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Welcome to the world of Computer Architecture 计算机体系结构 李 东
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教学目的 知操作系统者,知计算机也!—— 孙志岗 知计算机,而后如何? 人生的价值在于创造!
学习完本课程,您将可以设计您自己的计算机(系统)! 如何设计计算机(系统)呢? 此处省略一百万字……
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作 业 要 求 1. 作业成绩占总成绩的 5% 2. 每章开始时,布置作业,共5次。 3. 每章结束后一周内,由课代表将作 业收齐后上缴。
4. 不及时交作业者,视为“旷交作业” 5. 作业要写在作业本上。 6. 旷交作业4次或更多, 取消期末考试资格。
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上 课 要 求 1. 遵守课堂纪律,按时上课。 2. 积极参与课堂讨论,提出或回答问题。 参与表现记为平时成绩,占总成绩的
1. 遵守课堂纪律,按时上课。 2. 积极参与课堂讨论,提出或回答问题。 参与表现记为平时成绩,占总成绩的 5%。每提/回答一个问题,加1分。 最高5分。 3. 请假需出示由辅导员签字的假条。
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学习本课程的收益(1) 融合多门学科的知识,深入理解计算机。 ——不亦悦乎! 2010年研究生入学考试选择题第12题
下列选项中,能缩短程序执行时间的措施是( ) I 、提高CPU时钟频率 II、优化数据通路结构 III、对程序进行编译优化 A.仅I和II B.仅I和III C.仅II和III D.I、II和III
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学习本课程的收益(2) 编程序是专业人士使用计算机的基本手段 越了解计算机,编出的程序就越高效!
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学习本课程的收益(3) 期末考试、考研、找工作面试,会有好的结果。 考试、考研、工作面试中,遇到的问题欢迎提问。提问加分!
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学习本课程的收益(4) 一些人将设计计算机,制造计算机。
2009年10月29日,我国首台千万亿次超级计算机系统——“天河一号”由国防科技大学成功研制,并部署在中国国家超级计算天津中心。这标志着我国成为继美国之后世界上第二个能够研制千万亿次超级计算机的国家。“天河一号”峰值性能为每秒1206万亿次双精度浮点数操作,位列全球高性能计算机TOP500强排行榜第3位。 2010年,改进后的“天河一号A” 峰值性能达到每秒2705万亿次。在2010年11月16日公布的TOP500中,“天河一号A”首次超过美国制造,成为世界上最快的计算机。
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学习本课程的收益(5) 心情愉悦。 想问就问,想说就说。说话还加分。
Twitter, the first MicroBlog, was developed by Evan Williams( born in Nebraska ). 老师说得越少,学生思考得越多。 —— 孙志岗
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主要参考教材 教材: 李学干, 计算机系统结构, 西安电子科技大学出版社 主要参考书: 郑纬民,计算机系统结构,清华大学出版社
Computer Architecture: A Quantitative Approach 2 Ed. Patterson D A, Hennessy J L, San Francisco: Morgan Kaufmann Publishers, 1995. 计算机系统结构:一种定量的方法(第二版) 郑纬民等译,清华大学出版社,2002.
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Ch1 计算机系统结构的基本概念 1.1 计算机系统的多层次结构 1.2 计算机系统结构、组成与实现 1.3 软硬取舍与计算机系统的设计思路
1.1 计算机系统的多层次结构 1.2 计算机系统结构、组成与实现 1.3 软硬取舍与计算机系统的设计思路 1.4 软件、应用、器件对系统结构的影响 1.5 系统结构中的并行性发展 及计算机系统的分类
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Homework: P 28 1,3,4,5,9 ,10,11,13,15 阅读 6,7,8。 补充:
画出Flynn分类的4类计算机的基本结构
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Ch1 计算机系统结构的基本概念 1.1 计算机系统的多层次结构 1.2 计算机系统结构、组成与实现 1.3 软硬取舍与计算机系统的设计思路
1.2 计算机系统结构、组成与实现 1.3 软硬取舍与计算机系统的设计思路 1.4 软件、应用、器件对系统结构的影响 1.5 系统结构中的并行性发展 及计算机系统的分类
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1.1 计算机系统的多层次结构 问题: 为什么要分层? 分几层为好? 第5级:应用语言虚拟机 第4级:高级语言虚拟机 第3级:汇编语言虚拟机
第2级:操作系统虚拟机 第1级:机器语言机器 第0级:微程序机器 图1-1 计算机系统的层次结构 问题: 为什么要分层? 分几层为好?
