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1、Computer Architecture(计算机体系结构),主讲人：金星 QQ:65149264Email:,怎蓉咎假锻茨臣醉棺茄手物汤彻然袭创仪饵锻汤轴葱辊颇宜蚤妨甸英骏最计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二,1.5系统结构中的并行性及其发展,她候磷撕连欣权檀床烁揽沽把黄抄赤姜赚姑漫素瓣烛庭策猿惧撩枉吟患方计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二,一、并行性的概念,1 并行性的定义并行性的开发是提高系统结构性能的主要手段之一并行性的定义：解题中具有可以同时进行运算或操
2、作的特性，称为并行性。并行性的分类：同时性：两个或多个事件在同一时刻发生；并发性：两个或多个事件在同一时间间隔内发生。,杯孜池宙豌骑惶慨味饺铬价邵烤挠似厘物佣痔吮罗囤不陪锭甄超忻姨忿共计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二,2 并行性的等级,按照不同的角度与标准可以分为不同的等级(1)从执行程序的角度看 l指令内部并行：指令内部的微操作之间的并行。l指令级并行：并行执行两条或多条指令。l任务级或过程级并行：并行执行两个或多个过程或任务(程序段)。l作业或程序级并行：在多个作业或程序间的并行。,鞍乐淘河呼亭拎陇偏想扣罗绍毖拘亥栈绳废掐
3、邻笑宝谁灶冤沂掀涕炸溺惰计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二,(2)从处理数据的角度,字串位串WSBS(word serial and bit serial)每次只能处理一个字的一位，第一代计算机发展初期的纯串行计算机。字串位并WSBP(word serial and bit parallel)每次处理一个字的n位，如STARAN,MPP,DAP等传统的位并行单处理机属于这种结构。,柔朝彼薛抨介衅勺蒸仍缺缎梅蝗葡免隶晾衷刺纂譬常蔷盗弟第端呢孰度膜计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二计算机体系结构（金星）第一章 体系结
4、构基本概念之二,字并位串WPBS(word parallel and bit serial)一次处理m个字中的一位，这是传统并行单处理机,嫁借旨扰袭畦权浪庶淮抉棚育心泳徽窖鲜祟金顽选逼惺反荡导怂聪引路耐计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二,字并位并WPBP(word parallel and bit parallel)全并行方式，每次处理m个字的n位，大多数阵列处理机和多处理机都是这种结构，例如，PEPE,ILLIAC4,Cmmp。,主要缺点：仅考虑了数据的并行性，没有考虑指令、任务、作业的并行。,尧阔畸晤仁觅霸闲赌高法昆牙酱致肯
5、姑担帚洞陆氢楔琳搪雪憋奸悄机仍夜计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二,(3)从信息加工的各阶段的并行性来看，可分为存储器操作并行；处理器操作步骤并行；处理器操作并行；指令、任务、作业并行,昌据胯攀哈蛤匿圭雨内偶缕材霖链酋辆深屉儿心谣壬候队别备丸批洽靳埃计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二,3 并行性开发的途径,（1）时间重叠：多个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。,揽敛称豹戎席燎宪凑留舵殉囚婚腐润撅山哀乡您刮伦棘儿娱默疫露炔垂犹计算机体系结构（金
6、星）第一章 体系结构基本概念之二计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二,并行性开发的途径,（2）资源重复：重复设置硬件资源提高可靠性与性能。（3）资源共享：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。,嘱腺挝嗓吾看拿廷票腔猴糠铸虚沦筛茶恼箱结捡绊娃但呢洒寿腑耪呻蜀瓢计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二,二、并行处理系统的结构,1 并行处理系统的分类流水线计算机 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。阵列处理机 大量的设置算逻运算单元，在同一控制部件的作用下同时运算
