計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)(金星)第七章 多處理機(jī)

計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)(金星)第七章多處理機(jī)CONTENTS多處理機(jī)概述多處理機(jī)硬件結(jié)構(gòu)多處理機(jī)操作系統(tǒng)支持并行編程模型與方法多處理機(jī)概述01多處理機(jī)（Multiprocessor）是指在一臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，包含兩個(gè)或多個(gè)獨(dú)立的處理器，這些處理器共享主存和其他資源，能夠并行執(zhí)行多個(gè)程序或任務(wù)。定義多處理機(jī)技術(shù)起源于20世紀(jì)60年代，隨著集成電路和微處理器技術(shù)的發(fā)展，多處理機(jī)逐漸從大型機(jī)向小型機(jī)和微型機(jī)領(lǐng)域擴(kuò)展。目前，多核處理器已成為主流，多處理機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用于服務(wù)器、工作站、個(gè)人電腦等領(lǐng)域。發(fā)展歷程定義與發(fā)展歷程分類：根據(jù)處理器之間的耦合程度和通信方式，多處理機(jī)可分為緊耦合多處理機(jī)和松耦合多處理機(jī)。緊耦合多處理機(jī)中，處理器之間通過高速緩存一致性協(xié)議等機(jī)制實(shí)現(xiàn)緊密合作；松耦合多處理機(jī)中，處理器之間通過消息傳遞等方式進(jìn)行通信和協(xié)作。多處理機(jī)分類及特點(diǎn)多處理機(jī)具有以下特點(diǎn)多個(gè)處理器可同時(shí)執(zhí)行不同的任務(wù)，提高系統(tǒng)吞吐量。通過增加處理器數(shù)量，可線性提升系統(tǒng)性能。特點(diǎn)并行性可擴(kuò)展性多處理機(jī)分類及特點(diǎn)多個(gè)處理器可共享主存、I/O設(shè)備等資源，降低成本。資源共享通過冗余設(shè)計(jì)，可提高系統(tǒng)可靠性。高可靠性多處理機(jī)分類及特點(diǎn)多處理機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用于以下領(lǐng)域提供高性能計(jì)算和I/O處理能力，滿足大規(guī)模并發(fā)請求。支持多任務(wù)處理和復(fù)雜計(jì)算，提高工作效率。應(yīng)用領(lǐng)域服務(wù)器工作站應(yīng)用領(lǐng)域與市場需求個(gè)人電腦通過多核處理器實(shí)現(xiàn)多任務(wù)并行處理，提升用戶體驗(yàn)。市場需求隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)多處理機(jī)的性能、功耗、可擴(kuò)展性等方面提出了更高的要求。未來，多處理機(jī)技術(shù)將繼續(xù)向更高性能、更低功耗、更靈活可擴(kuò)展的方向發(fā)展。應(yīng)用領(lǐng)域與市場需求多處理機(jī)硬件結(jié)構(gòu)02定義01緊耦合多處理機(jī)（TightlyCoupledMultiprocessor）是指多個(gè)處理器通過高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)緊密連接在一起，共享主存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備等資源，形成一個(gè)統(tǒng)一的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。特點(diǎn)02緊耦合多處理機(jī)具有高速、高效的數(shù)據(jù)傳輸和處理能力，處理器之間的通信延遲低，適合于需要高性能計(jì)算和實(shí)時(shí)性要求高的應(yīng)用。示例03對(duì)稱多處理機(jī)（SymmetricMultiprocessor，SMP）是一種典型的緊耦合多處理機(jī)結(jié)構(gòu)，其中多個(gè)處理器地位平等，共享系統(tǒng)資源，并通過高速緩存一致性協(xié)議維護(hù)數(shù)據(jù)一致性。緊耦合多處理機(jī)定義松耦合多處理機(jī)（LooselyCoupledMultiprocessor）是指多個(gè)處理器通過相對(duì)較慢的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連接在一起，每個(gè)處理器都有自己的局部存儲(chǔ)器，處理器之間通過消息傳遞等方式進(jìn)行通信和協(xié)作。