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1.1 计算机系统的多层次结构 计算机系统的多层次结构的一个极端就是:单层次计算机——高级语言机器。
Principle of Equivalence of Hardware and Software: Anything that can be done with software can also be done with hardware, and anything that can be done with hardware can also be done with software.* * Assuming speed is not a concern.
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若计算机只能有一条指令,请设计这条唯一的指令?
不可编程 的计算机 软件 硬件 功能分配 比例% 常见的计算机系统 只有一条指令的计算机 问题: 若计算机只能有一条指令,请设计这条唯一的指令? 图1.2 计算机系统的软、硬件功能分配
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Ch1 计算机系统结构的基本概念 1.2 计算机系统结构、组成与实现 1.1 计算机系统的多层次结构 1.3 软硬取舍与计算机系统的设计思路
1.4 软件、应用、器件对系统结构的影响 1.5 系统结构中的并行性发展及计算机系统的分类
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1.2 计算机系统结构、组成与实现 “计算机体系结构” (Computer Architecture)是计算机科学与技术学科中最重要的概念之一。但这一概念并不是同计算机或计算机科学与技术学科一起与生俱来的,它是在第一台电子计算机诞生近20年后,由G. M. Amdahl 等人于1964年在设计IBM System/360时提出的。
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Amdahl的定义 …the attributes of a [computer] system as seen by the programmer, i.e. the conceptual structure and function behaviour, as distinct from the organization of the data flows and controls ,the logic design, and the physical implementation. Amdahl, Blaaw and Brooks (1964)
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1.2 计算机系统结构、组成与实现 计算机体系结构是指程序员所看到的机器的属性,即机器的概念性结构和功能表现。这里,程序员主要是指汇编程序员。 计算机组成是计算机体系结构的逻辑实现。一种计算机体系结构可以有多种不同的计算机组成。 计算机实现是计算机组成的物理实现。一种计算机组成也可以有多种不同的计算机实现。
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概念性的结构
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功 能 特 性 数据表示:硬件能够直接认别和处理的数据类型和格式;
功 能 特 性 数据表示:硬件能够直接认别和处理的数据类型和格式; 寄存器组织:操作数寄存器、变址寄存器、控制寄存器及专用寄存器的定义、数量和使用规则等; 指令系统:机器指令的操作类型、格式,指令间的排序和控制机制等; 中断系统:中断类型、中断级别和中断响应方式等; 存储系统:最小编址单位、编址方式、主存容量、最大寻址 空间等; 处理机工作状态:状态的定义和切换方式,如管态和目态; 输入输出系统:连接方式、数据交换方式、数据交换过程的 控制等; 信息保护,包括信息保护方式和硬件对信息保护的支持等。
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透明性 (Transparency) 概念:本来存在的事物或属性,从某种角度看似乎不存在。 2010年研究生入学考试选择题第18题
下列存储器中,汇编语言程序员可见的是( ) A.存储器地址寄存器(MAR) B. 程序计数器(PC) C.存储器数据寄存器(MDR) D. 指令寄存器(IR)
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体系结构设计,可以理解为决定哪些事物对程序员透明,哪些事物对程序员不透明
