并行计算机体系结构的分类
并行计算机体系结构的分类
并行计算机体系结构的分类并行计算机体系结构是指计算机系统中用于支持并行计算的硬件和软件组成的结构。
并行计算机体系结构的分类主要有按数据流方式分类和按处理器间通信方式分类两种。
一、按数据流方式分类1. 数据流体系结构(Dataflow Architecture)数据流体系结构是一种基于数据流的计算模型，它将计算任务表示为一组数据流，各个计算任务根据数据的可用性和依赖关系进行执行。
数据流体系结构具有高度的并行性和灵活性，能够充分利用计算资源，但对于控制流程和数据依赖的处理较为复杂，需要较为复杂的编程模型和编译技术支持。
2. 向量处理器(Vector Processor)向量处理器是一种基于向量指令集的并行计算机体系结构，它将一组数据元素作为一个向量进行处理，通过向量操作指令实现高效的数据并行计算。
向量处理器适用于科学计算、图像处理等需要大规模数据并行的应用，但对于控制流程处理有一定的限制。
3. SIMD体系结构(Single Instruction Multiple Data)SIMD体系结构是一种将多个处理器通过共享存储器连接在一起，使用相同指令并行处理不同数据的体系结构。
SIMD体系结构可以实现高效的数据并行计算，但对于控制流程处理较为复杂，需要通过向量控制指令来实现。
4. MIMD体系结构(Multiple Instruction Multiple Data)MIMD体系结构是一种将多个处理器通过网络或总线连接在一起，各个处理器可以独立执行不同的指令和数据的体系结构。
MIMD体系结构具有较高的灵活性和可扩展性，适用于各种类型的并行计算任务，但对于处理器间通信和数据同步有一定的挑战。
二、按处理器间通信方式分类1. 共享内存体系结构(Shared Memory Architecture)共享内存体系结构是一种多处理器体系结构，多个处理器通过共享同一块物理内存进行通信和数据同步。
共享内存体系结构具有较高的灵活性和编程模型友好性，但对于多处理器间的数据一致性和同步保护有一定的挑战。
计算机体系结构试题及答案
计算机体系结构试题及答案12008年01月23日22:211、计算机高性能发展受益于：(1)电路技术的发展；(2)计算机体系结构技术的发展。
2、层次结构：计算机系统可以按语言的功能划分为多级层次结构，每一层以不同的语言为特征。
第六级：应用语言虚拟机-> 第五级：高级语言虚拟机-> 第四级：汇编语言虚拟机-> 第三级：操作系统虚拟机-> 第二级：机器语言(传统机器级) ->第一级：微程序机器级。
3、计算机体系结构：程序员所看到的计算机的属性，即概括性结构与功能特性。
For personal use only in study and research; not for commercial use4、透明性：在计算机技术中，对本来存在的事物或属性，从某一角度来看又好像不存在的概念称为透明性。
5、Amdahl提出的体系结构是指机器语言级程序员所看见的计算机属性。
6、经典计算机体系结构概念的实质3是计算机系统中软、硬件界面的确定，也就是指令集的设计，该界面之上由软件的功能实现，界面之下由硬件和固件的功能来实现。
7、计算机组织是计算机系统的逻辑实现；计算机实现是计算机系统的物理实现。
8、计算机体系结构、计算机组织、计算机实现的区别和联系？答：一种体系结构可以有多种组成，一种组成可以有多种物理实现，体系结构包括对组织与实现的研究。
9、系列机：是指具有相同的体系结构但具有不同组织和实现的一系列不同型号的机器。
10、软件兼容：即同一个软件可以不加修改地运行于系统结构相同的各机器，而且它们所获得的结果一样，差别只在于运行时间的不同。
11、兼容机：不同厂家生产的、具有相同体系结构的计算机。
12、向后兼容是软件兼容的根本特征，也是系列机的根本特征。
13、当今计算机领域市场可划分为：服务器、桌面系统、嵌入式计算三大领域。
14、摩尔定律：集成电路密度大约每两年翻一番。
15、定量分析技术基础（1）性能的评测：（a）响应时间：从事件开始到结束之间的时间；计算机完成某一任务所花费的全部时间。
并行处理与体系结构
通信协议独立于通信硬件：如以太网 或HPS，都允许使用标准IP协议或IBM 专用用户空间协议。
哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院
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例题： MPI及超立方体计算机
消息传递接口(MPl)是使用少量独立(正交)语 言特征的佳例。
随着附加处理器的增多，系统性能会 有多大改进。
哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院
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例如，假定一个有n个处理器的系统， 作数据库服务器用
