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并行计算机体系结构 东南大学计算机学院 任国林
东南大学计算机学院 任国林
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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。
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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 , 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 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 L6:应用语言级 L5:高级语言级 L4:汇编语言级
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 翻译(应用程序包) 翻译(编译程序) 翻译(汇编程序) 解释 硬件直接执行 部分解释 计算机语言实现技术 软硬件 交界面 L6:应用语言级 L5:高级语言级 L4:汇编语言级 L3:操作系统级 L2:机器语言级 L1:微程序机器级 L0:电子线路 硬件 固件 软件 虚拟机器 实际机器 回下页
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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 转上页
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*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
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 *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 回下页
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计算机系统结构包含内容示意图 进程管理程序 作业管理程序 文件管理程序 存储管理程序 设备管理程序 信息保护 操作系统级机器 注:
作业管理包含用户界面功能 输入设备触发程序执行 指令系统 程序员看到的属性 信息保护 机器状态 存储系统 I/O系统 中断系统 CPU … 键盘接口 键盘 显卡 显示器 MEM 磁盘接口 磁盘 机器语言级机器 计算机系统结构包含内容示意图 转上页
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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 *系统结构、计算机组成、物理实现三者关系: 1 : n : m 系统结构 ─── 计算机组成 ─── 物理实现
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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
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 (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 设计准则:造价/可靠性/可扩展性/兼容性/速度等方面的原则 (5)反复进行评价及优化设计
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*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
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 总线或互连网络 ··· SM LM MB NIC P/C 互连网络 Bridge IOB
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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
*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 *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 ※微体系结构—结点体系结构,包括ALU、CU、LM、Cache、总线等; 宏体系结构—各结点间的结构,包括结点间互连、通信、存储器等
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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 SIMD CU … MMm DS1 IS MM1 PUn DSn PU1 SISD CU MM IS PU DS MISD … DS IS1 ISn MMm MM1 PU1 CU1 MIMD … DS1 IS1 ISn DSn MMm MM1 PU1 CU1 *缺点:对流水线处理机的分类不明确
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*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
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) *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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*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