透明性 (Transparency) 例如:浮点数表示、乘法指令 对高级语言程序员、应用程序员 透 明 对汇编语言程序员、机器语言程序员 不透明 体系结构设计,可以理解为决定哪些事物对程序员透明,哪些事物对程序员不透明 例如:数据总线宽度、微程序 对汇编语言程序员、机器语言程序员 透 明 对硬件设计者、计算机维修人员 不透明
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1.2 计算机系统结构、组成与实现 计算机体系结构的核心是指令集( Instruction Set )。指令集就是软、硬件功能划分的界面。 指令对程序员是不透明的,但是指令的实现对程序员是透明的 计算机指令集的设计不是孤立的,它必须考虑体系结构的逻辑实现。 计算机体系结构 + 计算机组成 = 计算机系统结构
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1.2 计算机系统结构、组成与实现 计算机系统结构研究的是软、硬件功能分配以及如何最佳、最合理地实现分配给硬件的功能。 计算机组成技术的改进会推动计算机体系结构的发展。 但是计算机组成的设计向上受限于体系结构的设计结果,向下受限于所能采用的实现技术。
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Ch1 计算机系统结构的基本概念 1.3 软硬取舍与计算机系统的设计思路 1.1 计算机系统的多层次结构 1.2 计算机系统结构、组成与实现
1.4 软件、应用、器件对系统结构的影响 1.5 系统结构中的并行性发展及计算机系统的分类
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1.3 软硬取舍与计算机系统的设计思路 1.3.1 软硬取舍的基本原则 1.3.2 计算机系统的性能评测 与定量设计原理
计算机系统的设计思路
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1.3 软硬取舍与计算机系统的设计思路 1.3.1 软硬取舍的基本原则 在现有的硬件和器件条件下,系统要有高的性能价格比
要考虑准备采用和可能采用的组成技术,使它尽可能不要过多限制或不合理地限制各种组成、实现技术的采用 不能仅从“硬”的角度去考虑如何便于应用组成技术的成果和发挥器件技术的进展,还应从“软”的角度把为编译和操作系统的实现,以至高级语言程序的实现提供更多更好的硬件支持放在首位
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1.3.2 计算机系统的性能评测 与定量设计原理 1.3 软硬取舍与计算机系统的设计思路 1.3.1 软硬取舍的基本原则
计算机系统的设计思路
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1.3.1 计算机系统的性能评测 与定量设计原理 1. 计算机系统的性能评测 峰值性能 vs. 持续性能 平均速度:MIPS、MFLOPS
1.3.1 计算机系统的性能评测 与定量设计原理 依赖于指令系统和工作负荷 1. 计算机系统的性能评测 峰值性能 vs. 持续性能 平均速度:MIPS、MFLOPS 基准程序(Benchmark)。 2011年研究生入学考试选择题第12题 下列选项中,描述浮点数操作速度指标的是 。 A.MIPS B.CPI C.IPC D.MFLOPS
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英语对计算机专业学生的重要性 2011年研究生入学考试选择题第14题 下列各类存储器中,不采用随机存储方式的是( )
下列各类存储器中,不采用随机存储方式的是( ) A. EPROM B. CDROM C. DRAM D. SRAM 2010年研究生入学考试选择题第20题 下列选项中的英文缩写均为总线标准的是( ) A. PCI、CRT、USB、EISA B. ISA、CPI、VESA、EISA C. ISA、SCSI、RAM、MIPS D. ISA、EISA、PCI、PCI-Express
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2. 计算机系统设计的定量原理 1. 加快经常性事件 2. 安道尔定律 3. CPU性能公式 4. 访问的局部性原理 5. 频带平衡
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加快经常性事件 (make the common case fast)
计算机设计中最重要也是最广泛的设计准则 (1)加快处理高概率事件显著提高整体性能 (2)不经常性事件即使处理的慢也不会影响 系统的性能 (3)简言之:好钢要用在刀刃上。
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2.Amdahl’s Law 安道尔定律 系统中采用某种更快的执行方式后,整个系统性能的提高大小,受限于该执行方式的使用频率。
性能的提高用“加速比(Speedup rate)”来衡量. Sp=Told / Tnew.
