource Replication）：并行性概念中引入空 间因素。通过重复设置的硬件资源来提高系统可靠性或性能。 例如，通过使用两台或多台完全相同的计算机完成同样的任务 来提高可靠性。 资源共享（Resource Sharing）：利用软件的方法让多个用 户按一定时间顺序轮流地使用同一套资源，以提高其利用率， 这样相应地提高整个系统的性能。例如多道程序分时系统. (多机系统) 功能专用化,机间互连,网络化技术途径发展成 异构型多处理机,同构型多处理机,分布式处理机系统
第6章CPLD配置讲稿
第6章CPLD配置讲稿
用微处理器对FPGA进行PPS方式配置。
l 在PPS方式配置(被动并行同步配置)方式中，从PC机的并口发出编程数 据， nCONFIG引脚被智能主机（如单片机）所控制。
第6章CPLD配置讲稿
JTAG接口
l JTAG接口使用TDI、TDO、TCK、TMS四个管脚。 其中：
l TDI：串行数据输入端， l TDO：串行数据输出端， l TCLK：串行时钟， l TMS：JTAG状态机模式控制端。 l TDI、TDO、TMS的数据在TCLK时钟的配合下，将
数据串行移位到CPLD内部JTAG移位寄存器中。
第6章CPLD配置讲稿
第6章CPLD配置讲稿
第6章CPLD配置讲稿
第6章CPLD配置讲稿
第6章CPLD配置讲稿
第6章CPLD配置讲稿
第6章CPLD配置讲稿
被动串行配置（PS）方式
l 在被动串行配置（PS）方式中，从PC机的串口发出 编程数据，由BitBlaster下载电缆或接口微处理器产 生一个由低到高的跳变送到nCONFIG引脚，然后微 处理器或编程硬件将配置数据送到DATA0引脚，该 数据被琐存，直至CONF_DONE变为高电平。它先 将每字节的最低位LSB送到FPGA器件。
2）被动配置方式。 在这种配置方式下,由外部CPU或控制器（如单片机） 控制配置的过程。
第6章CPLD配置讲稿
FLEXl0K/ EP1K系列器件有五种配置方式：
第6章CPLD配置讲稿
计算机组成原理(第六章)
• • • • 中央处理器（CPU）由运算器和控制器组成。 运算器主要用来完成各种算术和逻辑运算功能； 寄存器：用来存放中间结果、缓冲作用 控制器是全机的指挥中心，在在它的控制下，计算机总是遵循“取指令， 执行指令，取下条指令，执行下条指令…”这样周而复始地工作直到停机 为止。 控制器对指令的执行过程的控制有三种方式： – 同步控制方式
• 现代计算机系统广泛采用的方式 • 基本思想：将每个指令周期分成多个机器周期，每个机器周期中再分成 多个节拍，于是各条指令可取不同的机器周期数作为各自的指令周期。 如简单指令包含一个机器周期，复杂指令可包含多个机器周期。 • 这种方式不浪费很多时间，控制上又不十分复杂。
二、控制器的功能与组成 1、控制器的功能
WE M
RD M
RD M
ZF＝1？
IR(ADR)→PC
写入操作
读出操作
AC+MDR→AC
读出操作
AC∩MDR→AC
0→启停逻辑
第六章 中央处理器 (10)
四、时序部件
– 指令的执行过程严格按照指令操作流程图所规定的时序定时； – 时序部件用来产生必要的时序信号为机器周期和节拍信号定时； – 根据组成计算机各部件的器件特性，时序信号通常采用“电位－脉 冲”制。 – 时序部件的构成
C0～C31
译码器
Hale Waihona Puke XXXXX 控制字段源部件地址
目标部件地址
地址字段
第六章 中央处理器 (19)
(2)、微指令的地址字段 – 微程序有两种不同的顺序控制方式：断定方式和增量方式。两种方 式下地址字段的设置不同。 – 断定方式
• 微指令在CM可不顺序存放 • 外部测试条件的考虑
第6章多计算机系统
5、开关枢纽形式
• 将互连结构设置在PE或其接口内部，组成分布 结构(松耦合)。 • 开关枢纽：由仲裁单元和开关单元组成，端口 数不能多。 • 结构：由开关枢纽组成各种结构，如树形结构。 • 开关枢纽网络适宜于PE数较多的系统。
2018/12/11
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6.2 多机系统中的并行性分析
