【正文】 化的數(shù)值計算 非結構化的數(shù)值計算實時多因素問題 大存儲容量和輸入輸出密集的問題圖形學和設計問題 人工智能 應用對系統(tǒng)結構的影響 并行性的概念n 并行性：計算機系統(tǒng)在同一時刻或者同一時間間隔內(nèi)進行多種運算或操作。只要在時間上相互重疊，就存在并行性。216。 同時性：兩個或兩個以上的事件在同一時刻發(fā)生。216。 并發(fā)性：兩個或兩個以上的事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生。 計算機系統(tǒng)結構中并行性的發(fā)展n 從處理數(shù)據(jù)角度來， 并行性等級 從低到高可分為：n 字串位串：每次只對一個字的一位進行處理。n 字串位并：同時對一個字的全部位進行處理，不同字之間是串行的。n 字并位串：同時對許多字的同一位（稱為位片）進行處理。n 全并行：同時對許多字的全部位或部分位進行處理。 并行性的概念n 從執(zhí)行程序角度來，并行性等級從低到高可分為：n 指令內(nèi)部并行：單條指令中各微操作之間的并行。n 指令級并行：并行執(zhí)行兩條或兩條以上的指令。n 線程級并行：并行執(zhí)行兩個或兩個以上的線程。通常是以一個進程內(nèi)派生的多個線程為調(diào)度單位。n 任務級或過程級并行：并行執(zhí)行兩個或兩個以上的過程或任務（程序段）。以子程序或進程為調(diào)度單元。n 作業(yè)或程序級并行：并行執(zhí)行兩個或兩個以上的作業(yè)或程序。 并行性的概念n 時間重疊引入時間因素，讓多個處理過程在時間上相互錯開，輪流重疊地使用同一套硬件設備的各個部分，以加快硬件周轉而贏得速度。n 資源重復引入空間因素，以數(shù)量取勝。通過重復設置硬件資源，大幅度地提高計算機系統(tǒng)的性能。n 資源共享這是一種軟件方法，它使多個任務按一定時間順序輪流使用同一套硬件設備。 提高并行性的技術途徑 在發(fā)展高性能單處理機過程中，起主導作用的是時間重疊原理。n 實現(xiàn)時間重疊的基礎：部件功能專用化216。 把一件工作按功能分割為若干相互聯(lián)系的部分；216。 把每一部分指定給專門的部件完成；216。 按時間重疊原理把各部分的執(zhí)行過程在時間上重疊起來，使所有部件依次分工完成一組同樣的工作。 單機系統(tǒng)中并行性的發(fā)展例如：對于解釋指令的 5個過程，就分別需要 5個專用的部件：取指令部件 (IF)、 指令譯碼部件 (ID)、指令執(zhí)行部件 (EX)、 訪問存儲器部件 (M)和寫結果部件 (WB)。 單機系統(tǒng)中并行性的發(fā)展在單處理機中，資源重復原理的運用也已經(jīng)十分普遍。n 多體存儲器n 多操作部件：通用部件被分解成若干個專用部件，如加法部件、乘法部件、除法部件、邏輯運算部件等，而且同一種部件也可以重復設置多個。n 陣列處理機（并行處理機）：設置許多相同的處理單元，讓它們在同一個控制器的指揮下，按照同一條指令的要求，對向量或數(shù)組的各元素同時進行同一操作，就形成了陣列處理機。 單機系統(tǒng)中并行性的發(fā)展在單處理機中，資源共享的概念實質(zhì)上是用單處理機模擬多處理機的功能，形成所謂虛擬機的概念，如分時系統(tǒng)。 單機系統(tǒng)中并行性的發(fā)展多機系統(tǒng)遵循時間重疊、資源重復、資源共享原理，發(fā)展為 3種不同的多處理機：異構型多處理機、同構型多處理機、分布式系統(tǒng)耦合度 :反映多機系統(tǒng)中各機器之間物理連接的緊密程度和交互作用能力的強弱。