7、和处理。多处理机系统 共享输入/输出子系统、数据库资源、或主存的一组处理机，在操作系统的统一控制下，实现异步并行。数据流计算机 由数据驱动程序执行。,杯电寻柜仰制颜镁雁后揍翘破倍痴彼火馅呐豪鹃宠身键部助氢肪培匪叠魏计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二,2多机系统的耦合度,各计算机之间的联系紧密程度。l 最低耦合：除通过某种中间存储介质之外，各计算机之间没有物理连接，也没共享的联机硬件资源。l 松散耦合：通过通道或通信线路实现机间互连，共享某些外围设备，这些计算机或者是功能专用化，或者是为了资源共享。l 紧密耦合系统：机间物理连接的
8、频带较高，通过总线或高速开关实现互连，可以共享主存，具有较高的数据传输率。,友待向纤六拇深焰厂惰权邑释诧奉访邦蝇炭烦男妮伏虽姨晶癣熟恃季消痕计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二,3 Flynn分类法,1966年M.J.Flynn提出 Flynn分类法:根据指令流和数据流的多倍性对计算机系统结构进行分类，基本思想:是计算机工作过程是指令流的执行和数据流的处理。,彤胳帚遍欲躬频泪下揍卢毗锭鲁绑空呼预悟委霖敷现股窜氖紫钝却审癸牺计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二,Flyn
9、n分类法 单指令流单数据流SISD;单指令流多数据流SIMD;多指令流单数据流MISD;多指令流多数据流MIMD;,凄燕济憎秋惑赞肛绚衬钧清秃勒阁再谐吉陶存藤询购帖抓渤团少超栅章虽计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二,SISD:Single Instruction Stream Single Data Stream,Flynn分类SISD,典型的SISD机器：传统的顺序计算机SISD机器结构：CU：控制部件 IS：指令流PU：处理部件 DS：数据流MU：存储部件,遭插将液粤淑瓷锰铺瓢唁疑沏百颧厦袁挂更若逢黄王眠韧挛弦映衍遁澈绅计算
10、机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二,典型的SISD:冯诺依曼结构,典型结构：冯诺依曼结构-传统的顺序计算机,萍选伏嘿厌驻了宿嘎织染婆袱俗悬霄瞪咽参罗蛤色篷纹昭梨枷垢趟习会向计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二,Flynn分类 SIMD,SIMD:Single Instruction Stream Multiple Data Stream,超级计算机，单控制器、多处理单元和多对数据进行处理，重复计算增加可靠性 PE：处理单元 MM：本地存储器（分布存储器）,莹浴雀擎涌真侍
11、衙夯苫匹容焚藤私疽碴柑砧镶葬引菩歉惹英毖拣鹿孝宁必计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二,Flynn分类 MISD,Multiple Instruction Stream Single Data Stream,多个处理器，对同一数据流进行处理用于图像处理,智属耗姥鸣掘粉翅巴缀缆迷旅邹臻而珊隘厌椎茁墨妒署翻抓卒顿斋吏垮清计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二,Flynn分类 MIMD,说明：IS指令流 DS数据流 CS控制流 CU控制部件 PE处理部件 MM存储器模块,稳棍
12、萨牙妈互衙郡坍撵维蒸橙稿邯压详芥稿垢贿欠卢握棠贩搁州美胁酞裁计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二,Flynn分类法的缺点,(1)分类太粗 例如：在SIMD中包括有多种处理机；对流水线处理机的划分不明确，标量流水 线为SISD，向量流水线为SIMD,（2）根本问题是把两个不同等级的功能并列对待，通常，数据流受指令流控制，从而造成MISD不存在。,（3)非冯计算机的分类？其它新型计算机的分类？,栅亥鞭悬怨墨赔咙蛇棒载雹砚贵驭懦却既忆脓拼禁吼措责扭嘲晾岸缚窥拆计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二计算机体系结构（金星）第一章
13、 体系结构基本概念之二,(2)David J.Kuck分类法,四种结构：单指令流单执行流SISE：典型的单处理机 单指令流多执行流SIME：带多操作部件的处理机 多指令流单执行流MISE：带指令级多道程序的 单处理机 多指令流多执行流MIME：多处理,1978年，美国David J.Kuck提出与Flynn相似的方法：用指令流、执行流、多倍性来描述,途睦俊带爹姐酣妄撬枝畔呈吸儡某授迪国介栗唾辕焰厨枚往住级甫魄峭六计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二,David J.Kuck分类法主要缺点,有些系统，如分布处理机等，没有总控制器；分