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Fe:计算机执行某个任务的总时间中可被改进部分的时间所占比例。
Se:改进部分采用改进措施后比没有采用改进措施的性能提高倍数。 Se= 改进部分改进前执行时间 改进部分改进后执行时间 Fe= 可改进部分占用时间 改进前整个任务执行时间 = T可改进 T0 T改进后
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Tn=T0-T可改进+T改进后 T可改进=T0*Fe T改进后=T0*Fe /Se 代入后,得下式 Tn=T0(1-Fe+ ) Sp= T0
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Amdahl定律思考题 设某SISD系统中某部件的处理时间占整个运行时间的40%,现采取适当措施改进该部件,是该部件速度提高10倍,问整个系统性能提高多少? 解:Fe= Se=10 根据Amdahl定律 Sp= 1 1-Fe+Fe /Se = /10 =1.56 采用加快措施后能使整个系统性能提高56%
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假设求浮点数平方根的操作FPSQR占整个测试程序运行时间的20%
假设求浮点数平方根的操作FPSQR占整个测试程序运行时间的20%.(1)采用专用硬件将FPSQR提高10倍;(2)使所有FP指令加快位原来的2倍,设FP指令占整个运行时间的50%。问哪种方案对系统性能的影响较大? 解:分别计算两种方案的加速比: SFPSQR= 1 (1-0.2)+0.2/10 =1.22 SFP= 1 (1-0.5)+0.5/2 =1.33
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3.CPU性能公式 执行程序所花的CPU时间: CPU时间=CPU时钟周期总数*时钟周期, 或 CPU时间=CPU时钟周期总数/频率
设平均每条指令的平均时钟周期数为CPI CPI = CPU时钟周期总数/IC IC:程序指令条数 因此: CPU时钟周期总数 = CPI*IC 所以: CPU时间=(CPI*IC)/频率
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4.访问的局部性原理 Principle of Locality
实验表明: 90%的执行时间,都在执行仅占10%的程序代码 局部性的2种表现: 时间上的局部性Temporal locality:最近访问过的代码不久还要访问。 空间上的局部性Spatial locality :地址相邻的代码可能会被一起访问。 用途:根据程序的最近情况,可以较精确地测出最近的将来将要用到那些指令和数据。
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5. 频带平衡 频带Bandwidth是指单位时间内完成的任务数
频带平衡Bandwidth Balancing是指在目标程序的运行中,系统中所有部件都并行地工作,且经常保持忙碌状态。 频带不平衡的表现是出现工作“瓶颈Bottleneck”
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1.3.3 计算机系统的设计思路 1.3 软硬取舍与计算机系统的设计思路 1.3.1 软硬取舍的基本原则 1.3.2 计算机系统的性能评测
与定量设计原理 计算机系统的设计思路
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主要为了验证新的计算机组成或计算机实现技术
1.3.3 计算机系统的设计思路 “自顶向下”设计 “自底向上”设计 “从中间开始”设计 只适用于专用计算机的设计 主要为了验证新的计算机组成或计算机实现技术 与“计算机体系结构”概念相配合。 软、硬件设计并行开展
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Ch1 计算机系统结构的基本概念 1.4 软件、应用、器件对系统结构的影响 1.1 计算机系统的多层次结构
1.2 计算机系统结构、组成与实现 1.3 软硬取舍与计算机系统的设计思路 1.4 软件、应用、器件对系统结构的影响 1.5 系统结构中的并行性发展及计算机系统的分类
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所谓软件的“可移植性(Portability)”,是指软件不用修改或只需经少量加工就能由一台机器搬到另外一台机器上运行。
1.4 软件、应用、器件对系统结构的影响 软件对系统结构的影响:要求软件可移植 所谓软件的“可移植性(Portability)”,是指软件不用修改或只需经少量加工就能由一台机器搬到另外一台机器上运行。 实现软件可移植的基本技术有: 统一高级语言 采用“系列机”思想 模拟与仿真 前途光明,道路曲折 JAVA C Fortran
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“系列机”是通过“软件兼容( Software Compatibility)”来实现软件的可移植
1.4 软件、应用、器件对系统结构的影响 所谓“系列机 ( A family of computer)”,是指由一个厂家生产的具有相同体系结构,但是具有不同组成和实现(而性能和价格不同)的一系列不同型号的机器。 “系列机”是通过“软件兼容( Software Compatibility)”来实现软件的可移植
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1.4 软件、应用、器件对系统结构的影响 “系列机”的出现是计算机发展史上的一个重要的里程碑。
今天各个计算机厂家仍然按照“系列机”的思路来研发自己的产品。 Intel 80X86 IBM S/360, S/370, S/390 DEC PDP-11, VAX-11 CRAY CRAY-x CDC 6600, 6700, CYBER
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1.4 软件、应用、器件对系统结构的影响 “软件兼容”从速度和性能上可分为: 向上兼容 向下兼容 从机器推出的时间不同可分为: 向前兼容
向后兼容 系列机软件兼容的基本要求: 必须做到向后兼容,同时力争做到向上兼容
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1.4 软件、应用、器件对系统结构的影响 模拟与仿真也是实现软件可移植的基本技术。
所谓“模拟( Simulation )”,是指用一台机器(宿主机)的机器语言程序来解释另外一台机器(虚拟机)的每一条机器指令,从而实现虚拟机上的软件在宿主机上的可移植。
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1.4 软件、应用、器件对系统结构的影响 模拟与仿真也是实现软件可移植的基本技术。
所谓“仿真( Emulation )”,是指用一台机器(宿主机)的微程序来直接解释另外一台机器(目标机)的每一条机器指令,从而实现目标机上的软件在宿主机上的可移植。