多機系統(tǒng)按耦合度分為兩大類：216。 緊密耦合系統(tǒng)216。 松散耦合系統(tǒng) 多機系統(tǒng)中并行性的發(fā)展n 緊密耦合系統(tǒng)（直接耦合系統(tǒng)）：在這種系統(tǒng)中，計算機之間的物理連接的頻帶較高，一般是通過總線或高速開關互連，可以共享主存。n 松散耦合系統(tǒng)（間接耦合系統(tǒng)）：一般是通過通道或通信線路實現(xiàn)計算機之間的互連，可以共享外存設備。機器之間的相互作用是在文件或數(shù)據(jù)集一級上進行的。表現(xiàn)為兩種形式： n 多臺計算機和共享的外存設備連接，不同機器之間實現(xiàn)功能上的分工，處理結果以文件或數(shù)據(jù)集的形式送到共享外存設備，供其他機器繼續(xù)處理。n 計算機網(wǎng)絡：通過通信線路連接，實現(xiàn)更大范圍的資源共享。 多機系統(tǒng)中并行性的發(fā)展功能專用化（實現(xiàn)時間重疊 ）216。 專用外圍處理機例如，輸入 /輸出功能的分離。 216。 專用處理機如數(shù)組運算、高級語言翻譯、數(shù)據(jù)庫管理等，分離出來。216。 異構型多處理機系統(tǒng)由多個不同類型、至少擔負不同功能的處理機組成，它們按照作業(yè)要求的順序，利用時間重疊原理，依次對它們的多個任務進行加工，各自完成規(guī)定的功能動作。 多機系統(tǒng)中并行性的發(fā)展機間互連216。 容錯系統(tǒng)216。 可重構系統(tǒng)對計算機之間互連網(wǎng)絡的性能提出了更高的要求。高帶寬、低延遲、低開銷的機間互連網(wǎng)絡是高效實現(xiàn)程序或任務一級并行處理的前提條件。216。 同構型多處理機系統(tǒng)由多個同類型或至少擔負同等功能的處理機組成，它們同時處理同一作業(yè)中能并行執(zhí)行的多個任務。 多機系統(tǒng)中并行性的發(fā)展假定某計算機有以下測試結果： 浮點操作指令使用頻率為 25%； 浮點指令平均 CPI為 ； 其他操作指令平均 CPI為 ； 浮點平方根指令的使用頻率為 1%； 浮點平方根指令的 CPI為 20。 假定有兩種減少 CPI的措施可供選擇，一種是將浮點平方根指令的 CPI降為 2，另一種是將所有浮點指令的平均 CPI降為 3。試比較這兩種設計方案。習題某工作站采用時鐘頻率為 15MHz、處理速率為10MIPS的處理機來執(zhí)行一個已知混合程序。假定每次存儲器存取周期為 1的延遲，試問： （ 1）計算在該處理機的平均 CPI； （ 2）假定將處理機的時鐘提高到 30MHz，但存儲系統(tǒng)速率不變。這樣每次存儲器存取需要 2個周期。如果 30%的指令中每條只需 1次存儲器存取，而另外 5%中每條需要 2次存儲器存取，還假定已知混合程序的指令數(shù)不變，并與原工作站兼容，試求改進后的處理機的 CPI和 MIPS。習題 假設某應用程序中有 4類操作，通過改進，各操作獲得了不同的性能提高。具體數(shù)據(jù)如下表所示：（ 1）改進后，各類操作的加速比分別是多少？（ 2）各類操作單獨改進后，程序獲得的加速比分別是多少？（ 3） 4類操作均改進后，整個程序的加速比是多少？操作類型程序中的數(shù)量（百萬條指令）改進前的執(zhí)行時間（周期）改進后的執(zhí)行時間（周期）操作 1 10 2 1操作 2 30 20 15操作 3 35 10 3操作 4 15 4 1