并行處理與體系結(jié)構(gòu)課件

并行處理與體系結(jié)構(gòu)聯(lián)系方式：綜合樓605房間電話：并行處理與體系結(jié)構(gòu)聯(lián)系方式：綜合樓605房間課程背景并行處理技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代計算機科研與發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)；其推動力來自實際應(yīng)用對高性能、低價格和持續(xù)生產(chǎn)力日益增長的要求課程背景并行處理技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代計算機科研與發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)；計算機原理的概念計算機體系結(jié)構(gòu)的概念(Amdahl)；計算機原理的概念并行主要研究：先行方式、流水方式、向量化；并發(fā)性、同時性；數(shù)據(jù)并行性、劃分；交叉、重疊、多重性、重復；時間共享、空間共享；多任務(wù)處理、多道程序、多線程方式和分布式計算?！⑿兄饕芯浚旱谝徽虏⑿杏嬎銠C模型1計算技術(shù)的現(xiàn)狀2多處理機和多計算機3多向量機和SIMD計算機4并行計算機的抽象模型5可擴展的范圍和設(shè)計第一章并行計算機模型1計算技術(shù)的現(xiàn)狀1計算技術(shù)的現(xiàn)狀一、并行技術(shù)的出現(xiàn)1計算技術(shù)的現(xiàn)狀一、并行技術(shù)的出現(xiàn)并行處理與體系結(jié)構(gòu)課件第六代：超標量，超流水線，超長指令字？第七代：CMP（chipmultiprocessor），KunleOlukotun博士，斯坦福大學計算機系教授，第一片CMP的設(shè)計者，推動了片上多處理器的研究熱潮。第六代：超標量，超流水線，超長指令字？二、現(xiàn)代并行計算機的組成二、現(xiàn)代并行計算機的組成涉及6個問題：1.計算問題

現(xiàn)實生活中對問題要求快速而精確地求解推動了計算機的廣泛使用?？茖W技術(shù)中的數(shù)值計算問題人工智能(AI)問題事務(wù)處理涉及6個問題：2.算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并行計算問題中的運算和通信，需要各種專門的算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。符號處理科學計算存在的問題?2.算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)3.硬件資源處理機、存儲器和外圍設(shè)備組成了計算機系統(tǒng)的硬件核心外圍設(shè)備可以直接或通過局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)與主機相連3.硬件資源4.操作系統(tǒng)管理用戶程序執(zhí)行過程中的資源分配和再分配。映射是一種算法結(jié)構(gòu)與硬件結(jié)構(gòu)相匹配的雙向過程。并行操作系統(tǒng)的映射算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)到機器結(jié)構(gòu)的映射包括處理機調(diào)度、存儲器映象、處理器間的通信等。這些問題通常都與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有關(guān)。4.操作系統(tǒng)5.系統(tǒng)軟件支持

存在的問題：不能以通用和可移植方式進行并行程序設(shè)計開發(fā)并行編程環(huán)境：一種與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無關(guān)的語言、編譯器和軟件工具。5.系統(tǒng)軟件支持兩個方向：對于開發(fā)并行語言，將著眼點放在語言執(zhí)行的效率、對不同機器的可移植性、與現(xiàn)有的順序語言的兼容性、并行性的表達和編程的簡便性等上面。可以設(shè)計一種新的語言，逐步擴展現(xiàn)有的順序語言。新語言有用顯式高級結(jié)構(gòu)描述并行性的優(yōu)點，但是新語言往往與現(xiàn)有語言不兼容，而需要新的編譯器或者通過新的步驟才能利用現(xiàn)有的編譯器。大部分系統(tǒng)選用的是語言擴展方式。兩個方向：6.編譯器支持