它拥有美国人口数据库，通常有100位 美国科学家查询，其性能为每秒1000个 事务处理(TPS)。
现在如果我们将处理器数加倍成2n，能 期望速度有多少改进?期望是多少？
所增加的资源中，处理器最为常见； 也可能是存储器容量和I／O容量。
哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院
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（2）问题规模可扩展性
是指系统在处理更大数据量和工作负载的 更大求解问题时其性能如何。
例如： 仍以上述的数据库服务器为例，如果该服
务器上装有中国人口的数据库，则此服务 器的服务质量将会如何? 注意到此数据库的大小已增至原来的5
实际系统总有一个最大存储器容量 的上限。例如：
IBM SP2中的每个结点最多可容纳2GB 存储器；
CrayT3D为64MB。
哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院
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（3）软件可扩展性
包括：
操作系统的一个新版本，它具有更多功 能性，如多线程，从而可支持更多的用 户进程，更大的地址空间以及更高效的 内核功能等。
哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院64哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院65哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院666419哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院67哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院68例如高位存储器扩充存储器和扩展存储器哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院69考虑到代的可扩展性ibmrs6000smp作了过度设计第一代的smp基于powerpc601处理器
并行计算体系结构
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最新的TOP500计算机
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最新的TOP500计算机
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来自Cray的美洲豹“Jaguar”，凭借1.75 PFlop/s(每秒1750万亿 次)的计算能力傲视群雄。“Jaguar”采用了224162个处理器核 心
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结构模型
共享内存/对称多处理机系统(SMP)
PVP：并行向量机
单地址空间 共享存ess) SMP：共享内存并行机（ Shared Memory Processors ）。多个处理器通过交叉开关 （Crossbar）或总线与共享内存互连。
来自中国的曙光“星云”系统以1271万亿次/s的峰值速度名列 第二
• 采用了自主设计的HPP体系结构、高效异构协同计算技术
• 处理器是32nm工艺的六核至强X5650，并且采用了Nvidia Tesla C2050 GPU做协处理的用户编程环境；
异构体系结构 专用 通用
TOP500中85%的系统采用了四核处理器，而有5%的系统已经使
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Cluster：机群系统
Cluster(Now,Cow)： 群集系统。将单个节点，用商业网 络 ：Ethernet，Myrinet，Quadrics， Infiniband，Switch等连结起来形成群 集系统。
• 每个节点都是一个完整的计算机 （SMP或DSM），有自己磁盘和操 作系统
系统在物理上分布、逻辑上共享。各结点有
自己独立的寻址空间。
• 单地址空间 、分布共享
• NUMA（ Nonuniform Memory Access ）
并行计算的基本原理
并行计算的特点
为利用并行计算，通常计算问题表现为以下特征： 为利用并行计算，通常计算问题表现为以下特征： （1）将工作分离成离散部分，有助于同时解决； ）将工作分离成离散部分，有助于同时解决； （2）随时并及时地执行多个程序指令； ）随时并及时地执行多个程序指令； （3）多计算资源下解决问题的耗时要少于单个计算资源下的耗时。 ）多计算资源下解决问题的耗时要少于单个计算资源下的耗时。 并行计算是相对于串行计算来说的， 并行计算是相对于串行计算来说的，所谓并行计算分为时间上的并行和 空间上的并行。 时间上的并行就是指流水线技术， 空间上的并行。 时间上的并行就是指流水线技术，而空间上的并行则是指用 多个处理器并发的执行计术语（2)
