曹德一
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计算机系统结构 并行性,计算机体系结构中并行性的发展

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第1章计算机体系结构的基本概念1.6计算机体系结构中并行性的发展1.6.1并行性的概念1.并行性是在同一时间或同一时间间隔内完成的. 两个或两个以上性质相同或不同的工作. 只要时间重叠并行处理系统结构，就存在并行性. 1 / 181.6计算机体系结构中并行性的发展◆同时并行，其中同时发生两个或更多事件. ◆并发性: 在同一时间间隔内发生两个或多个事件的并行性. 2 / 181.6计算机体系结构中并行性的发展2.计算机系统中并行性的级别有所不同(1)从执行程序的角度来看，并行性的级别可以从低到高划分◆内部并行指令: 内部指令微操作. ◆指令级并行性: 并行执行两个或更多指令. ◆线程级并行性: 多个线程并发执行，通常以进程内控制派生的多个线程为调度单元. 3 / 181.6计算机体系结构中并行性的发展◆任务级或进程级并行性: 两个或多个进程或任务(程序段)并行执行. ◆作业或程序级别的并行性: 多个作业或程序之间的并行性. 4 / 181.6计算机体系结构中并行性的发展(2)从数据处理的角度来看，并行性的级别可以从低到高分为◆字符串位字符串: 一个单词中只有一个位被同时处理. ◆并行位串: 一个单词的所有位被同时处理，不同的单词是串行的.

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◆并行字串: 同时处理多个字的相同位(称为位片). ◆完全并行: 同时处理全部或部分多个单词. 5 / 181.6计算机体系结构中并行性的发展1.6.2改进并行性的技术方法1.三种方法(1)时间重叠多个处理过程彼此在时间上错开，并且依次使用同一组硬件设备中的每一个重叠部分是为了加快硬件周转并赢得速度. 6 / 181.6计算机体系结构并行性的发展(2)重复资源根据“按量取胜”的原则，对资源(尤其是硬件资源)进行重复设置，以极大地提高计算机系统的性能. (3)资源共享这是一种软件方法，它使多个任务可以按一定的时间顺序使用同一组硬件设备轮流使用. 7 / 181.6计算机体系结构中并行性的发展2.单机系统中并行性的发展(1)在开发高性能单处理器的过程中，时间重叠是主要的方法. 实现时间重叠的基础: 组件功能的化. ◆根据功能将一件作品分为几个相互关联的部分； ◆将每个部分分配给一个特殊的部分以完成； ◆然后按照时间重叠的原理在时间上重叠每个部分的执行过程，以便将所有部分分开以完成一组相同的工作. 8/18例如，对于五个解释指令的过程并行处理系统结构，需要五个专用组件，即指令提取组件(IF)，指令解码组件(ID)，指令执行组件(EX)和内存访问组件(M). 并写出结果部分(WB).

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IDEX M WB IF ID EX M WB IF ID EX M WB指令的时间IF串行执行时间i IF ID EX M WB IF ID EX M WB IF ID EX M WB IF ID EX M WB流水线执行指令i + 1指令i + 2指令i指令i + 1指令i + 2指令i + 39 ／ 181.6计算机体系结构中并行性的发展？提前控制？指令流水线，操作流水线矢量处理器异构(非对称)类型处理器系统由至少具有不同功能的多种不同类型的处理器组成. 根据工作要求的顺序，时间重叠原理用于顺序处理其多个任务以完成指定的功能动作. 10 / 181.6计算机体系结构中并行性的发展(2)在单个处理器中，重复使用资源已变得很普遍. ？组件冗余???具有相同配置(对称)的多操作组件，多内存并行处理器和关联处理器. 多处理器系统由多个相同类型的处理器组成，并且至少具有相同的功能. 可以在同一作业中并行执行的多个任务. 11 / 181.6计算机体系结构中并行性的发展(3)资源共享要点: 用单个处理器模拟多个处理器的功能，以形成所谓的虚拟机概念. 多程序，多终端分时系统，远程终端智能终端分布式处理系统将多个具有独立功能的处理器(或计算机)相互连接，并在操作系统的整体控制下以统一协调的方式工作. 并且至少依赖于集中式程序，数据或硬件.

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12 / 181.6计算机体系结构中并行性的发展3.多机系统中并行性的发展(1)耦合程度反映了多机系统中各机器之间物理连接的紧密性和强大的交互能力弱. ◆耦合度最低的系统. 除了通过某种中间存储介质，计算机之间没有物理连接，也没有共享的联机硬件资源. 13 / 181.6计算机体系结构中并行性的发展◆松散耦合或间接耦合系统通过通道或通信线路实现计算机之间的互连，并共享某些设备(例如磁盘，磁带等). 机器之间的交互位于文件中或处于数据集级别. ◆紧密耦合的系统之间或直接耦合到整个系统的物理连接的频带相对较高. 它们通常通过总线或高速交换机互连，并且可以共享主内存. 14 / 181.6计算机体系结构中并行性的发展(2)功能化专用处理器(松耦合系统)高级语言处理器，处理器异构多处理器系统(3)机器间交互可重构，容错多处理器紧密耦合系统同构多处理器系统15 / 181.6计算机体系结构中并行性的发展(4)网络？通信处理器，远程网络，本地计算机网络分布式处理系统16/18比较了三种类型的多处理器. 该项目的技术方法包括分工. 同构多处理器可提高系统性能(可靠性和速度). 资源重复(机器到机器的互连). 相同类型(等效功能)任务分配作业由多台并行且协作的计算机完成. 浮动控制方法通常用于紧密耦合快速，灵活和可重新配置的异构多处理器，以提高系统效率. 时间重叠(功能的特殊化)不同类型(不同的(功能))功能分配: 一项工作由多台机器串联完成，使用专用的控制方法，分布式处理系统紧密和松散地耦合，效率和性能是共享的资源共享(网络)不限制硬件，软件和数据等各种资源的分配，作业由处理器完成，只有在必要时，才要求其他机器协同工作. 与互连网络的需求耦合，分布式控制方法宽松，紧密耦合，快速，灵活，简单，通用1.6计算机体系结构中的并行开发1.6.3并行计算的应用需求◆应用需求始终是最大的提升计算机系统性能的动力◆并行计算几乎是我唯一可行的方法等无穷的计算能力需求. 18／18

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