【正文】 統(tǒng)結(jié)構(gòu)的生命周期 Computer Architecture 計算機體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展 硬件 系統(tǒng)軟件 應用軟件 5 ~7 年 5 ~7 年 一般發(fā)展 8 0 3 8 6 ： 1 9 8 5 W in d o w s 32 ： 1 9 9 2 W in d o w s 9 8 普及： 1 9 9 8 32 位 x 8 6 (I A 32 ) I a n ti u m ： 2022 IA 64 系統(tǒng)軟件：？ IA 64 應用：？ IA 64 消亡 5 ~7 年 64 位 x 8 6 出現(xiàn)： 2 0 0 3 Intel的 x86系列微處理器中 32位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展 Computer Architecture 計算機體系結(jié)構(gòu)中并行性的發(fā)展 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。 – 同時性： 兩個或兩個以上的事件在同一時刻發(fā)生。 – 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。 并行性的概念 Computer Architecture 計算機體系結(jié)構(gòu)中并行性的發(fā)展 數(shù)據(jù)并行 （如：多個數(shù)據(jù)同時被處理） 控制并行 （如：多條指令同時被執(zhí)行） 計算機中并行性分兩類： Computer Architecture 計算機體系結(jié)構(gòu)中并行性的發(fā)展 數(shù)據(jù)并行 ，并行性等級從低到高可分為： 字串位串 字串位并 字并位串 全并行 Computer Architecture 計算機體系結(jié)構(gòu)中并行性的發(fā)展 字串位串： 每次只對一個字的一位進行處理。 最基本的串行處理方式。 不存在并行性。 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。 開始出現(xiàn)并行性。 字并位串： 同時對許多字的同一位（稱為位片） 進行處理。 具有較高的并行性。 全并行： 同時對許多字的全部位或部分位進行處 理。 最高一級的并行。 Computer Architecture 計算機體系結(jié)構(gòu)中并行性的發(fā)展 控制并行，并行性等級從低到高可分為： 指令內(nèi)部并行 指令級并行 線程級并行 任務級或過程級并行 作業(yè)或程序級并行 Computer Architecture 計算機體系結(jié)構(gòu)中并行性的發(fā)展 指令內(nèi)部并行： 單條指令中各微操作之間的并行。 指令級并行： 并行執(zhí)行兩條或兩條以上的指令。 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。 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。 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。 Computer Architecture 提高并行性的技術(shù)途徑 1. 三種途徑 (1) 時間重 疊 多個處理過程在時間上相互錯開，輪流重迭地使用同一套硬件設備的各個部分，以加快硬件周轉(zhuǎn)而贏得速度。 (2) 資源重復 根據(jù)“以數(shù)量取勝”的原則，通過重復地設置資源，尤其是硬件資源，以大幅度提高計算機系統(tǒng)的性能。 計算機體系結(jié)構(gòu)中并行性的發(fā)展 Computer Architecture (3) 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。 目的： 一般為提高資源利用率而非性能。 計算機體系結(jié)構(gòu)中并行性的發(fā)展 Computer Architecture 2. 單機系統(tǒng)中并行性的發(fā)展 1) 時間重 疊 ： 在發(fā)展高性能單處理機過程中起著主導作用 ,其實現(xiàn)基礎為部件功能專用化。 ? 把一件工作按功能分割為若干相互聯(lián)系的部分； ? 把每一部分指定給專門的部件完成； ? 然后按時間重疊原則把各部分執(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。 計算機體系結(jié)構(gòu)中并行性的發(fā)展 IF ID EX M WB IF ID EX M WB IF ID EX M WB IF ID EX M WB IF ID EX M WB IF ID EX M WB IF ID EX M WB 指令 i 指令 i+ 1 指令 i+ 2 指令 i 指令 i+ 1 指令 i+ 2 指令 i+ 3 時間 串行執(zhí)行 流水執(zhí)行 例如 對于解釋指令的五個過程，就分別需要五個專用的部件，即取指令部件 (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(jié)果部件 (WB)。 Computer Architecture 計算機體系結(jié)構(gòu)中并行性的發(fā)展 2) 資源重復： 在單處理機中運用也已經(jīng)十分普遍。 – 多體存儲器 – 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 。 ? 只要指令所需的操作部件空閑，就可以開始執(zhí)行這條指令（如果操作數(shù)已準備好的話）。 ? 實現(xiàn)了 指令級并行 。 Computer Architecture 計算機體系結(jié)構(gòu)中并行性的發(fā)展 – 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 。 Computer Architecture 3)資源共享： 分時系統(tǒng) ? 在單處理機上模擬多個 獨立系統(tǒng)的功能 ， 形成所謂虛擬機的概 念 。 計算機體系結(jié)構(gòu)中并行性的發(fā)展 Computer Architecture 計算機體系結(jié)構(gòu)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： 同構(gòu)型多處理機 異構(gòu)型多處理機 分布式系統(tǒng) 多機系統(tǒng)中并行性的發(fā)展 Computer Architecture 計算機體系結(jié)構(gòu)中并行性的發(fā)展 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。 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(guān)互連，可以共享主存。 表現(xiàn)形式： 高可靠系統(tǒng) 高性能系統(tǒng) Computer Architecture 計算機體系結(jié)構(gòu)中并行性的發(fā)展 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（磁盤、磁帶等）。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)形式： 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（功能專用化），機器處理的結(jié)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。 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。 Computer Architecture 三種途徑 (1) 時間重疊 專用外圍處理機（松散耦合系統(tǒng) ） 高級語言編譯處理機、數(shù)據(jù)庫處理機 異構(gòu)型多處理機系統(tǒng) (2) 資源重復 容錯多處理機 ( 緊密耦合系統(tǒng) ) 同構(gòu)型多處理機系統(tǒng) 計算機體系結(jié)構(gòu)中并行性的發(fā)展 Computer Architecture (3) 資源共享 局部計算機網(wǎng) （ 松散耦合系統(tǒng) ） 分布處理系統(tǒng) 計算機體系結(jié)構(gòu)中并行性的發(fā)展 把若干個具有獨立功能的處理機（或計算機）相互連接起來，在操作系統(tǒng)全盤控制下，統(tǒng)一協(xié)調(diào)地工作，而最少依賴集中的程序、數(shù)據(jù)或硬件。 同構(gòu)型多處理機 項目 異構(gòu)型多處理機 分布處理系統(tǒng) 提高系統(tǒng)性能 (可靠性、速度 ) 目的 提高系統(tǒng)使用效率 兼顧效率與性能 資源重復 技術(shù) 途徑 時間重迭 (功能專用化 ) 資源共享 (網(wǎng)絡化 ) 同類型 (同等功能 ) 組成 不同類型 (不同功能 ) 不限制 任務分布 分工方式 功能分布 硬件、軟件、數(shù)據(jù) 等各種資源分布 一個作業(yè)由多機 協(xié)同并行地完成 工作方式 一個作業(yè)由多機 協(xié)同串行地完成 一個作業(yè)由一臺處理機完成，必要時才請求它機協(xié)作 常采用浮動控制方式 控制形式 采用專用控制方式 分布控制方式 緊密耦合 耦合度 緊密、松散耦合 松散、緊密耦合 快速性、靈活性、可重構(gòu)性 對互連網(wǎng)絡的要求 專用性 快速、靈活、簡單、通用 三種類型多處理機比較