并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)第一章

,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,*,并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu),技術(shù)與分析,楊曉霞,Email,：,,Tel:15653802251,授課內(nèi)容,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的演變,并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能度量,流水和向量處理,并行存儲(chǔ)系統(tǒng)和同步機(jī)制,互聯(lián)網(wǎng)絡(luò),第一章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,計(jì)算機(jī)性能的高速增長(zhǎng)受益于：,電路技術(shù)的發(fā)展,體系結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的層次概念,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件硬件,/,固件,計(jì)算機(jī)語(yǔ)言由低級(jí)向高級(jí)發(fā)展,高一級(jí)語(yǔ)言的語(yǔ)句相對(duì)于低級(jí)語(yǔ)言功能更強(qiáng)，更便于應(yīng)用，但又都以低級(jí)語(yǔ)言為基礎(chǔ)。,從計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的角度，把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)按功能劃分成多級(jí)層次結(jié)構(gòu)。,第一章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)五大功能部件包括：,運(yùn)算器,、,控制器,存儲(chǔ)器,（高速緩存 主存儲(chǔ)器 虛擬存儲(chǔ)器）,輸入設(shè)備、輸出設(shè)備,這些設(shè)備和部件通過(guò) 總線 和,接口 連結(jié)在一起，構(gòu)成一臺(tái)完整的計(jì)算機(jī)，如下圖所示：,第一章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,輸入設(shè)備,輸出設(shè)備,輸入出接口和總線,控 制 器,運(yùn) 算 器,虛擬存儲(chǔ)器,主存儲(chǔ)器,高速緩存,第一章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,數(shù)據(jù)運(yùn)算部件,計(jì)算機(jī)控制部件,數(shù)據(jù)存儲(chǔ),部件,接口線路,數(shù)據(jù)輸入設(shè)備,接口線路,結(jié)果輸出設(shè)備,數(shù)據(jù)總線,地址總線,控制總線,計(jì)算機(jī)主機(jī),計(jì)算機(jī),外圍設(shè)備,計(jì)算機(jī)的,CPU,第一章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,存儲(chǔ)器,部件,運(yùn)算器,部件,控制器,部件,輸入,設(shè)備,輸出,設(shè)備,運(yùn)算器,部件,存儲(chǔ)器,部件,控制器,部件,輸出,設(shè)備,輸入,設(shè)備,方案（,a,）,方案（,b,）,圍繞運(yùn)算器部件構(gòu)建系統(tǒng) 圍繞存儲(chǔ)器部件構(gòu)建系統(tǒng),第一章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,運(yùn) 算 器,運(yùn)算器部件是計(jì)算機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)加工的部件，其主要功能包括：,1.,執(zhí)行數(shù)值數(shù)據(jù)的加減乘除等,算術(shù)運(yùn)算,，,執(zhí)行邏輯數(shù)據(jù)的與或非等,邏輯運(yùn)算,，,由一個(gè)被稱(chēng)為,ALU,的線路完成。,2.,暫時(shí)存放參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)和中間結(jié)果，,由多個(gè)通用寄存器和乘商寄存器承擔(dān)。,3.,運(yùn)算器通常也是,數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐?。,第一章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,控 制 器,運(yùn) 算 器,控制器是計(jì)算機(jī)中控制執(zhí)行指令的部件，向計(jì)算機(jī)各功能部件提供每一時(shí)刻協(xié)同運(yùn)行所需要的控制信號(hào)：,1.,正確分析與執(zhí)行每條指令：,取指令,分析指令,執(zhí)行指令。,2.,保證指令按規(guī)定序列自動(dòng)連續(xù)地執(zhí)行。,3.,對(duì)各種異常情況和請(qǐng)求及時(shí)響應(yīng)和處理。,第一章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,虛擬存儲(chǔ)器,主存儲(chǔ)器,高速緩存,控 制 器,運(yùn) 算 器,由高速緩沖存儲(chǔ)器、主存儲(chǔ)器、虛擬,存儲(chǔ)器所組成的多級(jí)存儲(chǔ)器系統(tǒng)，是計(jì)算,機(jī)中用于存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)的部件。