特點(diǎn)松耦合多處理機(jī)具有較好的可擴(kuò)展性和靈活性，可以方便地增加或減少處理器數(shù)量，適合于需要分布式處理和并行計(jì)算的應(yīng)用。示例集群系統(tǒng)（Cluster）是一種典型的松耦合多處理機(jī)結(jié)構(gòu)，其中多個(gè)計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)連接在一起，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有自己的處理器和存儲(chǔ)器，節(jié)點(diǎn)之間通過消息傳遞等方式進(jìn)行通信和協(xié)作。松耦合多處理機(jī)定義陣列式多處理機(jī)（ArrayProcessor）是指將多個(gè)處理器按照一定規(guī)則排列成陣列形式，通過特定的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，形成一個(gè)并行處理系統(tǒng)。特點(diǎn)陣列式多處理機(jī)具有高度的并行性和規(guī)則性，適合于進(jìn)行大規(guī)模數(shù)值計(jì)算和圖像處理等具有數(shù)據(jù)并行性的應(yīng)用。示例圖形處理器（GraphicsProcessingUnit，GPU）是一種典型的陣列式多處理機(jī)結(jié)構(gòu)，其中包含了大量的處理單元，這些處理單元可以同時(shí)進(jìn)行并行計(jì)算，以加速圖形渲染等任務(wù)的處理速度。陣列式多處理機(jī)多處理機(jī)操作系統(tǒng)支持03進(jìn)程調(diào)度策略靜態(tài)分配策略將進(jìn)程固定地分配到一個(gè)處理器上執(zhí)行，不考慮處理器的負(fù)載情況。這種策略簡單，但可能導(dǎo)致處理器負(fù)載不均衡。動(dòng)態(tài)分配策略根據(jù)處理器的負(fù)載情況動(dòng)態(tài)地分配進(jìn)程。常見的動(dòng)態(tài)分配策略包括最短進(jìn)程優(yōu)先、最短剩余時(shí)間優(yōu)先等。這些策略能夠平衡處理器負(fù)載，但需要較多的開銷來實(shí)現(xiàn)。分布式內(nèi)存管理每個(gè)處理器都有自己的內(nèi)存空間，處理器之間通過消息傳遞進(jìn)行通信。這種方案適合于處理器之間通信較少的場景，但可能導(dǎo)致內(nèi)存資源浪費(fèi)和訪問延遲。共享內(nèi)存管理所有處理器共享同一塊內(nèi)存空間，通過互斥訪問機(jī)制來避免數(shù)據(jù)沖突。這種方案適合于處理器之間通信較多的場景，但需要解決并發(fā)訪問時(shí)的數(shù)據(jù)一致性問題。內(nèi)存管理方案并發(fā)控制機(jī)制通過信號(hào)量來控制對(duì)共享資源的訪問，保證多個(gè)進(jìn)程之間的同步和互斥。信號(hào)量機(jī)制簡單有效，但需要謹(jǐn)慎地設(shè)計(jì)信號(hào)量的初始值和操作順序，以避免死鎖和饑餓等問題。信號(hào)量機(jī)制將共享資源和對(duì)其的操作封裝在一個(gè)管程（monitor）中，通過條件變量來實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的同步和互斥。管程機(jī)制提供了更高級(jí)別的抽象和更方便的編程接口，但實(shí)現(xiàn)起來相對(duì)復(fù)雜。管程機(jī)制并行編程模型與方法04同步與互斥為確保數(shù)據(jù)一致性和避免競態(tài)條件，需采用同步機(jī)制（如信號(hào)量、鎖等）實(shí)現(xiàn)處理器間的互斥訪問。編程復(fù)雜度共享內(nèi)存編程模型相對(duì)簡單直觀，但處理同步與互斥問題可能增加編程復(fù)雜度。數(shù)據(jù)共享多個(gè)處理器可以訪問同一物理內(nèi)存空間，通過讀寫共享變量實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和協(xié)同工作。共享內(nèi)存編程模型處理器間通過發(fā)送和接收消息進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和協(xié)同工作，消息可包含數(shù)據(jù)和控制信息。消息傳遞消息傳遞可采用顯式或隱式通信方式，顯式通信需程序員明確指定消息發(fā)送和