改進編譯器有三種途徑：預(yù)處理程序;預(yù)編譯器;并行化編譯器。6.編譯器支持預(yù)處理程序采用順序編譯器和目標計算機的低層程序庫實現(xiàn)高級并行結(jié)構(gòu)。預(yù)編譯器需要程序流分析、相關(guān)性檢查和有限的優(yōu)化來檢測并行性。聯(lián)接過程效果取決于預(yù)處理程序、預(yù)編譯器、并行化編譯器、加載程序和操作系統(tǒng)支持的功效。由于程序行為的不可預(yù)測，現(xiàn)有的編譯器在檢測所有類型的并行性時都不是完全自動或完全智能進行的。存在一些有效的方法：將編譯器命令插入源代碼，幫編譯器做出較好的結(jié)果。這樣，用戶可與編譯器進行交互重構(gòu)程序，這已被證明對提高并行計算機性能是十分有用的。預(yù)處理程序采用順序編譯器和目標計算機的低層程序庫實現(xiàn)高級并行7.并行程序的設(shè)計環(huán)境

隱式并行性伊利諾依大學的DavidKuck和Rice大學的KenKennedy以及他們的合作者都已采用這種隱式并行性方法。顯式并行性加州理工學院的CharlesSeitz和麻省理工學院的WilliamDaily在開發(fā)多計算機時采用了這種顯式方法。7.并行程序的設(shè)計環(huán)境并行處理與體系結(jié)構(gòu)課件總結(jié)：要使一個環(huán)境對用戶更加友好，必須要有專用軟件工具。一些工具是傳統(tǒng)高級語言的并行擴展；一些則是集成環(huán)境其中包括提供不同級別的程序抽象、驗證、測試、查錯和調(diào)試等各種工具；性能預(yù)測和監(jiān)控；輔助程序開發(fā)的可視化支持、性能測量以及計算結(jié)果的圖形顯示及動畫表示總結(jié)：三、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)向高性能發(fā)展歷程主要探討順序到并行的過程三、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)向高性能發(fā)展歷程主要探討順序到并行的過程并行處理與體系結(jié)構(gòu)課件1.先行、并行性和流水線技術(shù)用先行技術(shù)預(yù)取指令可使I／E(指令讀取／譯碼和執(zhí)行)支持功能并行性的方法有兩種：一種是同時使用多個功能部件；另一種是在不同處理級分別實施流水線技術(shù)。流水線指令執(zhí)行、流水線算術(shù)計算和存儲器存取操作。1.先行、并行性和流水線技術(shù)2.Flynn分類法MkhealFlynn(1972)根據(jù)指令和數(shù)據(jù)流概念提出了不同計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類法。2.Flynn分類法并行處理與體系結(jié)構(gòu)課件傳統(tǒng)的順序機被稱為SISD(單指令流單數(shù)據(jù)流)計算機。向量計算機--標量和向量硬件裝備，或以SIMD(單指令流多數(shù)據(jù)流)機的形式出現(xiàn)。并行計算機則屬MIMD(多指令流多數(shù)據(jù)流)機傳統(tǒng)的順序機被稱為SISD(單指令流單數(shù)據(jù)流)計算機。MISD(多指令流單數(shù)據(jù)流)機在執(zhí)行不同的指令流時，同一數(shù)據(jù)流通過處理機線性陣列。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也就是所謂流水線執(zhí)行特定算法的脈動陣列(Systolicarrays)。由卡內(nèi)基—梅隆大學的美籍華人學者H．T．Kung于1978年提出的。這一結(jié)構(gòu)是隨著VLSI技術(shù)的發(fā)展和各種大運算量的信號/圖象處理及科學計算的運算要求而建立起來的。MISD(多指令流單數(shù)據(jù)流)機脈動陣列的特點：處理單元簡單流水算法專業(yè)脈動陣列的特點：例：數(shù)據(jù)流計算機數(shù)據(jù)流的計算模型--試圖使并行計算的基本方面在機器層顯式化，而不利用有可能限制程序并行性的人為約束。它的想法是程序由一個基本數(shù)據(jù)依賴圖來表示；一個指令可能在獲得了它的操作數(shù)后的任意時刻被執(zhí)行，不是顯式控制線性程序列的固定組合。例：數(shù)據(jù)流計算機并行處理與體系結(jié)構(gòu)課件3.并行／向量計算機

