《多处理机》课件2

多处理机课件课程安排课程时间安排课程内容安排答疑时间安排多处理机概述多处理机系统是指在一个系统中包含多个处理器，这些处理器可以同时执行多个任务。多处理机系统可以提高系统的性能、可靠性和可用性。多处理机系统根据处理器的数量和结构可以分为多种类型，例如双核处理器、多核处理器、对称多处理机和非对称多处理机等。多处理机系统在现代计算机系统中应用广泛，例如服务器、工作站和超级计算机等。多处理机发展历史1早期1960年代，大型机采用多个CPU实现并行计算。2多核时代2000年代，单芯片多核处理器成为主流。3云计算现代云计算平台，利用大量服务器集群实现高并发处理。多处理机拓扑结构总线型所有处理器通过一根总线连接到内存，结构简单，成本低，但扩展性差。树型多个处理器通过层次结构连接到内存，比总线型更灵活，扩展性好，但成本高。星型所有处理器通过一个中心节点连接到内存，可实现高效通信，但中心节点容易成为瓶颈。网格型处理器通过矩阵形式连接，扩展性强，但通信复杂度高，成本高。多处理机的基本组成1CPU处理机核心，负责执行指令和处理数据。2内存存储程序和数据，供CPU访问。3I/O设备与外部世界交互，例如键盘、鼠标、显示器等。4总线连接CPU、内存和I/O设备，实现数据传输。CPU的结构和工作原理CPU是计算机的核心部件，负责执行程序指令。它的结构主要包括运算器、控制器、寄存器组、高速缓存等。运算器负责执行算术和逻辑运算，控制器负责控制程序的执行流程，寄存器组用于存放数据和指令，高速缓存用于提高CPU的访问速度。总线结构的性能指标带宽总线单位时间内可以传输的数据量，单位是字节每秒（B/s）传输速率总线一次传输的数据量，单位是字节（B）总线周期总线完成一次数据传输所需要的时间，单位是纳秒（ns）总线宽度总线一次传输的数据位数，单位是位（bit）总线接口的技术实现逻辑接口逻辑接口定义了总线信号的类型和功能，例如数据线、地址线和控制线。物理接口物理接口定义了总线信号的电气特性，例如电压、电流和阻抗。协议总线协议规定了总线信号的传输顺序和时序关系，确保不同设备之间正常通信。总线仲裁机制竞争共享资源多个设备同时访问总线，需要一个机制来协调访问，防止冲突。仲裁目的公平地分配总线使用权，提高系统效率，避免数据传输错误。总线仲裁算法固定优先级算法每个设备固定分配一个优先级，优先级高的设备优先获得总线控制权。轮询算法设备按照循环顺序轮流获得总线控制权，适用于多个设备同时访问总线的情况。链式请求算法设备发出请求后，将请求信号传递给下一个设备，直到最后一个设备或总线控制器发出响应，适用于设备数量较少的情况。竞争算法多个设备同时请求总线控制权，使用竞争机制来决定哪个设备获得控制权，例如使用总线请求信号线。中断机制中断机制是计算机系统中的一种重要机制，它允许CPU在执行当前程序时，能够及时处理来自外部设备或内部事件的请求。当一个中断事件发生时，CPU会暂停当前正在执行的程序，转而执行与中断事件相关的处理程序，处理完后，再返回到原来程序执行的断点继续执行。中断机制在现代计算机系统中扮演着重要的角色，它可以提高系统的效率，使系统能够及时响应各种事件，并实现系统与外界的交互。中断处理流程1中断发生CPU识别到中断请求2保存上下文保存CPU当前状态3中断处理执行中断处理程序4恢复上下文恢复中断前的状态5返回执行继续执行被中断程序多处理器间通信多处理器间通信是多处理器系统中至关重要的部分，它允许不同的处理器协同工作，共享数据和资源。常见的通信方式包括共享内存和消息传递。共享内存允许处理器直接访问同一物理内存空间，实现数据共享。消息传递则通过发送和接收消息来传递数据，例如使用管道、队列等通信机制。通信协议共享内存不同处理器通过共享内存进行数据交换。消息传递处理器通过发送和接收消息进行通信，使用消息队列进行数据传递。远程过程调用一个处理器上的程序可以调用另一个处理器上的过程，通过网络进行远程调用。