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 字宽 SISD SIMD(MPP) SIMD MIMD 1 m n m’ n’
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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); 匹配方式—由谓词模式匹配驱动指令的执行, 适合非数值型数据应用,常用于智能型计算机 *特点:除控制流方式外,其它的并行程度较好
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第二节 系统设计的定量原理 一、大概率事件优先原则 *基本思想:对大概率事件赋予优先的处理权和资源使用权,以获得全局的最优结果
第二节 系统设计的定量原理 一、大概率事件优先原则 *基本思想:对大概率事件赋予优先的处理权和资源使用权,以获得全局的最优结果 ※该原则是系统设计中最重要和最常用的原则 *应用举例: 指令系统—指令操作码采用霍夫曼编码; 溢出处理—优化不溢出情况的处理; 存储系统—层次结构使高频使用数据存取速度更快, 虚拟存储器的TLB用高速芯片组成
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二、Amdahl定律 *基本思想:优化某部件所获得的系统性能的改善程度,取决于该部件被使用的频率,或所占总执行时间的比例
*举例:某功能处理时间占系统时间的40%,将其处理速度加快10倍后,整个系统性能提高多少? 0.0 0.5 1.0 fe Sp 10 1 5 解—已知fe=0.4,re=10,利用Amdahl定律,则 Sp=1.56 re=10时Sp和fe的关系如右图: *应用:使用该定律可改善“系统瓶颈”性能 方法—若改善某部件性能后,系统性能急剧提高, 则该部件为“系统瓶颈”
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三、程序访问的局部性原理 *基本思想:程序执行时,呈现出频繁重复使用那些“簇聚”的数据和指令的规律,包含时间局部性和空间局部性
时间局部性-- 近期被访问的信息,可能马上被访问 空间局部性-- 与被访问地址相邻的信息可能会一起被访问 *应用:层次存储体系设计
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四、软硬件取舍原则 1、现有软硬件条件下,所选方法应有助于提高系统的性能/价格 例: 研制费用 生产费用 产品费用 硬件方法 Dh Mh
Dh/V+Mh 软件方法 C×Ds R×Ms C×Ds/V+R×Ms 说明:V—设备数量,C—重复设计次数,R—复制次数 2、所选方法应尽量不限制计算机组成和实现技术 例:数据表示设计不应限制数据宽度与之一一对应; 主存容量设计不应限制是否采用多体交叉存储器等 D—研制费用,M—生产费用; C-软件需要重新设计的次数;R—同一功能软件重复复制和存储次数; V—生产台数。 3、所选方法应能够对编译程序和操作系统的实现提供好的支持 例:指令系统中增加OS所需指令; 根据编译要求设置一定数量通用寄存器等
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第三节 计算机系统性能评价 一、计算机系统性能 *计算机性能:正确性、可靠性和工作能力 ·正确性:与数学计算结果比较,通常认为是正确的
第三节 计算机系统性能评价 一、计算机系统性能 *计算机性能:正确性、可靠性和工作能力 ·正确性:与数学计算结果比较,通常认为是正确的 ·可靠性:用平均无故障时间表示,通常认为是可靠的 ·工作能力:即系统的速度,通常用程序执行时间表示; 可分为峰值性能和持续性能 响应时间—指任务从输入到结果输出的所有时间, 反映CPU、I/O系统及OS等的总体性能; 吞吐率—指单位时间内能处理的作业或任务数量, 反映系统的多任务处理性能
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T响应=TCPU=T系统CPU+T用户CPU=IN×CPI×TC CPI包含ALU、访问MEM及I/O的时间(含等待时间)
1、响应时间 响应时间指一个任务从输入到输出的总时间 T响应=TCPU=T系统CPU+T用户CPU=IN×CPI×TC CPI包含ALU、访问MEM及I/O的时间(含等待时间) *特点:能够反映软硬件系统的总体性能,但不易测量 *影响TCPU的因素: TCPU =IN×CPI×TC=IN×(p+m×k)×TC 其中 p—处理周期数/指令,m—访存次数/指令,k—访存时延 性能因子 系统属性 IN p m k TC 指令系统结构 × 编译技术 PE实现与控制技术 Cache和内存层次结构
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2、吞吐率 *定义:指单位时间内能够处理作业(或任务)的数量 吞吐率 = n÷n个任务总时间 *常用标准:对作业(或任务)的定义无法统一 MIPS(每秒百万次指令)-- MIPS不能反映指令功能强弱,常用相对MIPS表示 MFLOPS(每秒百万次浮点运算)— 不同操作通过正则化方法实现关联, MFLOPS只能反映浮点操作能力
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*特点:吞吐率与I/O软硬件组织方式及OS有很大关系;
能够反映软硬件系统对多任务的响应能力 *提高吞吐率方法: 流水化--使多个作业流水处理; 并行处理--给每个PE分配多个作业,各PE相互协调 3、利用率 *定义:利用率=持续性能÷峰值性能 *特点:不直接表示系统性能,与前两种指标有密切关系; 对系统性能优化及结构改进起着至关重要的作用!