Shared Memory（共享内存）： ）：完全从硬件的视角来描述计算机体系 （共享内存）： 结构，所有的处理器直接存取通用的物理内存（基于总线结构）。在 编程的角度上来看，他指出从并行任务看内存是同样的视图，并且能 够直接定位存取相同的逻辑内存位置上的内容，不管物理内存是否真 的存在。 Symmetric Multi-Processor（对称多处理器）： ）：这种硬件体系结构 （对称多处理器）： 是多处理器共享一个地址空间访问所有资源的模型；共享内存计算。 Distributed Memory（分布式存储）： ）：从硬件的角度来看，基于网络 （分布式存储）： 存储的物理内存访问是不常见的。在程序模型中，任务只能看到本地 机器的内存，当任务执行时一定要用通信才能访问其他机器上的内存 空间。 Communication：并行任务都需要交换数据。有几种方法可以完成， ： 例如：共享内存总线、网络传输，然而不管用什么方法，真实的数据 交换事件通常与通信相关。 Synchronization：实时并行任务的调度通常与通信相关。总是通过 ： 建立一个程序内的同步点来完成，一个任务在这个程序点上等待，直 到另一个任务到达相同的逻辑设备点是才能继续执行。同步至少要等 待一个任务，致使并行程序的执行时间增加。
哈工大并行计算第一章PPT课件
脉动阵列的特点：
处理单元简单 流水 算法专业
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例：数据流计算机 数据流的计算模型--试图使并行计算的
基本方面在机器层显式化，而不利用有 可能限制程序并行性的人为约束。
它的想法是程序由一个基本数据依赖图来表 示；
一个指令可能在获得了它的操作数后的任意 时刻被执行，不是显式控制线性程序列的固 定组合。
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2.Flynn分类法 MkhealFlynn(1972)根据指令和数据流概 念提出了不同计算机系统结构的分类法。
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传统的顺序机被称为SISD(单指令流 单数据流)计算机。
向量计算机--标量和向量硬件装备， 或以SIMD(单指令流多数据流)机的形 式出现。
并行计算机则属MIMD(多指令流多数 据流)机
并行处理与体系结构
联系方式：综合楼220 电话：
1
课程背景
并行处理技术已经成为现代计 算机科研与发展的关键技术；
其推动力来自实际应用对高性 能、低价格和持续生产力日益 增长的要求
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计算机原理的概念 计算机体系结构的概念 (Amdahl)；
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并行主要研究：
先行方式、流水方式、向量化； 并发性、同时性； 数据并行性、划分； 交叉、重叠、多重性、重复； 时间共享、空间共享； 多任务处理、多道程序、多线程
存在一些有效的方法：
将编译器命令插入源代码，帮编译器做出较好的结果。 这样，用户可与编译器进行交互重构程序，这已被证 明对提高并行计算机性能是十分有用的。
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7.并行程序的设计环境
隐式并行性
伊利诺依大学的David Kuck和Rice大学 的KenKennedy以及他们的合作者都已采 用这种隐式并行性方法。
并行计算机体系结构的分类
并行计算机体系结构的分类并行计算机体系结构是指在计算机系统中，通过多个处理单元同时执行任务以提高计算性能的架构框架。
根据不同的设计思想和实现方式，可以将并行计算机体系结构分为多种分类。
本文将介绍几种常见的并行计算机体系结构分类，并对其特点和应用进行讨论。
1.指令级并行体系结构指令级并行体系结构（ILP）是基于指令级并行技术的一种体系结构。
ILP通过将单个指令分解为多个子操作，并在不同的处理单元上同时执行这些子操作，从而实现指令级并行。
这种体系结构适用于需要大量计算的应用，如科学计算和图像处理。
其中，超标量和超流水线是常见的ILP体系结构。
超标量体系结构通过在一个时钟周期内同时发射多条指令，利用指令之间的独立性实现指令级并行。
而超流水线体系结构则通过将指令的执行过程分解为多个阶段，并在每个阶段上同时执行不同的指令，进一步提高了并行度。
这两种体系结构能够充分利用处理器资源，提高计算性能。
2.向量处理体系结构向量处理体系结构是基于向量处理器的一种体系结构。