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1.4 软件、应用、器件对系统结构的影响 应用对系统结构的影响 应用的分类 对系统结构的要求 科学计算 浮点数据,高字长,计算速度快
事务处理 十进制数据,字符行处理, I/O吞吐量高 过程控制 实时处理,灵活的I/O接口, 完善的中断系统
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1.4 软件、应用、器件对系统结构的影响 应用对系统结构的影响 用户的分类 对系统结构的要求 高端用户 追求性能高 中端用户
追求性能价格比高 低端用户 追求低价格
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1.4 软件、应用、器件对系统结构的影响 应用对系统结构影响的结果: 1. 计算机系统结构不同的计算机: 通用计算机 vs. 专用计算机
2. 计算机系统结构相同、但性能或价格不同的计算机: 系列机 同一系列的高端计算机 vs. 低端计算机 同一系列的通用处理器 vs. 协处理器 同一系列的 单 处理器 vs. 多处理器
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1.4 软件、应用、器件对系统结构的影响 应用、用户不同对系统结构影响的结果 计算机系统结构不同、性能或价格不同而出现了:
巨型计算机 Supercomputer 大型计算机 Mainframe 小型计算机 Minicomputer 微型计算机 Microcomputer
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1.4 软件、应用、器件对系统结构的影响 应用还可以分为:军用和民用 导致计算机系统结构不同: (普通)计算机 军用计算机(加固型计算机)
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1.4 软件、应用、器件对系统结构的影响 器件对系统结构的影响: 缩短设计周期,降低设计费用 1. 非用户片(通用片):加法器、存储器
Avoid reinventing the wheel. 2. 现场片:PROM、FPGA 3. 用户片:微处理器、DSP → 通用片 →现场片→用户片→ 通用片→
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1.4 软件、应用、器件对系统结构的影响 器件对系统结构的影响: 器件的速度、集成度提高,价格降低 软硬分界上移,硬件承担更多的功能
发展存储逻辑,用存储器件代替逻辑器件 计算机的体积变小,功耗下降, 多模冗余,可靠性提高,实现容错计算 基于多处理器的超级计算机
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Ch1 计算机系统结构的基本概念 1.5 系统结构中的并行性发展 及计算机系统的分类 1.1 计算机系统的多层次结构
1.2 计算机系统结构、组成与实现 1.3 软硬取舍与计算机系统的设计思路 1.4 软件、应用、器件对系统结构的影响 1.5 系统结构中的并行性发展 及计算机系统的分类
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1.5 系统结构中的并行性发展 及计算机系统的分类
1.5 系统结构中的并行性发展 及计算机系统的分类 1.5.1 并行性的概念 1.5.2 计算机系统并行性的发展 1.5.3 计算机系统的分类 1.5.4 并行处理系统的结构 与多机系统的耦合度
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1.5.1 并行性的概念 并行性的分类 同时性 并发性 按并行事件发生的时间分类 按并行事件的“粒度”分类 按并行事件的载体分类
(Simultaneity) 并发性 (Concurrency) 并行性的分类 按并行事件发生的时间分类 按并行事件的“粒度”分类 按并行事件的载体分类 按数据处理的步骤分类
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1.5.1 并行性的概念 并行性的分类 按并行事件发生的时间分类 按并行事件的“粒度”分类 按并行事件的载体分类 按数据处理的步骤分类
指令内部并行 指令间并行 进程间并行 程序间并行
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1.5.1 并行性的概念 并行性的分类 按并行事件发生的时间分类 按并行事件的“粒度”分类 按并行事件的载体分类 按数据处理的步骤分类
存储器操作并行 处理器操作步骤并行 处理器操作并行 指令、进程、程序并行
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1.5.1 并行性的概念 并行性的分类 按并行事件发生的时间分类 按并行事件的“粒度”分类 按并行事件的载体分类 按数据处理的步骤分类
位串字串 位并字串 位片串字并 全并行
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1.5.1并行性的概念 并行性开发的途径 (1)时间重叠: 相邻处理过程在时 间上错开,轮流重叠 的使用同一套硬件 的各部分。 3t 输入
功 能 部 件 3t 输入 输出 取 指 分 析 执 行 t 输入 输出
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1.5.1并行性的概念 并行性开发的途径 (2)资源重复: (3)资源共享: 重复设置硬件资源 提高可靠性与性能。 利用软件的方法让
多个用户按照一定 的时间顺序轮流使 用同一套资源,提 高资源利用率。
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1.5.2 计算机系统并行性的发展 1960年以前 1960年至1970年 1970年至1980年 算术运算的位并行
1980年至1990年 1990年以后 算术运算的位并行 运算与输入输出操作之间的并行。
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1.5.2 计算机系统并行性的发展 1960年以前 1960年至1970年 1970年至1980年 1980年至1990年 1990年以后
流水线单处理机系统,多道程序操作系统、出现了专用部件和Cache
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1.5.2 计算机系统并行性的发展 1960年以前 1960年至1970年 1970年至1980年 1980年至1990年 1990年以后
大型和巨型向量计算机 阵列计算机 相联处理机 等多种并行处理系统结构
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Cray-1
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1.5.2 计算机系统并行性的发展 1960年以前 1960年至1970年 1970年至1980年 1980年至1990年 1990年以后
RISC 超标量、超流水线处理机 超长指令字计算机 数据流计算机 智能计算机