互连网络
P/C LM NIC …
P/C LM NIC
SM
SM … SM
互连网络
大规模并行处理机(MPP)
并行向量处理机(PVP)
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多处理机系统结构（二）
结点 结点
P/C P/C P/C … P/C 互连网络 LM DIR NIC …
P/C LM DIR NIC
SM
SM … SM
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3、并行程序设计语言
• 开发方式 设计全新的并行程序语言，难度非常大； 扩充原来的串行语言的语法成份，使它支持并行 特征 不改变串行语言，仅为串行语言提供可调用的并 行库 • 扩展语言的并行结构 FORK－JOIN(在不同的机器上有不同的表现形式） 块结构语言：cobegin-coend(或parbeginparend)
•第1章 •第2章 •第3章 •第4章 •第5章 •第6章 •第7章
计算机系统设计基础 数据表示与指令系统性能分析 通道处理机 流水技术和向量处理 阵列计算机 多处理机系统 其它计算机结构
2018/12/11
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第6章 多处理机系统
6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 基本概念与机间互连形式 多处理机系统中并行性分析 共享存储器体系结构 消息传递体系结构 MPI并行程序设计基础
并行处理机获奖课件
111 111
111
Cube0
Cube1
Cube2
扩展成超立方体：
有n=log2N个互连函数； Cubei=(bn-1…bi…b0)； 最大连接度=log2N； 结点最大间距=log2N。 应用：几种互连函数反复调用，任意结点间可连接。
2.PM2I单级网络（循环移数网络）
出端编码与连接旳入端结点编码相差2i。
2 2[log2(N+1)-1]
3 log2N
1
动态：没有源开关，借助控制信号重新组合。
单级循环网、多种多级互连网络。
4.设计思绪
根据应用需要（互连网络属性），选择合 理旳特征方式，考虑互连网络旳性能原因， 综合加以合理组合。
目的：低成本、高灵活性、高连接度、低延时、适 合VLSI。
5.互连网络表达
以STARAN网络为例简介。
互换开关：二功能（直通和互换）
拓扑构造：第i级为Cubei； 为何只有三级？
(1)互换功能
入端
控制：级控制(开关为1时互换功能，不然为直通)
0 1 2 3 4 5 6 7
功 能
级控制信号（k2k1k0）
000 001 010 011 100 101 110 111
0
1
2
应用： 屡次调用混洗互换互连函数，可实现任意结点间
旳连接。
4.总结 (1)单级互连网络特征
任一单级互连网络均可表达成N入
N出旳过程。
任一单级互连网络可实现部分结点(一对或几对) 间旳连接，不能实现任意多对结点间旳同步连接。
单级互连网络含义：某些连接措施或拓扑构造。 (2)单级互连网络应用
利用单级互连网络旳特征作为实际IN旳拓扑构造； 经过互换开关作为IN旳可变原因； 经过互换开关屡次控制实现IN旳结点间任意互连。
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2009年6月15日，国内首台百万亿次超级计算机“魔方”，在上海正式启用。“魔方” 不但是亚洲第一的超级计算机，也是目前美国本土之外唯一计算速度排名进入全球前十 的超级计算机，表明中国成为全球第二个能够研发百万亿次超级计算机的国家。
2009年10月29日，我国首台千万亿次超级计算机系统——“天河一号”由国防科学技 术大学研制成功。该系统突破了多阵列可配置协同并行体系结构、高速率可扩展互连通 信、高效异构协同计算、基于隔离的安全控制、虚拟化的网络计算支撑、多层次的大规 模系统容错、系统能耗综合控制等一系列关键技术，系统峰值性能达每秒1206万亿次双 精度浮点运算，内存总容量98TB，点点通信带宽每秒40Gb，共享磁盘容量为1PB，具有 高性能、高能效、高安全和易使用等显著特点，综合技术水平进入世界前列。
