计算机系统结构15

1、1-5 并发性发展及计算机系统的分类主要内容：并行性概念 计算机系统的并行性发展 并行处理系统的结构与多机系统的耦合度 计算机系统的分类 1并行性概念 只要在同一时刻或是在同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不同的工作，它们在时间上能互相重叠。同时性（Simultaneity）：两个或多个事件在同一时刻发生。并发性（Concurrency）：两个或多个事件在同一时间间隔内发生。 2从计算机系统执行程序角度来看 从低到高分为：指令内部-微操作之间-硬件和组成技术指令之间-多条指令并行执行-相关问题任务或进程之间-任务或程序段-任务分解作业或程序之间-作业或多道程序-并行算法 3从处理数据的

2、并行性来看 从低到高分为：位串字串位并字串位片串字并全并行4从计算信息加工的各个步骤和阶段来看 存储器操作并行 例：单体多字-并行存储器 多体多字-相联存储器处理器操作步骤并行 指令各个微操作间，具体操作的执行步骤之间 例：流水处理机5处理器操作并行 设置大量重复的处理单元，同一控制器 例：并行处理机指令、任务、作业并行 高级，多个处理机同时对多条指令及相关数据进行处理6并行性开发途径 时间重叠（Time Interleaving）是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。举例：流水线分离、细化功能部件流水线

3、功能不同的多机系统异构型多处理机系统7指令流水线举例取指分析执行kK+1kkK+1K+1K+2K+2K+2部件分析取指执行时间8并行性开发途径（续）资源重复（Resource Replication）：是在并行性概念中引入空间因素，通过重复设置硬件资源来提高可靠性或性能。多操作部件和多体存储器相联、并行处理机同构型多处理机系统9CUPE(0)PE(1)PE(N-1)资源重复的例子10并行性开发途径（续）资源共享（Resource Sharing）：是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，这样也可以提高整个系统的性能。网络打印机多道程序、分时OS 真正的处理

4、机代替虚拟机分布处理系统11计算机系统的并行性发展 1960年以前 算术运算的位运算（EDSAC、EDVAC、UNIVAC1）输入输出间操作的并行直接存储器访问（DMA）IBM709系列1960年至1970年流水线单处理机多功能部件流水线多道程序分时系统12计算机系统的并行性发展(续）1970年至1980年多种并行处理系统结构，例：向量、阵列、相联等1980年至1990年RISC、多处理机、数据流机、智能机1990年以来MPP:Massively Parallel Processor 大规模并行处理机SMP:Symmetric Multiprocessor 对称多处理机Cluster:机群、集

5、群13并行处理计算机的结构 流水线计算机（时间重叠）阵列处理机（资源重复）多处理机系统（资源共享）数据流计算机 14流水线计算机： 主要通过时间重叠，让多个部件在时间上交错重叠地并行执行运算和处理，以实现时间上的并行。阵列处理机： 主要通过资源重复，设置大量算术逻辑单元，在同一控制部件作用下同时运算和处理，以实现空间上的并行。15多处理机系统： 主要通过资源共享，让共享输入/输出子系统、数据库资源及共享或不共享贮存的一组处理机在统一的操作系统全盘控制下，实现软件和硬件各级上相互作用，达到时间和空间上的异步并行。16多机系统指的是多处理机系统和多计算机系统 多处理机系统：是由多台处理机组成的单一

6、计算机系统，各处理机都可有自己的控制部件，可带自己的局部存储器，能执行各自的程序。受逻辑上统一的操作系统控制。17多计算机系统：是由多台独立的计算机组成的系统，各计算机分别在逻辑上独立的操作系统控制下运行，机间可以互不通信，即使通信也只是经通道或通信线路以文件或数据集形式进行，实现多个作业的并行。 18多机系统的耦合度 反映多机系统中各机器之间物理连接的紧密程度和交叉作用能力的强弱。最低耦合系统（Least Coupled System）：各种脱机系统 松散耦合系统（Loosely Coupled System）：如果多台计算机通过通道或通信线路实现互连，共享某些磁带、磁盘等外围设备，以较低频

7、带在文件或数据集一级相互作用。间接耦合系统19紧密耦合系统（Tightly Coupled System）：如果多台机器之间通过总线或高速开关互连，共享主存，并有较高的信息传输速度，可以实现数据集一级、任务级、作业级的并行。直接耦合系统 20SMP服务器CPU利用率状态 21MPP服务器架构 22计算机系统的分类 1966年Michael J,Flynn 1978年David J.Kuck：用指令流和执行流（Execution Stream）及其多倍性来描述计算机系统总控制器的结构特征1972年冯泽云：提出用数据处理的并行度来定量地描述各种计算机系统特性 。23MICHAEL J,FLYNN分