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1.5.2 计算机系统并行性的发展 1960年以前 1960年至1970年 1970年至1980年 1980年至1990年 1990年以后
多处理机、多计算机、智能计算机,机器的主要特点是进行大规模并行处理
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多机系统的耦合度 紧耦合 ( Tightly couple ) 通过共享的主存来联系 松散耦合 ( Loosely couple )
通过计算机网络联系(消息传递)
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Beowulf:自己攒的“高性能计算机”
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多机系统的耦合度 紧耦合 ( Tightly couple ) 通过共享的主存来联系 松散耦合 ( Loosely couple )
通过计算机网络联系(消息传递) 最低耦合 ( Least couple) 没有直接的物理联系
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1.5.3 The Taxonomy of Computer Architecture
Many attempts have been made to categorize computer architectures. Flynn’s Taxonomy has been the most enduring of these, despite having some limitations. Flynn’s Taxonomy considers the number of processors and the number of data paths in an architecture. A machine can have one or many processors that operate on one or many data streams.
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The four combinations of multiple processors and multiple data paths are described by Flynn as:
SISD: Single instruction stream, single data stream. These are classic uniprocessor systems. SIMD: Single instruction stream, multiple data streams. Execute the same instruction on multiple data values, as in vector processors. MIMD: Multiple instruction streams, multiple data streams. These are today’s parallel architectures. MISD: Multiple instruction streams, single data stream.
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SISD: Single Instruction Stream Single Data Stream
说明:IS—指令流 DS—数据流 CS—控制流 CU—控制部件 PU—处理部件 MM—存储器模块
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SIMD: Single Instruction Stream Multiple Data Stream
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MIMD: Multiple Instruction Stream Multiple Data Stream
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MISD: Multiple Instruction Stream Single Data Stream
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The pitfalls of Flynn’s Taxonomy
1. there appears to be no need for MISD machines. 2. parallelism is not homogeneous. This assumption ignores the contribution of specialized processors. 3. it provides no straightforward way to distinguish architectures of the M I M D category. One idea is to divide these systems into those that share memory, and those that don’t, as well as whether the interconnections are bus-based or switch-based.
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1.5.4 并行处理系统的结构与多机系统的耦合度 Symmetric multiprocessors (SMP) and massively parallel processors (MPP) are MIMD architectures that differ in how they use memory. SMP systems share the same memory and MPP do not. An easy way to distinguish SMP from MPP is: MPP many processors + distributed memory + communication via network SMP fewer processors + shared memory communication via memory
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Expanded Flynn’s Taxonomy
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Question & Answer
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本章的重点内容 计算机体系结构、透明性的概念 计算机系统结构的研究内容 计算机系统设计的定量原理 系列机的概念及其对软件兼容的基本要求
并行性开发的途径
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