向量处理器是一种特殊的处理器，能够同时处理多个数据元素。
在向量处理体系结构中，处理器通过执行向量指令，对向量数据进行并行操作。
这种体系结构适用于需要对大规模数据进行相同类型操作的应用，如科学计算和图像处理。
向量处理体系结构具有高度的并行性和数据吞吐量，能够充分利用数据级并行性，提高计算性能。
然而，由于向量处理器对数据的访问具有一定的限制，对于不适合向量化的应用，其性能优势可能会受到限制。
3.多核体系结构多核体系结构是指在一个计算机系统中，使用多个处理核心来执行任务的体系结构。
每个处理核心都具有独立的处理器和内存，能够同时执行不同的指令流。
多核体系结构适用于需要同时执行多个任务的应用，如服务器和大数据处理。
多核体系结构具有良好的可扩展性和并行性，能够提供更高的计算性能。
通过将任务分配给不同的处理核心，可以充分利用系统资源，提高系统的吞吐量和响应速度。
然而，多核体系结构也面临着任务调度和数据共享的挑战，需要采用合适的并行编程模型和调度算法来优化性能。
第11章并行计算机体系结构简介
11.3.3 集群机系统Cluster
1. Cluster简介
计算机体系结构的研究就是当时的超级计 算机的研究，超级计算机共经历了五代。第 一代为早期的单芯片系统，第二代为向量处 理系统，第三代为大规模并行处理系统，第 四代为共享内存处理系统，第五代为集群系 统，目前全球五百强超级计算机排名已经有 半数以上是集群式系统。
第三代计算机（MPP）与第五代计算机:
相同：（Cluster）在体系结构上是同构的，同属 于分布式内存处理方式（DMP—Distributed Memory Processing）
差别：是否采用物美价廉的普通商品组件。MPP 与Cluster从互连角度看，区别在于MPP使用专 用高性能互连网络，而Cluster使用商用网络。 从CPU角度看MPP要用单独设计的高性能处理 器，而Cluster采用高性能成品处理器，从价格 方面看，MPP比Cluster要贵的多。
• 多计算机系统特点：每个CPU都有自己的内存，即自 己独立的物理地址空间；执行自己的操作系统，再加 上对外通信的通信处理器。
• 图11－4a和图11－4b分别说明了多处理器系统与多计 算机系统的区别。
多处理器系统特点：软件设计简单，易 实现，硬件设计比较复杂。
多计算机系统特点：正好相反。
图11－4a 多处理器系统
MESI协议是一种比较常用的写回Cache一致性协议，它 是用协议中用到的四种状态的首字母（M、E、S、I） 来命名的。目前，Pentium 4和许多其他的CPU都使用了 MESI协议来监听总线。每个Cache项都处于下面四种状 态之一：
（1）无效（Invalid）——该Cache项包含的数据无效。
每个CPU都带有Cache，当同时操作内存中某 一块数据时，会出现Cache一致性问题。例如， CPU1与CPU2同时读取内存中一块数据到自己的 Cache中，CPU1先对Cache内容进行了修改，此 后CPU2读自己Cache中数据就已成为旧内容，因 为CPU1修改自己的Cache后还没有写回内存，而 CPU2读的数据相对CPU1来讲是旧数据。解决 Cache一致性问题有两种方法，一种是监听型的 Cache（本书不再详述，请查阅有关书籍），另 一种是“MESI”Cache一致性协议。
并行体系结构
二、当代并行机系统
1、共享存储多处理器系统
� 对称多处理器 SMP结构特性 包括： UMA 对称多处理器系统、 NUMA 非对称多处理器系统
2、分布存储多计算机系统
� 大规模并行机 MPP结构特性
3、机群系统
� 工作站机群COW
4、网格
对称多处理器SMP
采用商用微处理器，通常有片上和片外Cache，基于总 线连接。在操作系统看来CPU可以互换。
NIC NIC
定制网络
工作站机群COW
� 分布式存储， MIMD，工作站+商用互连网络，每个节点是一个完 整的计算机，有自己的磁盘和操作系统，而 MPP中只有微内核 � 优点： � 投资风险小 P/C P/C � 系统结构灵活 � 性能/价格比高 M M � 能充分利用分散的计算资源 MIO MIO � 可扩放性好 D LAN D � 问题 NIC NIC � 通信性能 � 并行编程环境 � 例子：Berkeley NOW，Alpha Farm, FXCOW
�
计算机系统并行性的进一步发展和3T性能 指标