這三級(jí),存儲(chǔ)器各自的功能分工、所用的存儲(chǔ)介質(zhì),的工作原理和特性各不相同,第一章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,輸入設(shè)備,虛擬存儲(chǔ)器,主存儲(chǔ)器,高速緩存,控 制 器,運(yùn) 算 器,輸入設(shè)備是向計(jì)算機(jī)中送入程序和數(shù)據(jù)的具有一定獨(dú)立功能的設(shè)備，通過(guò) 接口 和 總線與計(jì)算機(jī)主機(jī)連通，用于人機(jī)交互聯(lián)系，如計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)和鼠標(biāo)等。,第一章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,輸入設(shè)備,輸出設(shè)備,虛擬存儲(chǔ)器,主存儲(chǔ)器,高速緩存,控 制 器,運(yùn) 算 器,輸出設(shè)備是計(jì)算機(jī)中用于送出計(jì)算機(jī)內(nèi)部信息的設(shè)備，例如打印機(jī)、顯示器等。,第一章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,輸入設(shè)備,輸出設(shè)備,虛擬存儲(chǔ)器,主存儲(chǔ)器,高速緩存,控 制 器,運(yùn) 算 器,這些部件和設(shè)備通過(guò)總線和接口連接在一起,構(gòu)成計(jì)算機(jī)整機(jī)系統(tǒng)，協(xié)同運(yùn)行,。,入出接口和總線,第一章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,計(jì)算機(jī)軟件要,包含語(yǔ)言支持功能。計(jì)算機(jī)通常使用它的硬件可以直接識(shí)別、用電子線路容易處理的一種語(yǔ)言，這就是計(jì)算機(jī)的機(jī)器語(yǔ)言，又稱(chēng)為二進(jìn)制代碼語(yǔ)言，也就是計(jì)算機(jī)的指令；使用計(jì)算機(jī)的人員往往要使用更,“,高級(jí),”,一些的匯編語(yǔ)言和高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，在這兩種語(yǔ)言之間需要完成必要的處理和翻譯。,計(jì)算機(jī)軟件還要為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)本身提供性能良好的資源管理功能，為使用人員提供盡可能多的幫助。把資源管理和調(diào)度功能留給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件來(lái)完成更可靠，完成這一功能的軟件就是計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)的存在，又為使用計(jì)算機(jī)的用戶(hù)提供了許多支持，與程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言相結(jié)合，使得程序設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)化，建立用戶(hù)的應(yīng)用程序和操作計(jì)算機(jī)更方便。,第一章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,軟件,硬件或固件,多級(jí)層次結(jié)構(gòu),(1),虛擬機(jī)：由軟件實(shí)現(xiàn)的機(jī)器。,(2),語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的兩種基本技術(shù),翻譯：先把,N+1,級(jí)程序全部變換成,N,級(jí)程序后，再去執(zhí)行,新產(chǎn)生的,N,級(jí)程序，在執(zhí)行過(guò)程中,N+1,級(jí)程序不再被訪問(wèn)。,解釋?zhuān)好慨?dāng)一條,N+1,級(jí)指令被譯碼后，就直接去執(zhí)行一串,等效的,N,級(jí)指令，然后再去取下一條,N+1,級(jí)的指令，依此,重復(fù)進(jìn)行。,解釋執(zhí)行比翻譯花的時(shí)間多，但存儲(chǔ)空間占用較少。,第一章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,1.,計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的定義：,程序員所看到的計(jì)算機(jī)的屬性，即概念性結(jié)構(gòu)與功能特性。,2.,按照計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多級(jí)層次結(jié)構(gòu)，不同級(jí)程序員所看到的計(jì)算機(jī)具有不同的屬性。,3.,透明性 在計(jì)算機(jī)技術(shù)中，對(duì)這種本來(lái)是存在的事物或?qū)傩?，但從某種角度看又好象不存在。,第一章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,4.Amdahl,提出的體系結(jié)構(gòu)：傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)的體系結(jié)構(gòu)。即一般所說(shuō)的機(jī)器語(yǔ)言程序員所看到的傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)所具有的屬性。