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*性能加速比:多机系统相对于单机系统性能提高的比例
4、系统可扩放性 常用于评价多机系统的并行处理能力 *性能加速比:多机系统相对于单机系统性能提高的比例 其中 p--问题规模,n--处理器数量,h--通信时间 *系统可扩放性:系统性能随处理机数n增加而增长的比例 Ψ=fS(n) S n 1 B系统 A系统 衡量方法--测量不同n时的加速比, 得到性能可扩放性曲线 影响因素—结构、处理器数、问题规模、存储系统等
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二、性能评价与比较 1、评价技术 (1)分析技术
*思路:在一定假设条件下,计算机系统参数与性能指标间存在着某种函数关系,按其工作负载的驱动条件列出方程,用数学方法求解后评价 *发展:从脱离实际的假设发展到近似求解 近似求解算法—聚合法、均值分析法、扩散法等 *应用:可应用于设计中系统的分析与评价 A机:TCPUA=INA×(0.2×2+0.2×1+0.6×1)×TCA=1.2 INA×TCA B机:TCPUB=0.8INA×((0.2/0.8)×2+(1- 0.2/0.8)×1)×1.15TCA=1.15 INA×TCA 结果:B机比A机工作速度快。 例—A机执行的程序中有20%转移指令(需2TC),转移指令都需要一条比较指令(需1TC)配合,其他指令均为1TC。B机中转移指令包含比较指令功能,但TC比A机慢15%。执行该程序时,A机、B机哪个工作速度快? 回下页
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*思路:建立模拟器,模拟系统性能模型和工作负载模型,对运行后的数据进行统计、分析和评价
(2)模拟技术 *思路:建立模拟器,模拟系统性能模型和工作负载模型,对运行后的数据进行统计、分析和评价 *方法: 按被评价系统的运行特性建立系统模型; 按系统可能有的工作负载特性建立工作负载模型; 用语言编写模拟程序,模仿被评价系统的运行; 设计模拟实验,依照评价目标,选择与目标有关因素,得出实验值,再进行统计、分析 *应用:可应用于设计中或实际应用中系统的分析与评价; 可与分析技术相结合,构成一个混合系统 转上页
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*思路:通常采用基准测试程序对系统进行实际性能评价
(3)测量技术 *思路:通常采用基准测试程序对系统进行实际性能评价 *基准测试程序: 有实际应用程序、核心程序、合成测试程序三个层次 第一个层次—用于测试系统总体性能; 后两个层次--用于测试部件(如CPU、I/O系统等)性能 基准测试程序—具有三个层次的测试程序组,典型的有SPEC程序组,包含测试多个领域、三个层次的测试程序 *应用:只能应用于实际使用中系统的分析与评价; 通常根据系统的设计需求(应用领域)选择基准测试程序组中的部分测试程序进行测量
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*目的:根据多种测试结果,比较不同系统的优劣
2、比较技术 *目的:根据多种测试结果,比较不同系统的优劣 *方法:算术平均、几何平均、调和平均方法 (1)算术平均方法 基准测试程序 处理机 X Y Z B1 20(1.00) 10(0.50) 40(2.00) B2 40(1.00) 80(2.00) 20(0.50) Am (1.00) (1.25) 基准测试程序 处理机 X Y Z B1 20(2.00) 10(1.00) 40(4.00) B2 40(0.50) 80(1.00) 20(0.25) Am (1.25) (1.00) (2.13) *特性:选择不同的参考机,Am结论不同 回下页
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依据—Gm(Xi)/Gm(Yi)=Gm(Xi/Yi)
(2)几何平均方法 基准测试程序 处理机 X Y Z B1 20(1.00) 10(0.50) 40(2.00) B2 40(1.00) 80(2.00) 20(0.50) Gm (1.00) 基准测试程序 处理机 X Y Z B1 20(2.00) 10(1.00) 40(4.00) B2 40(0.50) 80(1.00) 20(0.25) Gm (1.00) 特性:Gm性能与参考计算机性能无关 依据—Gm(Xi)/Gm(Yi)=Gm(Xi/Yi) (3)调和平均方法 特性:Hm最接近CPU的实际性能 依据—Hm与所有测试程序时间总和成反比关系 转上页
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第四节 系统结构的发展 一、影响计算机系统结构发展因素 1、软件对系统结构发展的影响 *影响因素:软件可移植性 (1)系列机