PU63
闭
合
PU7
PU8
螺
旋
阵
PU15
PU16
列
PU55
PU56
PU57
PU63
PU0
PU0
PU1
PU7
任意两个处理单元之间的最短距离不会超过√N-1步
PU0
PU1
PU2
PU3
闭
合
螺
旋
阵
PU4
PU5
PU6
PU7
列
PU8
PU9
PU10
PU11
PU12
PU13
PU14
PU15
6、SIMD计算机的互连网络 SIMD互连网络的设计目标： 结构要简单，以降低成本； 连接要灵活，以满足算法和应用的需要； 中转传送的步数要少，以提高阵列运算速度； 规整性、模块性要好，以便可以采用基本构件来组合，增强系统的可扩充性，也便于大规模集 成。 互连网络的连接规律可以用互连函数来表示，它反映了所有N个入端同时存在的入端j连至出端f （j）的函数关系。000 100Z001 X101
(2)、PM2I单级网络
PM2I单级网络是“加减2 i”（Plus – Minus 2 i ）单级网络的简称。能实现与 j 号处理单 元直接相连的是号为 j ± 2 i 的处理单元。即： PM2 +i ( j ) = j + 2 i mod N PM2 -i ( j ) = j - 2 i mod N 式中，0 ≤j ≤N-1， 0 ≤I ≤n-1，n = log 2 N 实际上PM2I互连网络只有2n-1种不同的互连函数。 最大距离：「n / 2」
“神威”巨型计算机
1999年8月
“神威”计算机有384个CPU，内存总容 量为48GB，峰值运行速度达到了每秒 3840亿次。
国家最高科学技术奖 2010年 师昌绪 （著名材料科学家 ） 王振义 （血液学专家 ） 2009年 谷超豪 （著名数学家） 孙家栋（运载火箭与卫星技术专家） 2008年 王忠诚 （神经外科专家） 徐光宪（化学家） 2007年 闵恩泽（石油化工催化剂专家） 吴征镒（著名植物学家） 2006年 李振声（遗传学家，小麦远缘杂交的奠基人） 2005年 叶笃正（世界著名气象学家）， 吴孟超（世界著名肝脏外科学家） 2004年 空缺 2003年 刘东生（著名地球环境科学家） 王永志（著名航天技术专家） 2002年 金怡濂（高性能计算机领域的著名专家） 2001年 王选（汉字激光照排系统创始人） 黄昆（著名物理学家） 2000年 吴文俊（世界著名数学家）
我国超级计算机的发展和应用
银河-I巨型计算机 1983年12月 银河-II巨型计算机 1992年11月 银河-II主机为我国高性能向量中央处理机 共享主存紧耦合系统，基本字长64位，峰值速度为每秒10亿 次以上运算操作，拥有两个独立的输入输出子系统。各项技 术指标达到了八十年代中后期国际先进水平。 银河-III巨型计算机 1997年6月 银河III采用分布共享存储结构，峰值性能达到每秒130亿浮 点运算。具有良好的可扩展性，银河III在MPP资源管理与处 理机调度、并行I/O软件、高性能优化编译、网络软硬件设计 等技术方面均达到国内领先水平，系统综合技术达到当时国 际先进水平。
“魔方”的诞生将中国的超级计算一下子带入了百万亿次计算时代，但是应用却仍 停留在几万亿次到几十万亿次的水平，中间至少相差了一代。因为现在能够写此类软件 的人才太过稀少，硬件跟软件的关系就像“修了一条好路，却没有好车”。
一、并行处理机
1、概念： 并行处理机是将重复设置的N个处理单元，按一定方式互连组成阵列，在单一控制部
1010
A B 8 9 E F (1111) C (1100) D (1101) 2 (0010) 3 (0011) 0 (0000) 1 (0001) 6 7 4 (0100) 5
i入
i出
直连——i 入连 i 出, j 入连 j 出
交换——i 入连 j 出, j 入连 i 出
j入
j出
上播——i 入连i 出和 j 出, j 入空
下播——j 入连i 出和 j 出, i 入空
交换开关只有直连和交换两种功能的称为二功能交换单元; 交换开关可以有直连、交换、上播和下播等四种功能的称为四功能交换单元;