,5.,對(duì)于通用寄存器型機(jī)器，這些屬性主要是指：,(1),數(shù)據(jù)表示（硬件能直接辯認(rèn)和處理的數(shù)據(jù)類(lèi)型）,(2),尋址規(guī)則（包括最小尋址單元、尋址方式及其表示）,(3),寄存器定義（包括各種寄存器的定義、數(shù)量和使用方式）,第一章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,(4),指令集（包括機(jī)器指令的操作類(lèi)型和格式、指令間的排 序和控制機(jī)構(gòu)等）,(5),中斷系統(tǒng)（中斷的類(lèi)型和中斷響應(yīng)硬件的功能等）,(6),機(jī)器工作狀態(tài)的定義和切換（如管態(tài)和目態(tài)等）,(7),存儲(chǔ)系統(tǒng)（主存容量、程序員可用的最大存儲(chǔ)容量等）,第一章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,(8),信息保護(hù) （包括信息保護(hù)方式和硬件對(duì)信息保護(hù)的支持）,(9)I/O,結(jié)構(gòu) （包括,I/O,連接方式、處理機(jī),/,存儲(chǔ)器與,I/O,設(shè)備 間數(shù)據(jù)傳送的方式和格式以及,I/O,操作的狀態(tài)等）,經(jīng)典計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)概念的實(shí)質(zhì)：,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中軟硬件界面的確定，其界面之上的是軟件的功能，界面之下的是硬件和固件的功能。,第一章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,計(jì)算機(jī)組成：計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)。,研究硬件系統(tǒng)各組成部分的內(nèi)部構(gòu)造和相互聯(lián)系,以實(shí)現(xiàn)機(jī)器指令級(jí)的各種功能和特性,包括機(jī)器內(nèi)部的數(shù)據(jù)流和控制流的組成以及邏輯設(shè)計(jì)等。目標(biāo)是最合理地方式將各種設(shè)備和部件連接為計(jì)算機(jī),以達(dá)到最優(yōu)的性?xún)r(jià)比,從而實(shí)現(xiàn)所確定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),2.,計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)：計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)。,它包括處理機(jī)、主存等部件的物理結(jié)構(gòu),器件的集成度和速度,信號(hào)傳輸，器件、模塊、插件、底板的劃分與連接,專(zhuān)用器件的設(shè)計(jì),電源、冷卻、裝配等技術(shù)以及有關(guān)的制造技術(shù)和工藝等。它著眼于器件技術(shù)和微組裝技術(shù)。,一種體系結(jié)構(gòu)可以有多種組成,;,一種組成可以有多種物理實(shí)現(xiàn)。,第一章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,(2),IBM PC,系列機(jī),（處理器、處理器字寬、主要,I/O,總線、存儲(chǔ)空間、主要操作系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)）,如：,IBM 370,系列有,370/115,、,125,、,135,、,145,、,158,、,168,等一系列從低速到高速的各種型號(hào)。,3.,系列機(jī),(1),系列機(jī),在一個(gè)廠家內(nèi)生產(chǎn)的具有相同的體系結(jié)構(gòu)，但具有不同組成和實(shí)現(xiàn)的一系列不同型號(hào)的機(jī)器。,第一章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,第一章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,第一章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,第一章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,計(jì)算機(jī),PC,和,PC XT,PC AT,80386 PC,80486 PC,Pentium PC,Pentium II PC,Pentium III PC,Pentium 4 PC,時(shí)間,1981,1982,1985,1989,1993,1997,1999,2000,處理器,8088,80286,80386,80486,Pentium,Pentium II,Pentium III,Pentium 4,字寬,16,位,16,位,32,位,32,位,32,位,32,位,32,位,32,位,主要,I/O,總線,PC,總線,AT,（,ISA,）,ISA/EISA,ISA+VL,ISA+PCI,ISA+PCI+AGP,PCI+AGP+USB,PCI-X+AGP+USB,存儲(chǔ)空間,20,位,24,位,32,位,32,位,32,位,32,位,32,位,32,位,主要操作系統(tǒng),DOS,DOS,、,XENIX,DOS,、,Windows 3.0,DOS,、,Windows 3.1,DOS,、,Windows 3.1,Windows 95,Windows 98,、,2000,Windows Me,、,XP,第一章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,4.,軟件兼容,:,同一個(gè)軟件可以不加修改地運(yùn)行于體系結(jié)構(gòu)相同的各檔機(jī)器，而且它們所獲得的結(jié)果一樣，差別只在于有不同的運(yùn)行時(shí)間。,第一章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,向上,(,下,),兼容：按某檔機(jī)器編制的程序，不加修改的就能運(yùn),行于比它高,(,低,),檔的機(jī)器。