[工學(xué)]1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)-資料下載頁(yè)
2025-01-19 10:33本頁(yè)面
【正文】 化的數(shù)值計(jì)算 非結(jié)構(gòu)化的數(shù)值計(jì)算實(shí)時(shí)多因素問(wèn)題 大存儲(chǔ)容量和輸入輸出密集的問(wèn)題圖形學(xué)和設(shè)計(jì)問(wèn)題 人工智能 應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響 并行性的概念n 并行性：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在同一時(shí)刻或者同一時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行多種運(yùn)算或操作。只要在時(shí)間上相互重疊，就存在并行性。216。 同時(shí)性：兩個(gè)或兩個(gè)以上的事件在同一時(shí)刻發(fā)生。216。 并發(fā)性：兩個(gè)或兩個(gè)以上的事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中并行性的發(fā)展n 從處理數(shù)據(jù)角度來(lái)， 并行性等級(jí) 從低到高可分為：n 字串位串：每次只對(duì)一個(gè)字的一位進(jìn)行處理。n 字串位并：同時(shí)對(duì)一個(gè)字的全部位進(jìn)行處理，不同字之間是串行的。n 字并位串：同時(shí)對(duì)許多字的同一位（稱(chēng)為位片）進(jìn)行處理。n 全并行：同時(shí)對(duì)許多字的全部位或部分位進(jìn)行處理。 并行性的概念n 從執(zhí)行程序角度來(lái)，并行性等級(jí)從低到高可分為：n 指令內(nèi)部并行：?jiǎn)螚l指令中各微操作之間的并行。n 指令級(jí)并行：并行執(zhí)行兩條或兩條以上的指令。n 線程級(jí)并行：并行執(zhí)行兩個(gè)或兩個(gè)以上的線程。通常是以一個(gè)進(jìn)程內(nèi)派生的多個(gè)線程為調(diào)度單位。n 任務(wù)級(jí)或過(guò)程級(jí)并行：并行執(zhí)行兩個(gè)或兩個(gè)以上的過(guò)程或任務(wù)（程序段）。以子程序或進(jìn)程為調(diào)度單元。n 作業(yè)或程序級(jí)并行：并行執(zhí)行兩個(gè)或兩個(gè)以上的作業(yè)或程序。 并行性的概念n 時(shí)間重疊引入時(shí)間因素，讓多個(gè)處理過(guò)程在時(shí)間上相互錯(cuò)開(kāi)，輪流重疊地使用同一套硬件設(shè)備的各個(gè)部分，以加快硬件周轉(zhuǎn)而贏得速度。n 資源重復(fù)引入空間因素，以數(shù)量取勝。通過(guò)重復(fù)設(shè)置硬件資源，大幅度地提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能。n 資源共享這是一種軟件方法，它使多個(gè)任務(wù)按一定時(shí)間順序輪流使用同一套硬件設(shè)備。 提高并行性的技術(shù)途徑 在發(fā)展高性能單處理機(jī)過(guò)程中，起主導(dǎo)作用的是時(shí)間重疊原理。n 實(shí)現(xiàn)時(shí)間重疊的基礎(chǔ)：部件功能專(zhuān)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(zhuān)門(mén)的部件完成；216。 按時(shí)間重疊原理把各部分的執(zhí)行過(guò)程在時(shí)間上重疊起來(lái)，使所有部件依次分工完成一組同樣的工作。 單機(jī)系統(tǒng)中并行性的發(fā)展例如：對(duì)于解釋指令的 5個(gè)過(guò)程，就分別需要 5個(gè)專(zhuān)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(wèn)存儲(chǔ)器部件 (M)和寫(xiě)結(jié)果部件 (WB)。 單機(jī)系統(tǒng)中并行性的發(fā)展在單處理機(jī)中，資源重復(fù)原理的運(yùn)用也已經(jīng)十分普遍。n 多體存儲(chǔ)器n 多操作部件：通用部件被分解成若干個(gè)專(zhuān)用部件，如加法部件、乘法部件、除法部件、邏輯運(yùn)算部件等，而且同一種部件也可以重復(fù)設(shè)置多個(gè)。n 陣列處理機(jī)（并行處理機(jī)）：設(shè)置許多相同的處理單元，讓它們?cè)谕粋€(gè)控制器的指揮下，按照同一條指令的要求，對(duì)向量或數(shù)組的各元素同時(shí)進(jìn)行同一操作，就形成了陣列處理機(jī)。 單機(jī)系統(tǒng)中并行性的發(fā)展在單處理機(jī)中，資源共享的概念實(shí)質(zhì)上是用單處理機(jī)模擬多處理機(jī)的功能，形成所謂虛擬機(jī)的概念，如分時(shí)系統(tǒng)。 