20世纪90年代以来，计算机系统最主要的发展是开发 大规模并行处理(MPP)。其中，多处理机和多计算机是 其研究和开发的热点。它们可以是由数十至上千台微处 理机成的MPP系统，也可以是由多个高性能工作站或高 档微型机使用高速通信网络互连进行高效并行处理的机 群系统。 重大挑战性科学计算题目要求计算机系统能有 3T 性 能，即 1 TFLOPS 的计算能力，1 TB 的主存容量和 1 TB/s 的I／O按指令流和数据流的并行度分类成： 单指令流单数据流 (SISD, Single Instruction Stream Single Data stream) 单指令流多数据流 (SIMD, Single Instruction Stream Multiple Data stream) 多指令流单数据流 (MISD, Multiple Instruction Stream Single Data stream) 多指令流多数据流 (MIMD, Multiple Instruction Stream Multiple Data stream) Flynn 此即弗林（Flynn Flynn）分类法的分类。
并行计算机体系结构.ppt
°网络时延 ：通道时延和选路时延之和 ，完全由网络硬 件特征决定，（通常1微秒左右）大大小于软件开销和 竞争时延（几十或几百微秒）
PCA L5 Chp3.6
Wu Spring 09 ©USTC
网络性能指标（2）
°每端口带宽 ：从任意端口到另外端口每秒钟传输消息的最大位
为节点的编号。 °由于每条链路都遍历了一维，而且每一个节点在每一维
上至少有一条链路，两个节点间的距离就可以用每一维 的偏移量的和来计算。 °给定链路上的偏移量仅仅影响相应维的偏移量。由于从 网络中的任意节点可以直接到达任意维，路由实现只需 在某一维上选择绝对偏移量减小的链路就可以了。 °各维的偏移量可以存储在报文头中，报文每次成功地经 过中间节点时将会更新偏移量（增加或减少一个单位）
100 Gb/s
10 Gb/s
1 Gb/s
100 Mb/s
MIN 或 交叉开关 局部总线
SCI
Myrinet
HiPPI
I/O 总线
千兆位 以太网
光纤 通道
FDDI
快速以太网 100 Base T
网络带宽
10 Mb/s
总线或开关
IsoEnet 以太网 10 Base T
SAN
LAN
MAN
ATM WAN
PCA L5 Chp3.15
Wu Spring 09 ©USTC
(a)二叉树
(b)星形连接
PCA L5 Chp3.16
(c)二叉胖树
Wu Spring 09 ©USTC
Overview
°Review of Lec4 °间接互连网络 °交换技术
PCA L5 Chp3.17
计算机体系结构
一、计算机体系结构的基本概念计算机体系结构是指机器语言程序的设计者或是编译程序设计者所看到的计算机系统的概念性结构和功能特性。
Amdahl所定义的体现结构是指程序员面对的是硬件的系统。
所关心的是如何合理的进行软硬件功能的分配。
计算机系统结构是指机器语言级的程序员所了解的计算机的属性，即外特性。
可以包含数据表示，寄存器定义、数量、使用方式，指令系统，中断系统，存存储系统，IO系统等。
计算机组成是计算机结构的逻辑实现。
可以包含数据通路宽度，专用部件设置，缓冲技术，优化处理等。
计算机的实现是指其计算机组成的物理实现。
包括处理机，主存部件的物理结构，器件的集成度，速度的选择，模块、硬件、插件底板的划分和连接。
从使用语言的角度，可以把计算机系统按功能从高到低分为7级：0应用语言机器级、1高级程序语言机器级、2汇编语言机器级、3操作系统机器级、4传统机器语言机器级、5微程序机器级和6电子线路级。
3～6级为虚拟机，其语言功能均由软件实现。
硬件功能分配的基本原则：（1）功能要求。
首先是应用领域对应的功能要求，其次是对软件兼容性的要求；（2）性能要求。
如运算速度，存储容量，可靠性，可维护性和人机交互能力等；（3）成本要求。
体系结构设计的方法有三种：由上而下－从考虑如何满足应用要求开始设计；由下而上－基于硬件技术所具有的条件；由中间开始的方法。
体系设计的步骤：需求分析、需求说明、概念性设计、具体设计、优化和评价。
计算机体系结构的分类：（1）弗林FLYNN分类法：按指令流和数据流将计算机分为4类：①单指令流、单数据流－Single Instruction Stream Single Data Stream，SISD。
计算机，即传统的单处理机，通常用的计算机多为此类，如脉动阵列计算机systolic array；②单指令流、多数据流－Multiple，SIMD。
典型代表是并行处理机。
其并行性在于指令一级。
如ILLIAC、PEPE、STARAN、MPP等；③MISD计算机；④MIMD计算机。
计算机体系结构并行处理基础知识梳理
计算机体系结构并行处理基础知识梳理计算机体系结构并行处理是计算机科学与工程中的一个重要领域，它研究如何利用并行处理技术提高计算机系统的性能和效率。
本文将针对计算机体系结构并行处理的基础知识进行梳理与总结。
一、什么是计算机体系结构并行处理？计算机体系结构并行处理指的是将计算机中的任务分成几个独立的部分，同时在多个处理器（或计算节点）上执行，以提高整个系统的运行速度和计算能力。
相较于串行处理，计算机体系结构并行处理可以通过并行执行来解决计算和处理时间过长的问题，进而提高计算机系统的性能。
二、计算机体系结构并行处理的分类1.单指令多数据（SIMD）并行处理：SIMD并行处理指的是在多个处理器上同时执行相同指令，但对不同数据进行操作。