第四节 系统结构的发展 一、影响计算机系统结构发展因素 1、软件对系统结构发展的影响 *影响因素:软件可移植性 (1)系列机 *思想:具有相同系统结构或扩充原系统结构,组成或实现技术不同,来实现软件可移植性 *影响一:新的组成与实现技术很快得到应用,大量兼容产品的出现,推动了系统结构的发展 时间 机器档次 当前机器 向上兼容 向下兼容 高 低 向后兼容 向前兼容 影响二:量变到质变 系列机要求—保证向后兼容, 力争向上兼容 *影响二:要求系统结构基本不变,限制了系统结构的发展 回下页
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*比较:解释程序存放位置、是否有硬件参与方面不同; 在解释指令系统、存储系统、I/O系统、OS方面相同
(2)模拟与仿真 *模拟:用机器语言解释来实现软件移植 需模拟目标机指令系统、存储系统、I/O系统、OS等的操作 *仿真:用微程序直接解释另一种指令系统 需解释目标机I/O系统、OS等的操作 *比较:解释程序存放位置、是否有硬件参与方面不同; 在解释指令系统、存储系统、I/O系统、OS方面相同 (3)统一高级语言方法 存在一定的困难,可争取汇编语言或接口/技术的统一 *方案1:采用统一的中间语言(如Java),通过解释执行以适应不同的系统结构 *方案2:采用标准的开放系统(具有可移植性、交互操作性),用硬件抽象层技术适应不同的系统结构 转上页
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*应用背景:应用领域、功能及性能要求有所不同 *应用需求:高速度、大容量、大吞吐率
2、应用对系统结构发展的影响 *应用背景:应用领域、功能及性能要求有所不同 *应用需求:高速度、大容量、大吞吐率 *系统结构设计思路: 分成不同级别的系统,以提高性能/价格 巨、大型机—研究专用系统结构、组成技术 其它型机—研究通用系统结构(吸纳先进结构与技术) *系统结构发展趋势: ·保持价格基本不变,提高性能 ·保持性能基本不变,降低价格 价格 时间 等性能线 巨型机 大型机 中、小型机 微型机 *对系统结构影响: 专用系统结构—无限制(应用是原动力) 通用系统结构—如何有效实现专用结构→通用结构
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·器件的发展推动了系统结构与组成技术的发展
3、器件对系统结构发展的影响 *器件使用方法: 通用片→现场片→半用户片→用户片 *对系统结构影响: ·器件的发展推动了系统结构与组成技术的发展 如—器件性能、使用方法影响系统结构及组成方法, 器件性/价提高,使结构、组成下移速度更快, 器件的发展,推动算法、语言的发展 ·系统结构的发展要求器件不断发展 如—新结构的使用,取决于器件发展能否提供可能 提高器件性能/价格,要求改变器件逻辑设计方法
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二、并行性的发展 并行性—包括同时性(时刻)、并发性(时段) 1、并行性开发 *并行性等级划分: 执行程序角度 处理数据角度 信息加工步骤
执行程序角度 处理数据角度 信息加工步骤 操作级 位串字串 存储器操作并行 指令级 位并字串 处理器操作步骤并行 任务或过程级 位串字并 处理器操作并行 作业或程序级 全并行 任务或作业并行 *开发方法: 时间重叠、资源重复、资源共享 PE操作步骤并行指流水、操作并行指超标量
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用三种并行性实现方法进行开发,得到如下系统结构树:
2、并行性发展 用三种并行性实现方法进行开发,得到如下系统结构树: 标量 顺序的 先行控制 I/E重叠 功能并行 多个功能部件 流水线 隐式向量 显式向量 存储器-存储器 寄存器-寄存器 SIMD MIMD 联想处理机 处理机阵列 多计算机 多处理机 计算机系统结构树 空间并行 时间并行
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本章思考 1、系统结构精确定义、包含内容是什么? 与计算机组成和实现的关系是什么? 进行系统结构设计的方法和步骤是什么?
2、系统结构的分类方法有哪些? 影响系统结构发展的因素又哪些?如何影响的? 3、系统结构设计的定量原理有哪些?举例说明其应用。 4、计算机系统的性能指标有哪些?其特点和影响因素是什么? 5、评价系统性能的方法有哪些?如何比较测量的结果? 6、并行计算机与单处理器计算机在系统结构上有哪些区别? 影响其性能的因素有哪些?如何评价? 7、并行性包含的内容是什么?开发并行性的方法有哪些? 系统结构树中结点采用哪些技术可实现变迁?
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