真正的并行計算機是那些以MIMD模式執(zhí)行程序的計算機。并行計算機有兩大類，即共享存儲型多處理機和消息傳遞型多計算機。多處理機和多計算機之間的主要差別就在于存儲器共享和處理機間通信機制的不同。多處理機系統(tǒng)中的處理機通過公用存儲器的共享變量實現(xiàn)互相通信。多計算機系統(tǒng)的每個計算機結(jié)點有一個與其它結(jié)點不共享的本地存儲器。處理機之間的通信通過結(jié)點間的消息傳遞來實現(xiàn)。3.并行／向量計算機顯式向量計算機指令是隨向量處理機的問世而出現(xiàn)的。一臺向量處理機可以裝備有用硬件或固件并發(fā)控制的多條向量流水線。顯式向量計算機4.開發(fā)層次

LionelNi的最新分類法(1990)，并行計算機的分層開發(fā)可表示于下圖4.開發(fā)層次并行處理與體系結(jié)構(gòu)課件四、性能的系統(tǒng)屬性1

.時鐘頻率和CPI

主頻當前數(shù)字計算機的CPU(或簡稱處理機)是由一個恒定周期(τ，以ns表示)的時鐘驅(qū)動的。周期的倒數(shù)是時鐘頻率(ｆ＝1/

τ）（以MHz表示）。四、性能的系統(tǒng)屬性1.時鐘頻率和CPI程序的規(guī)模是由其指令數(shù)(Ic)，也就是程序串要執(zhí)行的機器指令數(shù)來決定的。執(zhí)行不同的機器指令所需要的時鐘周期數(shù)也是不一樣的。一條指令的周期數(shù)(CPl)就成為衡量執(zhí)行每條指令所需時間的重要參數(shù)。程序的規(guī)模2.性能因子執(zhí)行程序所需的CPU時間：設(shè)Ic為已知程序的指令條數(shù)。執(zhí)行程序所需的CPU時間(T，以秒/程序表示)可用三個主要因素的乘積來計算：

T＝Ic

×CPI×τ2.性能因子可將上式重寫成如下形式：

T＝Ic

×(p+m×k)×τ

一種指令類型的CPI可分為完成指令所需的處理機周期數(shù)和存儲器周期數(shù)兩部分。完整的指令執(zhí)行過程可能包含一至四次存儲器訪問(一次用于取指令，兩次用于取操作數(shù)，一次用于存儲結(jié)果)，這與指令的類型有關(guān)?？蓪⑸鲜街貙懗扇缦滦问剑菏街械募毣簆為指令譯碼和執(zhí)行所需的處理機周期數(shù);m為所需的存儲器訪問次數(shù);k為存儲周期與處理機周期之比;Ic為指令條數(shù)，為處理機周期。式中的細化：3.系統(tǒng)屬性計算機系統(tǒng)屬性可以由五元組表示：(Ic，p，m，k，τ),五個量可以稱為性能因子。與四種系統(tǒng)屬性有關(guān)：指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、編譯技術(shù)、CPU實現(xiàn)和控制技術(shù)、高速緩存與存儲器層次結(jié)構(gòu)。3.系統(tǒng)屬性并行處理與體系結(jié)構(gòu)課件推廣---并行系統(tǒng)的性能屬性機器規(guī)模n—處理機個數(shù)時鐘速率f工作負載W--程序中的計算操作數(shù)順序執(zhí)行時間T1并行執(zhí)行時間Tn速度Pn=W/Tn加速比Sn=T1/Tn效率En=Sn/n利用率Un=Pn/n(Ppeak)啟動時間t0漸進帶寬r∞推廣---并行系統(tǒng)的性能屬性4.Mips速率(其中C是總的周期數(shù))4.Mips速率(其中C是總的周期數(shù))5.吞吐率系統(tǒng)的吞吐率:系統(tǒng)在單位時間內(nèi)能執(zhí)行多少個程序，這稱為系統(tǒng)的吞吐率(單位為程序數(shù)／秒)Ws