任务分配算法将任务分配给特定处理器，以最大程度地利用资源和提高效率平衡处理器负载，避免过载或闲置考虑处理器间通信成本，优化任务分配策略任务调度策略先来先服务（FCFS）按任务到达的顺序进行调度，简单易实现，但对短任务不利。最短作业优先（SJF）选择下一个运行时间最短的任务，可提高系统吞吐量，但需预知任务运行时间。优先级调度根据任务优先级进行调度，可满足特定任务的优先级需求，但需合理设置优先级。时间片轮转将CPU时间划分为时间片，轮流分配给各任务，可实现公平调度，但可能造成时间片过短的效率低下。同步机制1互斥确保一次只有一个进程或线程可以访问共享资源。2同步协调多个进程或线程之间的执行顺序，确保它们按照预定的顺序访问共享资源。同步原语1信号量信号量是一种计数器，用于控制对共享资源的访问。2互斥量互斥量是一种锁，用于确保一次只有一个线程可以访问共享资源。3条件变量条件变量允许线程等待特定条件发生，例如资源可用。4监视器监视器是一种抽象数据类型，它提供了一种简单的同步机制。死锁概念和特征相互等待多个进程互相等待对方释放资源，导致所有进程都无法继续执行。持有和等待进程持有至少一个资源，同时等待另一个资源，而该资源被其他进程持有。不可剥夺进程持有的资源只能由进程主动释放，不能被其他进程强行夺取。循环等待多个进程形成一个循环等待链，每个进程都等待链中下一个进程所持有的资源。死锁预防策略互斥条件资源不能被多个进程共享，必须独占使用。占有并等待进程已经获得了一些资源，但又请求其他资源，而这些资源已被其他进程占有，处于阻塞状态。循环等待多个进程形成一个环形等待链，每个进程都等待着链中下一个进程所持有的资源。死锁检测与解除检测监控系统资源的使用情况，以识别死锁情况，例如通过检测循环等待资源的进程。解除一旦检测到死锁，采取措施将其解除，例如：撤销一个或多个进程、抢占资源、回滚进程。缓存一致性1数据一致性问题多个处理器共享同一块内存，每个处理器都有自己的缓存，当多个处理器同时访问同一数据时，可能会出现数据不一致问题。2缓存一致性保证缓存一致性协议通过一定机制，保证共享内存数据的一致性，即使多个处理器同时对同一数据进行读写操作。3提高性能缓存一致性协议保证了多处理器系统的数据一致性，同时也提高了系统性能，因为处理器可以从自己的缓存中快速访问数据，减少了访问主内存的次数。缓存一致性协议MSI协议MSI协议是比较简单的缓存一致性协议。它将缓存块的状态分为三种：Modified、Shared、Invalid，分别代表修改、共享和失效。MESI协议MESI协议在MSI协议的基础上增加了Exclusive状态。当一个缓存块只被一个处理器拥有时，它处于Exclusive状态，不需要与其他处理器共享数据。MOESI协议MOESI协议是在MESI协议基础上增加了Owned状态。Owned状态用于表示一个处理器修改了缓存块，但还没有写入主内存。内存一致性模型顺序一致性所有处理器看到的内存操作顺序与程序中指定的顺序相同。弱一致性处理器可能看到不同顺序的内存操作，但最终结果一致。松散一致性允许处理器看到不同的内存视图，但最终结果必须在某个时间点一致。内存一致性协议缓存一致性协议确保多个处理器之间对共享内存的访问保持一致性。缓存一致性模型定义处理器访问共享内存的规则，并保证数据的一致性。多处理机性能评价指标描述吞吐量单位时间内处理的数据量响应时间从请求开始到响应结束的时间利用率处理器实际工作时间占总时间的比例性能优化方法1硬件优化选择更高性能的处理器、内存和存储设备可以提升系统整体性能。2软件优化通过改进算法、数据结构和代码编写方式，可以提高程序的执行效率。3系统优化调整操作系统参数、优化网络配置和管理磁盘空间可以提升系统性能。实验环节本课程将设置一系列实验，帮助学生加深对多处理机理论和技术的理解，并培养实践能力。实验内容包括但不限于以下几个方面：多处理器系统架构搭建与配置多处理器间通信编程同步机制实现与验证缓存一致性测试多处理机性能分析与优化课程小结多处理机概述讲解多处理机概念、历史和基本组成。总线与内存分析总线结构、仲裁机制和内存一致性。