曙光一号并行计算机是 1993 年我国自行研制的第一台用微处理器芯片（88100 微处理器）构成的 全对称紧耦合共享存储多处理机系统（SMP），最大支持 16 个 CPU（4 CPU 共享存储为一结点 主板，4 个主板通过 VME总线连接），系统外设采用 SCSI 设备，系统峰值定点速度每秒 6.4亿， 主存容量最大 768 MB。在对称式体系结构、操作系统核心代码并行化和支持细粒度并行的多线程 技术等方面实现了一系列的技术突破。硬件的技术突破包括多处理机共享内部总线协议设计、多 机中断控制器芯片设计等；软件包括 SNIX (Symmetric uNIX) 操作系统采用的细粒度加锁以及动 态分配 I/O 中断向量以实现多机系统对称式处理的方法；在 UNIX 核心中增加共享资源进程以及 成群调度 ( Gang Scheduling) 策略， 在用户空间以库函数的方式实现线程 ( Threads) 概念， 支持 中微粒度的并行计算等。
(1)、立方体单级网络 Y
010
110
基本的单级互连网络
011 111
N个节点的立方体单级网络共有n = log 2 N 种互连函数，
Cube i (P n-1…P i …P 1P 0 )
= P n-1…P i …P 1P 0
最大距离：n，即反复使用单级网 络，最多经过n次传送就可以实现 任意一对入、出端间的连接。
向量流水处理机：依靠的是在系统同一套资源中各个处理机、部件、子部件在时间上的重 叠使用，利用的是并行性中的并发性
解题通用性强，灵活性好，流水线各部件的时间利用率高，提高速度受到限制。
3、实质：异构型的多处理机系统 专门进行向量/数组运算的处理单元阵列 专门进行标量运算和处理的控制处理机CU 专门进行输入输出和运行操作系统的管理处理机SC 互连网络特别重要，它规定了处理单元的连接模式，决定了SIMD能适应的算法类别
件CU控制下，同时对处理单元各自分配到的数据并行完成同一条指令所规定的操作。又叫 阵列处理机，
是典型的指令操作级并行的SIMD计算机
2、特点：特别适于求解向量、阵列类的计算问题
阵列处理机：依靠处理单元的资源重复设置，利用的是并行性中的同时性；实现的是操作 级的并行
解题专用性强，灵活性差，处理单元的时间利用率低，但提高速度的潜力大
8 9 A
B C
D E F
0 (0000) 1 (0001) 2 (0010) 3 (0011) 4 (0100) 5 (0101) 输 6 (0110) 入 7 (0111) 端 8 (1000) 9 (1001) A (1010) B (1011) C (1100) D (1101) E (1110) F (1111)
CU
PE0
PE1
ICN
SC PEN-1
集中式共享存储器的并行处理机 构形:
系统存储器由N个存储体集中组 成，经互连网络ICN为全部N个 处理单元所共享
BSP
MM0
MM1
PEMN-1
I/O-CH
I/O
SM
5、处理单元阵列结构（以ILLIAC Ⅵ为例 ）
PU63 PU7
PU56 PU0 PU8
PU57 PU1 PU9
4、并行处理机的构形
CU CUM
SC
I/O接口
D
PEM0
PEM1
PE0
PE1
ICN
PEMN-1 PEN-1
分布式存储器的并行处理机构形: 各处理单元的局部存储器只能被本处理单元直接访 问； 在CU中有存放程序和数据的主存储器； ILLIAC Ⅵ、MPP、DAP、CM-2、
MP-1
4、并行处理机的构形
后一半在连至出端时正好一一隔开。
1 001 Shuffle(P n-1…P i …P 1P 0 ) = P n-2…P 1P 0 P n-1
特性：不可逆；
2 010
每全混一次，新的最高位就被移至最低位；当经过 n 次
全排列后，全部N各处理单元便又恢复到最初的排列顺序。在
3 011 多次全混的过程中，除了编号为全“0”和全“1”的处理单元外，
各个处理单元都遇到了与其他多个处理单元连接的机会。
4 100
5 101
6 110
7 111
全混交换单级网络——在全混的基础上再增加Cube 0交换函数。