并行计算机体系结构PPT课件

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二、参考教材
1、并行计算机体系结构，陈国良等著，高等教育出版社， ISBN 7-04—11558-1，2002.9
2、并行计算机体系结构，David E.Culler等著，李晓明等译， 机械工业出版社，ISBN 7-111-07888-8，2002.10
3、可扩展并行计算—技术、结构与编程，黄铠、徐志伟著，陆 鑫达等译，机械工业出版社，2000.5
SM SM ··· SM
MB
P/C
LM
NIC
Bridge
IOB
NIC
MB
P/C
LM
··
来自百度文库
NIC
· Bridge
IOB
NIC
互连网络
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*并行体系结构： 由宏体系结构、微体系结构两部分组成 微体系结构—节点内部结构,主要为处理器及其壳的结构 宏体系结构—并行计算机的整体结构，包括节点间互连、 通信、存储器访问等方面
*系统结构、计算机组成、物理实现三者关系：
1:n
1:m
系统结构 ─── 计算机组成 ─── 物理实现
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4、计算机系统结构设计步骤 (1)需求分析
在应用环境、所用语言种类及特性、对OS的特殊要求、所 用外设特性、技术经济指标、市场分析等方面进行分析 (2)需求说明
形成设计准则、功能说明、器件性能说明等需求
*特点：对并行及流水线的程度有清晰的描述
注：①流水属并行的一种类型，但有所不同； ②并行程度越好，性能越高
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3、冯氏分类法
*分类原理：按照系统的最大并行程度进行分类
*最大并行度：单位时间内能处理的最大二进制位数
即 Pm=位片宽×字宽
位片宽
n
SISD SIMD（MPP）
m
SIMD
MIMD
1
1
m’ n’
MIMD
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2、Handler分类法 *分类原理：在三个层次，按并行程度及流水处理程度分类 层次— PCU（程序控制部件或宏流水） K级 ALU（算术逻辑部件或指令流水） D级 ELC（基本逻辑线路或操作流水） W级 描述— T(C)＝<K×K’，D×D’，W×W’>
其中：K为PCU数、K’为宏流水级数(PCU数)， D为每个PCU中ALU数、D’为指令流水级数(ALU数)， W为ALU或PE字长，W’为操作流水线级数(ELC套数)
指令系统
存储系统
I/O系统
中断系统
CPU
MEM
键盘接口 显卡 …
键盘
显示器 …
磁盘接口 磁盘
计算机系统结构包含内容示意图
转上
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注： 作业管理
包含用户界 面功能
输 入 设 备 触 发 程 序 执 行
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*计算机组成： 定义—计算机系统设计人员看到的基本属性 实质—是系统结构的逻辑实现
计算机组成包含内容—数据通路宽度、专用部件设计、 各种OS共享程度、功能部件并行度、控制机构组成方式、排队 与缓冲技术、预估与预判技术、可靠性技术等
4、计算机系统结构—一种定量的方法(第5版)，John L. Hennessy等著，郑纬民等译，清华大学出版社，2002.8
5、计算机系统结构(第二版)，郑纬民、汤志忠著，清华大学出 版社，1998.9
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第一章 系统结构设计基础
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第一节 计算机系统结构概念
一、计算机系统结构概念
1、计算机系统层次结构
*研究内容：数据表示、寻址方式、指令系统，寄存器组织; 存储系统； 中断机构、I/O结构； 机器工作状态定义和切换、信息保护
*实质：研究软硬件之间的界面定义及其上下的功能分配
回下
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操
机 器
作 系 统
级
程 的序 属员 性看
到
机
机 器
器 语 言
级
进程管理程序
存储管理程序
作业管理程序
文件管理程序
设备管理程序
并行计算机体系结构
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一、课程目标
1.并行性理论的研究 并行计算机系统模型与体系结构； 并行程序设计模型与通信模型； 并行计算机性能评测方法； 可扩展性原理及实现方法。
2.并行技术和结构的研究 微处理器并行技术； 互连网络技术； 共享存储技术及体系结构； 分布存储技术与可扩展体系结构； 通信时延包容技术。
字宽
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4、按控制方式分类 *分类原理：按程序执行的控制方式分类 *分类结果：共有4种 控制流方式—指令按逻辑顺序执行(如冯·诺依曼模型)； 数据流方式—只要操作数到位，指令即可执行， 无序执行(↓，源→目的求解过程)； 规约方式—当需要该指令结果时，该指令才会执行， 无序执行(↑，目的→源→目的求解过程)；
CU IS PU DS MM IS
IS CU IS
…
PUn DSn MMm
…
SISD
IS1
CU1
PU1
DS
MM1 IS1
SIMD
IS1
DS
CU1
PU1 1
MM1 IS1
…
…
…
… … …
ISn
CU1
PU1
DS
ISn MMm
ISn
DS
CU1
PU1 n
ISn MMm
MISD
*缺点：对流水线处理机的分类不明确
(3)概念性设计 进行软、硬件功能分析，确定机器级界面
(4)具体设计 机器级界面各方面的确切定义，可考虑几种方案
(5)反复进行评价及优化设计
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5、并行体系结构 *并行计算机：是一组相互通信、相互协作的处理单元， 用以快速求解大型问题
MB
P/C
MB
P/C
LM ·· LM
NIC ·
NIC
总线或互连网络
L6：应用语言级
虚
拟 机
软件
器
L5：高级语言级 L4：汇编语言级
L3：操作系统级
软硬件
交界面
硬件 L2：机器语言级
实
际 机
固件
L1：微程序机器级
器
L0：电子线路
计算机语言实现技术 翻译（应用程序包） 翻译（编译程序） 翻译（汇编程序） 部分解释
解释 硬件直接执行
回下
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2、计算机系统设计方法 (1)由上向下方法
从软件到硬件，适合专用机的设计 结果：形成软、硬脱节 (2)由下向上方法 从硬件到软件，适合通用机的设计 结果：形成软、硬脱节 (3)从中间开始方法 从软、硬件交界面开始设计 要求：不断进行交互、优化设计
→需要较好的评价工具和方法
转上
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3、系统结构定义 *基本定义：程序员所看到的计算机的属性 *精确定义：机器语言程序员、编译程序编写者所看到的计 算机的属性，即概念性结构和功能特性 概念性结构—系统的软、硬件功能界面； 功能特性—界面的功能分配，即界面的接口或组织
*并行体系结构研究内容： 互 连—结构模型、互连网络 存储器—访存模型、一致性模型(Cache/存储) 交 互—编程模型、通信机构、同步机构
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二、计算机系统结构分类
1、Flynn分类法
*分类原理：按指令流和数据流的多倍性进行分类
*结构种类：SISD，SIMD，MISD，MIMD
DS
PU1 1 MM1