。5.吞吐率在多道程序系統(tǒng)中，系統(tǒng)吞吐率常低于CPU吞吐率Wp。Wp可用下式表示：

或：Wp=(MIPS)×106／Ic

Wp的單位是程序數(shù)／秒。在多道程序系統(tǒng)中，系統(tǒng)吞吐率常低于CPU吞吐率Wp。Wp可用CPU吞吐率是根據(jù)MIPS速率和程序的平均長度(Ic)來衡量機器每秒鐘能執(zhí)行多少個程序的尺度。Ws<Wp，用多道程序或分時操作在CPU上交叉執(zhí)行多個程序時，I／O、編譯器和操作系統(tǒng)產(chǎn)生的額外系統(tǒng)開銷所造成的。CPU吞吐率是根據(jù)MIPS速率和程序的平均長度(Ic)來衡量總結(jié)：并行的產(chǎn)生并行背景下的計算問題串行向并行的演化并行的性能與系統(tǒng)的關(guān)系總結(jié)：并行處理與體系結(jié)構(gòu)聯(lián)系方式：綜合樓605房間電話：并行處理與體系結(jié)構(gòu)聯(lián)系方式：綜合樓605房間課程背景并行處理技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代計算機科研與發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)；其推動力來自實際應(yīng)用對高性能、低價格和持續(xù)生產(chǎn)力日益增長的要求課程背景并行處理技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代計算機科研與發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)；計算機原理的概念計算機體系結(jié)構(gòu)的概念(Amdahl)；計算機原理的概念并行主要研究：先行方式、流水方式、向量化；并發(fā)性、同時性；數(shù)據(jù)并行性、劃分；交叉、重疊、多重性、重復；時間共享、空間共享；多任務(wù)處理、多道程序、多線程方式和分布式計算。…………并行主要研究：第一章并行計算機模型1計算技術(shù)的現(xiàn)狀2多處理機和多計算機3多向量機和SIMD計算機4并行計算機的抽象模型5可擴展的范圍和設(shè)計第一章并行計算機模型1計算技術(shù)的現(xiàn)狀1計算技術(shù)的現(xiàn)狀一、并行技術(shù)的出現(xiàn)1計算技術(shù)的現(xiàn)狀一、并行技術(shù)的出現(xiàn)并行處理與體系結(jié)構(gòu)課件第六代：超標量，超流水線，超長指令字？第七代：CMP（chipmultiprocessor），KunleOlukotun博士，斯坦福大學計算機系教授，第一片CMP的設(shè)計者，推動了片上多處理器的研究熱潮。第六代：超標量，超流水線，超長指令字？二、現(xiàn)代并行計算機的組成二、現(xiàn)代并行計算機的組成涉及6個問題：1.計算問題

現(xiàn)實生活中對問題要求快速而精確地求解推動了計算機的廣泛使用?？茖W技術(shù)中的數(shù)值計算問題人工智能(AI)問題事務(wù)處理涉及6個問題：2.算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并行計算問題中的運算和通信，需要各種專門的算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。符號處理科學計算存在的問題?2.算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)3.硬件資源處理機、存儲器和外圍設(shè)備組成了計算機系統(tǒng)的硬件核心外圍設(shè)備可以直接或通過局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)與主機相連3.硬件資源4.操作系統(tǒng)管理用戶程序執(zhí)行過程中的資源分配和再分配。映射是一種算法結(jié)構(gòu)與硬件結(jié)構(gòu)相匹配的雙向過程。并行操作系統(tǒng)的映射算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)到機器結(jié)構(gòu)的映射包括處理機調(diào)度、存儲器映象、處理器間的通信等。這些問題通常都與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有關(guān)。4.操作系統(tǒng)5.系統(tǒng)軟件支持