这种处理方式适用于数据之间存在较大的并行性的应用，比如图像处理和向量计算。
2.多指令多数据（MIMD）并行处理：MIMD并行处理指的是在多个处理器上同时执行不同指令，对不同数据进行操作。
每个处理器都可以独立地运行不同的程序，适用于对计算资源需求较高、计算量较大的应用，比如科学计算和大规模数据分析。
三、计算机体系结构并行处理的应用1.科学计算：并行处理在科学计算中应用广泛，可以加速复杂的计算任务。
比如，在气象学中，利用并行处理可以加快天气预测模型的计算速度，提高预测的准确性。
2.人工智能：并行处理在人工智能领域也有广泛的应用。
例如，在深度学习模型训练过程中，通过在多个处理器上同时进行计算，可以减少训练时间，提高模型的训练效率。
3.计算机图形学：并行处理在计算机图形学中也扮演着重要的角色。
例如，在三维动画渲染过程中，通过并行处理可以加速复杂图像的生成，提高图像生成速度和质量。
四、计算机体系结构并行处理的挑战尽管计算机体系结构并行处理能够提高系统性能和计算能力，但同时也面临一些挑战。
首先，编写并行程序比编写串行程序更加复杂，需要考虑线程间的同步和通信问题，以避免数据竞争和死锁等并发问题。
并行计算的体系结构
并行计算的体系结构随着科技的不断进步，计算机的算力和计算速度也在不断提高。
与此同时，人们对于计算机所能完成的任务也不断提升，而计算机所能够处理的问题难度也愈加复杂。
在计算机性能无法满足需求的情况下，人们开始考虑如何提高计算机的性能，其中之一的方案就是采用并行计算的体系结构。
并行计算即是指在同一时间内，多个独立的计算单元并行地完成一项计算任务。
而并行计算的体系结构则是将计算单元组织起来，形成一种分布式架构，实现并行计算的技术体系。
并行计算的体系结构可以分为两类，即共享存储体系结构和分布式存储体系结构。
共享存储体系结构中所有的计算单元都可以共享某个全局存储区，因此计算单元之间可以直接互操作。
而分布式存储体系结构中各个计算单元之间是通过网络进行联通的，它们彼此间不能直接互操作，但是可以通过网络通讯，进行数据传递。
共享存储体系结构主要有以下三种：1. 对称多处理器系统（SMP）SMP系统为多个处理器提供了一个共享的物理主存储器空间。
它允许在所有处理器间共享任务，任务也可以分配到任何一个处理器上。
SMP系统的一个典型应用是在服务器中对执行复杂任务的请求进行分配和处理。
2. 非统一内存体系结构（NUMA）NUMA体系结构允许每个处理器单元访问本地存储器，以及在散布位置上的外部存储器进行操作。
这种体系结构只有在该机器有许多处理器时才适合使用，而且适合于那些具有分布式选项的多处理器。
NUMA系统的一个典型应用是在数据仓库中高效地执行分析性操作。
3. 联机事务处理体系结构（OLTP）OLTP体系结构由多个处理器共享同一块主存储器并形成一个共享存储空间。
此外，OLTP通常还将所有数据都存储在数据库中，以便处理和管理交易。
OLTP系统的一个典型应用是在金融市场和贸易等业务流程中进行高效处理。
分布式存储体系结构主要有以下三种：1. 网格计算体系结构网格计算体系结构将多个以分布形式存在的计算单元组合起来，形成一个底层的计算网格。
《计算机体系结构设计》第07章 并行处理与普适计算
多核CPU，每个处理器核内部有多级指令流水线。 资源共享（Resource Sharing）：
是一种软件方式，利用软件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。
7.3.2 多处理机系统中的存储器管理
（1）集中共享（共享存储）的并行处理机
每个PE没有局部存触器，存储模块以集中形式为所有
PE共享。
CU
SC
PE0 PE1
… PEN-1
ICN
MM0 MM1
… MMN-1
I/O-CH I/O … SM 图7.15 集中共享存储器结构
（2）分布共享（分布存储）的并行处理机
7.1 并行计算机系统结构 7.2 单处理机系统中的并行机制 7.3 多处理机系统的组织结构 7.4 多处理机操作系统和算法 7.5 从计算机到网络 7.6 普适计算和移动计算 习题7
7.1.1 指令级并行和机器并行
1 并行性（Parallelism）
并行计算机系统最主要的特性就是并行性 （Parallelism），并行性是指计算机系统具有的同时运算或 同时操作的特性，它包括同时性与并发性两种含义。 同时性（Simultaneity）：指两个或多个事件在同一时刻
发线程级并行和指令级并行的技术，使用的是线程级并行 性（Thread Level Parallelism，简称TLP）。
实现多线程有两种主要的方法： 细粒度（Fine-Grained）多线程 粗粒度（Coarse-Grained）多线程
7.2.2 单片多核处理器CMP
单芯片多处理器(Chip Multiprocessors，CMP)与同时 多线程处理器(Simultaneous Multithreading，SMT)，这