,向前,(,后,),兼容：按某個(gè)時(shí)期投入市場(chǎng)的某種型號(hào)機(jī)器編制的,程序，不加修改地就能運(yùn)行于在它之前,(,后,),投入市場(chǎng)的機(jī)器。,向后兼容是軟件兼容的根本特征，也是系列機(jī)的根本特征。,5.,兼容機(jī),不同廠家生產(chǎn)的具有相同體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)。,第一章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,1.3,計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展,存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)及其發(fā)展,第一章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,1.,存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn),(1),機(jī)器以運(yùn)算器為中心；,(2),采用存儲(chǔ)程序原理；,(3),存儲(chǔ)器是按地址訪問(wèn)的、線性編址的空間；,(4),控制流由指令流產(chǎn)生；,(5),指令由操作碼和地址碼組成；,(6),數(shù)據(jù)以二進(jìn)制編碼表示，采用二進(jìn)制運(yùn)算,。,第一章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,2.,對(duì)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行的改進(jìn),(1),分布的,I/O,處理能力,以運(yùn)算器為中心帶來(lái)了慢速輸入輸出操作占用快速運(yùn)算器的問(wèn)題。,為了解決這一問(wèn)題，人們提出了各種輸入輸出方式。,第一章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,第一章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,(2),保護(hù)的存儲(chǔ)器空間,是否把指令和數(shù)據(jù)放在同一存儲(chǔ)器中？,優(yōu)點(diǎn),:,不必預(yù)先區(qū)分指令和數(shù)據(jù)，易實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)管理軟件；,程序和指令在執(zhí)行過(guò)程中可以被修改，因而可以編寫(xiě)出靈,活的可修改的程序；,對(duì)于存取指令和數(shù)據(jù)僅需一套讀,/,寫(xiě)和尋址電路，硬件簡(jiǎn)單；,數(shù)據(jù)可以分配于任何可用空間，從而可更有效地利用存儲(chǔ),空間等。,第一章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,缺點(diǎn)：,不利于進(jìn)行程序調(diào)試診斷；,不利于實(shí)現(xiàn)程序的可再入性和程序的遞歸調(diào)用；,不利于重疊和流水方式的操作。,現(xiàn)在絕大多數(shù)計(jì)算機(jī)都規(guī)定，在執(zhí)行進(jìn)程中不準(zhǔn)修改程序。,第一章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,(3),存儲(chǔ)器組織結(jié)構(gòu)的發(fā)展,相聯(lián)存儲(chǔ)器和相聯(lián)處理機(jī),通用寄存器,高速緩沖存儲(chǔ)器和多級(jí)存儲(chǔ)器組織結(jié)構(gòu),(4),并行處理技術(shù),如何挖掘傳統(tǒng)機(jī)器中的并行性？,改進(jìn),CPU,的組成,重疊方式,先行控制,第一章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,在體系結(jié)構(gòu)上對(duì)某些計(jì)算問(wèn)題實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算。,如向量計(jì)算,多機(jī)并行處理系統(tǒng),把一個(gè)作業(yè),(,程序,),劃分成能并行執(zhí)行的多個(gè)任,務(wù),(,程序段,),，把每個(gè)任務(wù)分配給一個(gè)處理機(jī)執(zhí)行,。,多操作部件,流水方式,第一章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī),(CISC),精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī),(RISC),(5),指令集結(jié)構(gòu)的發(fā)展,指令集的功能,指令的地址空間和尋址方式,多種靈活的尋址方式。,第一章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,計(jì)算機(jī)的分代和分型,1.,計(jì)算機(jī)到目前為止已經(jīng)發(fā)展了五代,這五代計(jì)算機(jī)分別具有明顯的器件、體系結(jié),構(gòu)技術(shù)和軟件技術(shù)的特征。,2.,計(jì)算機(jī)可以根據(jù)價(jià)格分為五個(gè)檔次：,巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)、微型機(jī),第一章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,第一代,(1945-1954),電子管和繼電器,存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)、程序