8、类指令流：是指机器执行的指令序列。数据流：是指指令流调用的数据序列，包括输入数据和中间结果。多倍性：是指在系统性能瓶颈部件上处于同一执行阶段的指令或数据的最大可能个数。 24MICHAEL J,FLYNN分类SISD 单指令流单数据流 传统的单处理机属于SISD计算机SIMD 单指令流多数据流 并行处理机是SIMD计算机的典型代表 我国的YH-I型是此类计算机型25MISD 多指令流单数据流 实际上不存在，但也有学者认为存在MIMD 多指令流多数据流 包括了大多数多处理机及多计算机系统 我国的YH-II型计算机是这种类型的计算机26CUPUMMCSDSISSISDCU：控制部件，PU：处理机，

9、MM：主存模块，SM：共享主存, IS：指令流，CS：控制流，DS：数据流CUPU1PU2PUnMM1MM2MMmDS1DS2DSnCSISSIMDSM27CU：控制部件，PU：处理机，MM：贮存模块，SM：共享主存，IS：指令流，CS：控制流，DS：数据流CU1PU1PU2PUnMM1MM2MMmDSDSCS1ISnMISDSMCU2CUnCS2CSnIS2IS128CU：控制部件，PU：处理机，MM：贮存模块，SM：共享主存，IS：指令流，CS：控制流，DS：数据流CU1PU1PU2PUnMM1MM2MMmDS1DSnCS1ISnMIMDCU2CUnCS2CSnIS2IS1DS229DAV

10、ID J.KUCK分类 用指令流和执行流（Execution Stream）及其多倍性来描述计算机系统总控制器的结构特征。 SISE：单处理机系统 SIME：多操作部件的处理机MISE：带指令级多道程序的单处理机MIME：多处理机 30冯泽云分类 用数据处理的并行度来定量地描述各种计算机系统特性。 WSBS（字串位串） WSBP（字串位并）WPBS（字并位串）WPBP（字并位并） 位片宽字宽SISDSIMD（MPP）SIMDMIMD1mn1mn31VON NEUMANN结构计算机运算器ALU控制器输出设备输入设备存储器32冯诺依曼的设计思想“程序存储”核心思想计算机的程序和数据可以一同存在于存

11、储器中，计算机通过在存储器中顺序读取程序来获取指令33主存储器程序控制器I/O设备算术逻辑单元存储数据和指令对二进制数进行算术和逻辑运算控制内存中的指令并执行系统的输入输出设备34存储程序控制 STORED PROGRAM CONTROL 实现指令流程的三或四个阶段 取指令 取操作数 执行指令 写回结果35VON NEUMANN机结构的主要特征 存储器是顺序线性编址的一维结构 按地址访问、单元位数固定、运算速度与访存次数有关指令=操作码+地址码 操作数的类型由操作码决定指令在存储器中是按其执行顺序存储存储器内指令和数据同等看待二进制编码、运算以运算器为中心，I/O与存储器之间数据通过运算器，运

12、算器、存储器、I/O设备的操作及之间的联系，由控制器控制 36VON NEUMANN型结构的局限性 以数值计算为主，对自然语言、图像、图形和符号处理的能力较差；程序算法在整体上为顺序型，限制并行操作发挥；软件系统越来越复杂，正确性不能保证，软件生产效率低；硬件投资大，可靠性差，体系结构受限制；应用人员既懂专业知识，又具备编程技巧； 37VON NEUMANN型结构的缺点 存在两个瓶颈 物理瓶颈：CPU与存储器之间频繁交换信息智能瓶颈：每次只能顺序执行一条指令低级的机器语言与高级语言程序设计之间存在巨大的语义差距复杂的数据结构对象无法直接放到一维线性结构地址空间存储器中，必须经过地址映像 38V

13、ON NEUMANN型结构的改进 增加了新的数据表示：浮点数、字符串 采用虚拟存储器，方便了高级语言编程引入堆栈，支持过程调用、递归机制采用变址寄存器，并增加间接寻址方式增加CPU内的通用寄存器和增设Cache采用存储器交叉访问技术，以及无冲突并行存储器采用指令流水技术采用多功能部件采用支持多处理机采用自定义数据表示使程序和数据空间分开 39四十年来计算机系统结构的改进 串行算法-适应并行算法 出现向量计算机、并行计算机、多处理机高级语言与机器语言的语义差距减少 出现面向高级语言计算机机器和直接执行高级语言机器硬件系统与操作系统和数据库管理系统软件相适应 出现面向操作系统机器和数据库计算机指令驱动型-数据驱动型、需求驱动型 出现数据流计算机和规约机 40四十年来计算机系统结构的改进出现专用计算机 快速傅里叶变换计算机、过程控制计算机提高可靠性 出现容错计算机计算机系统功能分散化、专业化 出现各种功能分布计算机、外围计算机、通讯处理出现与大规模、超大规模集成电路相适应的计算机系统结构出现非数值化信息的智能计算机，如自然语言