并行计算机体系结构(1)
并行计算机体系结构简介并行计算机指的是在同一时刻，多个处理器同时执行不同的指令或者同一指令的不同部分。
并行计算机体系结构是指通过各种计算机组件和连接方式，实现并行计算的结构框架。
本文将介绍并行计算机的体系结构及其分类。
分类并行计算机体系结构可以按照不同的维度进行分类，如数据流、指令流、控制流等。
以下是一些常见的分类方式：数据并行数据并行是指将同一任务的不同数据分配到多个处理器上进行并行计算。
数据并行可以通过多处理器之间的数据传输和同步来实现。
常见的数据并行体系结构有MIMD（Multiple Instruction, Multiple Data）和SIMD（Single Instruction, Multiple Data）。
•MIMD体系结构中，多个处理器可以独立执行不同的指令，各自操作不同的数据。
每个处理器都有自己的程序和数据存储器，并且可以通过通信网络进行通信和同步。
•SIMD体系结构中，多个处理器执行相同的指令，但操作不同的数据。
通常有一个主处理器通过广播方式将指令传递给其他处理器，其他处理器根据自己的数据进行计算。
指令并行指令并行是指将一个程序的不同部分分配到多个处理器上进行同时执行。
指令并行可以通过指令级并行和线程级并行来实现。
•指令级并行是通过将一个指令的不同操作分配到多个处理器上进行并行计算。
这种并行计算需要通过流水线技术来实现，每个处理器只负责指令的一个阶段。
•线程级并行是通过将程序的不同线程分配到多个处理器上进行并行计算。
每个线程可以由一个独立的处理器来执行，从而提高程序的并行度。
控制并行控制并行是指将一个程序的不同控制流分配到多个处理器上进行并行计算。
控制并行可以通过硬件或者软件的方式来实现。
•硬件控制并行是通过将程序的不同控制流分配到多个处理器上执行，以实现并行计算。
这种并行计算需要处理器之间的同步和通信，以确保控制流的正确执行。
•软件控制并行是通过程序员在程序中显式地指定控制流的并行性，以实现并行计算。
并行计算机体系结构
并行计算机体系结构并行计算机体系结构是指一种由多个处理器（或多个核心）并行工作的计算机体系结构。
它的设计目标是提高计算机的计算能力和处理速度，使得多个任务可以同时进行，从而提高系统的整体效率。
并行计算机体系结构有多种形式，以下是一些常见的体系结构类型：1. 对称多处理器（SMP）：在SMP体系结构中，所有的处理器共享同一个内存和I/O系统。
各个处理器可以同时访问共享资源，因此可以并行执行任务。
2. 多核处理器：多核处理器是在一个物理芯片上集成了多个处理核心，每个核心可以同时执行不同的任务。
多核处理器可以提供更好的性能和能源效率，因为多个任务可以在同一芯片上并行执行。
3. 集群系统：集群系统是由多个计算节点组成的并行计算机系统。
每个计算节点都具有自己的处理器、内存和I/O系统，节点之间通过高速网络进行通信和协作。
集群系统可以通过节点之间的并行计算实现更大规模的计算任务。
4. GPU加速系统：GPU（图形处理器）是一种专门用于图形渲染和计算的处理器。
近年来，GPU也被广泛用于并行计算任务，可以提供比传统CPU更高的计算能力。
GPU加速系统是将多个GPU集成到计算机系统中，利用GPU的并行计算能力提高系统的整体性能。
5. 分布式计算系统：分布式计算系统是通过将计算任务分发到多台计算机上并行执行，以实现更大规模的计算任务。
各个计算机通过网络进行通信和协作，共同完成任务。
分布式计算系统可以提供更高的计算速度和可扩展性。
并行计算机体系结构的设计和优化需要考虑诸多因素，包括任务划分、并行调度、数据共享与同步、通信开销等。
不同的应用场景和性能需求可能需要选择不同的并行计算机体系结构来实现最佳的性能。
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(2) MIMD可以充分利用商品化微处理器在性能价格
比方面的优势。
3. 根据系统中处理器个数的多少，可把现有的MIMD
机器分为两类
（每一类代表了一种存储器的结构和互连策略）
(1) 集中式共享存储器结构
这类机器有时被称为
动画
SMP机器（Symmetric shared-memory MultiProcessor ） UMA机器（Uniform Memory Access）
存储器
I/o
存储器
I/o
存储器
I/o
存储器
I/o
CPU4
CPU5
CPU6
CPU7
分布共享存储器计算机
7.1 引
言
分布式存储器结构的优点
如果大多数的访问是针对本结点的局部存储器，
则可降低对存储器和互连网络的带宽要求；
局部存储器的访问延迟低。
主要缺点
处理器之间的通信较为复杂，且各处理器之间的 访问延迟较大。 需要高带宽的互连。
（NUMA: Non-Uniform Memory Access)
7.1 引
言
(2) 整个地址空间由多个独立的地址空间构成，它
们在逻辑上也是独立的，远程的处理器不能对 其直接寻址。 每一个处理器-存储器模块实际上是一个单独 的计算机，这种机器也称为多计算机。