存在的問題：不能以通用和可移植方式進行并行程序設(shè)計開發(fā)并行編程環(huán)境：一種與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無關(guān)的語言、編譯器和軟件工具。5.系統(tǒng)軟件支持兩個方向：對于開發(fā)并行語言，將著眼點放在語言執(zhí)行的效率、對不同機器的可移植性、與現(xiàn)有的順序語言的兼容性、并行性的表達和編程的簡便性等上面?？梢栽O(shè)計一種新的語言，逐步擴展現(xiàn)有的順序語言。新語言有用顯式高級結(jié)構(gòu)描述并行性的優(yōu)點，但是新語言往往與現(xiàn)有語言不兼容，而需要新的編譯器或者通過新的步驟才能利用現(xiàn)有的編譯器。大部分系統(tǒng)選用的是語言擴展方式。兩個方向：6.編譯器支持

改進編譯器有三種途徑：預(yù)處理程序;預(yù)編譯器;并行化編譯器。6.編譯器支持預(yù)處理程序采用順序編譯器和目標計算機的低層程序庫實現(xiàn)高級并行結(jié)構(gòu)。預(yù)編譯器需要程序流分析、相關(guān)性檢查和有限的優(yōu)化來檢測并行性。聯(lián)接過程效果取決于預(yù)處理程序、預(yù)編譯器、并行化編譯器、加載程序和操作系統(tǒng)支持的功效。由于程序行為的不可預(yù)測，現(xiàn)有的編譯器在檢測所有類型的并行性時都不是完全自動或完全智能進行的。存在一些有效的方法：將編譯器命令插入源代碼，幫編譯器做出較好的結(jié)果。這樣，用戶可與編譯器進行交互重構(gòu)程序，這已被證明對提高并行計算機性能是十分有用的。預(yù)處理程序采用順序編譯器和目標計算機的低層程序庫實現(xiàn)高級并行7.并行程序的設(shè)計環(huán)境

隱式并行性伊利諾依大學的DavidKuck和Rice大學的KenKennedy以及他們的合作者都已采用這種隱式并行性方法。顯式并行性加州理工學院的CharlesSeitz和麻省理工學院的WilliamDaily在開發(fā)多計算機時采用了這種顯式方法。7.并行程序的設(shè)計環(huán)境并行處理與體系結(jié)構(gòu)課件總結(jié)：要使一個環(huán)境對用戶更加友好，必須要有專用軟件工具。一些工具是傳統(tǒng)高級語言的并行擴展；一些則是集成環(huán)境其中包括提供不同級別的程序抽象、驗證、測試、查錯和調(diào)試等各種工具；性能預(yù)測和監(jiān)控；輔助程序開發(fā)的可視化支持、性能測量以及計算結(jié)果的圖形顯示及動畫表示總結(jié)：三、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)向高性能發(fā)展歷程主要探討順序到并行的過程三、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)向高性能發(fā)展歷程主要探討順序到并行的過程并行處理與體系結(jié)構(gòu)課件1.先行、并行性和流水線技術(shù)用先行技術(shù)預(yù)取指令可使I／E(指令讀?。g碼和執(zhí)行)支持功能并行性的方法有兩種：一種是同時使用多個功能部件；另一種是在不同處理級分別實施流水線技術(shù)。流水線指令執(zhí)行、流水線算術(shù)計算和存儲器存取操作。1.先行、并行性和流水線技術(shù)2.Flynn分類法MkhealFlynn(1972)根據(jù)指令和數(shù)據(jù)流概念提出了不同計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類法。2.Flynn分類法并行處理與體系結(jié)構(gòu)課件傳統(tǒng)的順序機被稱為SISD(單指令流單數(shù)據(jù)流)計算機。向量計算機--標量和向量硬件裝備，或以SIMD(單指令流多數(shù)據(jù)流)機的形式出現(xiàn)。并行計算機則屬MIMD(多指令流多數(shù)據(jù)流)機傳統(tǒng)的順序機被稱為SISD(單指令流單數(shù)據(jù)流)計算機。MISD(多指令流單數(shù)據(jù)流)機在執(zhí)行不同的指令流時，同一數(shù)據(jù)流通過處理機線性陣列。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也就是所謂流水線執(zhí)行特定算法的脈動陣列(Systolicarrays)。由卡內(nèi)基—梅隆大學的美籍華人學者H．T．Kung于1978年提出的。這一結(jié)構(gòu)是隨著VLSI技術(shù)的發(fā)展和各種大運算量的信號/圖象處理及科學計算的運算要求而建立起來的。MISD(多指令流單數(shù)據(jù)流)機脈動陣列的特點：處理單元簡單流水算法專業(yè)脈動陣列的特點：例：數(shù)據(jù)流計算機數(shù)據(jù)流的計算模型--試圖使并行計算的基本方面在機器層顯式化，而不利用有可能限制程序并行性的人為約束。它的想法是程序由一個基本數(shù)據(jù)依賴圖來表示；一個指令可能在獲得了它的操作數(shù)后的任意時刻被執(zhí)行，不是顯式控制線性程序列的固定組合。例：數(shù)據(jù)流計算機并行處理與體系結(jié)構(gòu)課件3.并行／向量計算機