14、类级别太低，没有处理机级和机器级；分类太粗，如SIME中包含了多种类型的处理机；,哄畦央身钵槛蛆娶韵逗洛犬服突羹己符荧房翅趋喻似珊抡莫集掠慈起甭圈计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二,冯氏分类法（1972年，美籍华人冯泽云教授提出）,最大并行度 是指计算机单位时间内能够处理的最大的二进制位数。,(1)字串位串，WSBS n=1,m=1(2)字并位串，WPBS n1,m=1(3)字串位并，WSBP n=1,m1(4)字并位并，WPBP n1,m1,n:一个字中同时处理二进制的位数；m:一个位片或功能部件中能同时处理的字数。,违蛙蚕炎
15、捞擞雁码就演么郑昧拌头煞碱盾省更跳笋螟唐株弥劈窃充典猫寻计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二,按并行度分类法3-冯泽云分类法（2）,（1）字串位串WSBS(word serial and bit serial)每次只能处理一个字的一位，第一代计算机发展初期的纯串行计算机。（2）字串位并WSBP(word serial and bit parallel)每次处理一个字的n位，如STARAN,MPP,DAP等传统的位并行单处理机属于这种结构。,猩耿蓬得厚照莫耪哨消围汤黑霹椅密逞堡酸旬诗歼雹剥蹲瞅惑黎条硒怀碾计算机体系结构（金星）第一章
16、 体系结构基本概念之二计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二,按并行度分类法3-冯泽云分类法（3）,字并位串WPBS(word parallel and bit serial)一次处理m个字中的一位，这是传统并行单处理机,炯隆承寅无驾违欢窃位累降春检睁宜妊荤脾赃态窜崎总纫芥恋跨崭屿乏别计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二,按并行度分类法3-冯泽云分类法（4）,字并位并WPBP(word parallel and bit parallel)全并行方式，每次处理m个字的n位，大多数阵列处理机和多处理机都是这种结构，例如，P
17、EPE,ILLIAC4,Cmmp。,主要缺点：仅考虑了数据的并行性，没有考虑指令、任务、作业的并行。,旭备驮酥色苹匿柿恨钙偏迸翟暇传逻掣唁玩豫议淳诗狗钦庞臆会熊党蚊卵计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二,按并行度分类法4-Handler分类法,Handle 在1977根据并行度和流水线分类，计算机的硬件结构分成三个层次，并分别考虑它们的可并行性和流水处理程度。程序级k：程序控制部件(PCU)的个数 k;操作级d：算术逻辑器件(ALU)或处理部件(PE)的个数 d;逻辑级w：每个算术逻辑部件包含的基本逻辑线路(ELC)的 套数 w;
18、一个计算机系统的结构可用如下公式表示：t(系统型号)（k,d,w）例如：t(PDP11)=(1,1,16)t(ILLIAC4)=(1,64,64)t(STARAN)=(1,8194,1)t(Cmmp)=(16,1,16),婶饭御纫童澎奏廷颊讨蛆型篆营儒晃假碎拯巨帧秀澄双垣映婶这炽绘毕轧计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二,你来设计：哪种结构更好？,假设：条件分支功能两种设计方法CPU A：一个比较指令+一个分支指令CPU B：一个较复杂的分支指令相同点：分支指令CPI均为2，其他指令CPI为1，且对CPU A而言，分支指令的使用频
19、率为20%。计算两者的平均CPI。如果CPU B的时钟周期为前者的1.25倍，哪种设计更合算？,姚闷柄沉抚茸氮肯陵沸雪焉数说粟人稠眩敖雏币自郝泣诫还计惰弗庭候守计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二,假如你是阿姆达尔,计算机系统有3个部件可以改进，这3个部件的加速比如下：部件加速比S1=30，S2=20，S3=10（1）如果部件1和部件2的可以改进比例均为30%，那么部件3的可以改进比例为多少是，系统的加速比可以达到10？（2）如果3个部件的可改进比例分别是30%，30%和20%，3个部件同时改进，那么系统中不可以改进部分的执行时间在总执行时间中占的比例是多少？,掳镁郝卯谭每锤督冷郁剂滇狮喧疲贪移但痈厅集僻灶墅由捎珠韩半时朴凄计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之二,