7.1 引
言
2. 两种通信模型
共享地址空间的机器 利用Load和Store指令中的地址隐含地进行
共享存储器
总线
共享存储器
3维环网 交叉开关＋环
共享存储器
消息传递
胖树
消息传递
2维网格
IBM SP-2
消息传递
多级开关
2－512
30-100μs
7.1 引
言
例
一台32个处理器的计算机，对远程存储
器访问时间为2000ns。除了通信以外，假设计算中的
访问均命中局部存储器。当发出一个远程请求时，本 处理器挂起。处理器时钟时间为10ns，如果指令基本
7.1 引
言
(2) 通信延迟 理想状态下通信延迟应尽可能地小。
通信延迟＝发送开销 + 跨越时间 + 传输延迟 +
(3) 通讯延迟的隐藏
如何才能较好地将通信和计算或多次通信之 间重叠起来，以实现通讯延迟的隐藏。
通常的原则：只要可能就隐藏延迟。 通信延迟隐藏是一种提高性能的有效途径，但 它对操作系统和编程者来讲增加了额外的负担。
在现有的机器中，处理器之间的数据通信 大约需要50～10000个时钟周期。
远程访问一个字的延迟时间
机 器 通信机制 互连网络 处理机数量 典型远程存储
器访问时间
SPARC Center SGI Challenge Cray T3D Convex Exemplar KSR-1 CM-5 Intel Paragon 共享存储器 多层次环 32－256 32－1024 32－2048 2-6μs 10μs 10-30μs 共享存储器 总线 ≤20 ≤36 32－2048 8－64 1μs 1μs 1μs 2μs
的CPI为1.0(设所有访存均命中Cache)，求在没有远程
作或代替远程处理器进行访问，并发送一个
应答消息将结果返回。
7.1 引
言
同步消息Байду номын сангаас递 请求处理器发送一个请求后一直要等到应答
结果才继续运行。 异步消息传递 发送方不先经请求就直接把数据送往数据接 受方。
3.通信机制的性能指标（3个）
(1) 通信带宽
理想状态下的通信带宽受限于处理器、存储 器和互连网络的带宽。
第７章 多处理机
7.1 引 言
7.1.1 并行计算机体系结构的分类
1. 按照Flynn分类法，可把计算机分成
单指令流单数据流（SISD） 单指令流多数据流（SIMD） 多指令流单数据流（MISD） 多指令流多数据流（MIMD）
7.1 引
言
2. MIMD已成为通用多处理机体系结构的选择，原因：
程序中有限的并行性
相对较高的通信开销
。 系统加速比 =
1
可加速部分比例 （ 1 可加速部分比例） 理论加速比
7.1 引
言
1. 第一个挑战：有限的并行性 使机器要达到好的加速比十分困难 例7.1 如果想用100个处理器达到80的加速比， 求原计算程序中串行部分所占比例。 解 动画演示
2. 第二个挑战：多处理机中远程访问的延迟较大
簇：超结点
7.1 引
言
7.1.2
1. 地址空间的组织方案（两种） (1) 物理上分离的多个存储器作为一个逻辑上共享的
存储空间进行编址。
这类机器的结构被称为
分布式共享存储器结构 （DSM: Distributed Shared-Memory)
可缩放共享存储器结构
（SSM: Scalable Shared-Memory) NUMA机器
(2) 通信是显式的，从而引起编程者和编译程序的
注意，着重处理开销大的通信。
在共享存储器上支持消息传递相对简单 在消息传递的硬件上支持共享存储器就困难得多。 所有对共享存储器的访问均要求操作系统提供地 址转换和存储保护功能，即将存储器访问转换为消
7.1 引
言
7.1.3 并行处理面临的挑战
并行处理面临着两个重要的挑战：
7.1 引
言
4. 不同通信机制的优点
A. 共享存储器通信的主要优点 (1) 与常用的集中式多处理机使用的通信机制兼容。
(2) 易于编程 —— 与传统的编程模式一致
(3) 当通信数据较小时，通信开销较低，带宽利用 较好。 (4) 通过硬件控制的Cache减少了远程通信的频度，
7.1 引
言
B. 消息传递通信机制的主要优点 (1)
CPU0
CPU1
CPU2
CPU3
存储器
I/O
集中共享存储器计算机
7.1 引
言
(2) 分布式存储器结构 每个结点包含：
动画
处理器 存储器 I ／O
在许多情况下，分布式存储器结构优于集中式 共享存储器结构
CPU0
CPU1
CPU2
CPU3
存储器
I/o
存储器
I/o
存储器
I/o
存储器
I/o
互 连 网 络
数据通讯。
多个地址空间的机器
通过处理器间显式地传递消息完成。
(消息传递机器)
7.1 引
言
消息传递机器根据简单的网络协议，通过传递消息 来请求某些服务或传输数据，从而完成通信。 例如：一个处理器要对远程存储器上的数据进行访问 或操作： (1) 发送消息，请求传递数据或对数据进行操作； 远程进程调用(RPC， Remote Process Call) (2) 目的处理器接收到消息以后，执行相应的操