單機(jī)系統(tǒng)中并行性的發(fā)展多機(jī)系統(tǒng)遵循時(shí)間重疊、資源重復(fù)、資源共享原理，發(fā)展為 3種不同的多處理機(jī)：異構(gòu)型多處理機(jī)、同構(gòu)型多處理機(jī)、分布式系統(tǒng)耦合度 :反映多機(jī)系統(tǒng)中各機(jī)器之間物理連接的緊密程度和交互作用能力的強(qiáng)弱。多機(jī)系統(tǒng)按耦合度分為兩大類(lèi)：216。 緊密耦合系統(tǒng)216。 松散耦合系統(tǒng) 多機(jī)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(jì)算機(jī)之間的物理連接的頻帶較高，一般是通過(guò)總線或高速開(kāi)關(guān)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(guò)通道或通信線路實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)之間的互連，可以共享外存設(shè)備。機(jī)器之間的相互作用是在文件或數(shù)據(jù)集一級(jí)上進(jìn)行的。表現(xiàn)為兩種形式： n 多臺(tái)計(jì)算機(jī)和共享的外存設(shè)備連接，不同機(jī)器之間實(shí)現(xiàn)功能上的分工，處理結(jié)果以文件或數(shù)據(jù)集的形式送到共享外存設(shè)備，供其他機(jī)器繼續(xù)處理。n 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)：通過(guò)通信線路連接，實(shí)現(xiàn)更大范圍的資源共享。 多機(jī)系統(tǒng)中并行性的發(fā)展功能專(zhuān)用化（實(shí)現(xiàn)時(shí)間重疊 ）216。 專(zhuān)用外圍處理機(jī)例如，輸入 /輸出功能的分離。 216。 專(zhuān)用處理機(jī)如數(shù)組運(yùn)算、高級(jí)語(yǔ)言翻譯、數(shù)據(jù)庫(kù)管理等，分離出來(lái)。216。 異構(gòu)型多處理機(jī)系統(tǒng)由多個(gè)不同類(lèi)型、至少擔(dān)負(fù)不同功能的處理機(jī)組成，它們按照作業(yè)要求的順序，利用時(shí)間重疊原理，依次對(duì)它們的多個(gè)任務(wù)進(jìn)行加工，各自完成規(guī)定的功能動(dòng)作。 多機(jī)系統(tǒng)中并行性的發(fā)展機(jī)間互連216。 容錯(cuò)系統(tǒng)216。 可重構(gòu)系統(tǒng)對(duì)計(jì)算機(jī)之間互連網(wǎng)絡(luò)的性能提出了更高的要求。高帶寬、低延遲、低開(kāi)銷(xiāo)的機(jī)間互連網(wǎng)絡(luò)是高效實(shí)現(xiàn)程序或任務(wù)一級(jí)并行處理的前提條件。216。 同構(gòu)型多處理機(jī)系統(tǒng)由多個(gè)同類(lèi)型或至少擔(dān)負(fù)同等功能的處理機(jī)組成，它們同時(shí)處理同一作業(yè)中能并行執(zhí)行的多個(gè)任務(wù)。 多機(jī)系統(tǒng)中并行性的發(fā)展假定某計(jì)算機(jī)有以下測(cè)試結(jié)果： 浮點(diǎn)操作指令使用頻率為 25%； 浮點(diǎn)指令平均 CPI為 ； 其他操作指令平均 CPI為 ； 浮點(diǎn)平方根指令的使用頻率為 1%； 浮點(diǎn)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(diǎn)平方根指令的 CPI降為 2，另一種是將所有浮點(diǎn)指令的平均 CPI降為 3。試比較這兩種設(shè)計(jì)方案。習(xí)題某工作站采用時(shí)鐘頻率為 15MHz、處理速率為10MIPS的處理機(jī)來(lái)執(zhí)行一個(gè)已知混合程序。假定每次存儲(chǔ)器存取周期為 1的延遲，試問(wèn)： （ 1）計(jì)算在該處理機(jī)的平均 CPI； （ 2）假定將處理機(jī)的時(shí)鐘提高到 30MHz，但存儲(chǔ)系統(tǒng)速率不變。這樣每次存儲(chǔ)器存取需要 2個(gè)周期。如果 30%的指令中每條只需 1次存儲(chǔ)器存取，而另外 5%中每條需要 2次存儲(chǔ)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(jìn)后的處理機(jī)的 CPI和 MIPS。習(xí)題 假設(shè)某應(yīng)用程序中有 4類(lèi)操作，通過(guò)改進(jìn)，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(jìn)后，各類(lèi)操作的加速比分別是多少？（ 2）各類(lèi)操作單獨(dú)改進(jìn)后，程序獲得的加速比分別是多少？（ 3） 4類(lèi)操作均改進(jìn)后，整個(gè)程序的加速比是多少？操作類(lèi)型程序中的數(shù)量（百萬(wàn)條指令）改進(jìn)前的執(zhí)行時(shí)間（周期）改進(jìn)后的執(zhí)行時(shí)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
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