真正的并行計算機是那些以MIMD模式執(zhí)行程序的計算機。并行計算機有兩大類，即共享存儲型多處理機和消息傳遞型多計算機。多處理機和多計算機之間的主要差別就在于存儲器共享和處理機間通信機制的不同。多處理機系統(tǒng)中的處理機通過公用存儲器的共享變量實現(xiàn)互相通信。多計算機系統(tǒng)的每個計算機結(jié)點有一個與其它結(jié)點不共享的本地存儲器。處理機之間的通信通過結(jié)點間的消息傳遞來實現(xiàn)。3.并行／向量計算機顯式向量計算機指令是隨向量處理機的問世而出現(xiàn)的。一臺向量處理機可以裝備有用硬件或固件并發(fā)控制的多條向量流水線。顯式向量計算機4.開發(fā)層次

LionelNi的最新分類法(1990)，并行計算機的分層開發(fā)可表示于下圖4.開發(fā)層次并行處理與體系結(jié)構(gòu)課件四、性能的系統(tǒng)屬性1

.時鐘頻率和CPI

主頻當前數(shù)字計算機的CPU(或簡稱處理機)是由一個恒定周期(τ，以ns表示)的時鐘驅(qū)動的。周期的倒數(shù)是時鐘頻率(ｆ＝1/

τ）（以MHz表示）。四、性能的系統(tǒng)屬性1.時鐘頻率和CPI程序的規(guī)模是由其指令數(shù)(Ic)，也就是程序串要執(zhí)行的機器指令數(shù)來決定的。執(zhí)行不同的機器指令所需要的時鐘周期數(shù)也是不一樣的。一條指令的周期數(shù)(CPl)就成為衡量執(zhí)行每條指令所需時間的重要參數(shù)。程序的規(guī)模2.性能因子執(zhí)行程序所需的CPU時間：設(shè)Ic為已知程序的指令條數(shù)。執(zhí)行程序所需的CPU時間(T，以秒/程序表示)可用三個主要因素的乘積來計算：

T＝Ic

×CPI×τ2.性能因子可將上式重寫成如下形式：

T＝Ic

×(p+m×k)×τ

一種指令類型的CPI可分為完成指令所需的處理機周期數(shù)和存儲器周期數(shù)兩部分。完整的指令執(zhí)行過程可能包含一至四次存儲器訪問(一次用于取指令，兩次用于取操作數(shù)，一次用于存儲結(jié)果)，這與指令的類型有關(guān)?？蓪⑸鲜街貙懗扇缦滦问剑?/p>