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计算机体系结构课件第8章
8.1 引 言 1. 单处理机系统结构正在走向尽头? 2. 多处理机正起着越来越重要的作用。近两年来,我们已经开始进入多处理机将起主要作用的新时期。 期望:将来更加普及 问题: 如何发挥其潜在计算能力? (并行程序) 应用是否具有足够的并行性? 并行计算机应用软件已有了稳定的发展。 (尽管缓慢) 并行处理已经成为重要和主流的技术。 3.本章重点:中小规模的计算机(处理器的个数<128) (多处理机设计的主流) 8.1 引 言 Flynn分类法 SISD、SIMD、MISD、MIMD MIMD已成为通用多处理机系统结构的选择,原因: MIMD具有灵活性。 MIMD可以充分利用商品化微处理器在性能价格比方面的优势。 计算机机群系统(cluster)是一类广泛被采用的MIMD计算机。 8.1 引 言 根据系统中处理器个数的多少,可把现有的MIMD计算机分为两类: (每一类代表了一种存储器的结构和互连策略) 集中式共享存储器结构 动画 最多由几十个处理器构成。 通过大容量的Cache和总线互连使各处理器共享一个单独的物理存储器。 这类计算机有时被称为 SMP计算机 (Symmetric shared-memory MultiProcessor) UMA计算机(Uniform Memory Access) 8.1 引 言 8.1 引 言 分布式存储器结构 动画 每个结点包含: 处理器 存储器 I/O 互连网络接口 在许多情况下,分布式存储器结构优于集中式共享存储器结构。 8.1 引 言 8.1 引 言 分布式存储器结构的优点 如果大多数的访问是针对本结点的局部存储器,则可降低对存储器和互连网络的带宽要求。 对局部存储器的访问延迟低。 最主要的缺点 处理器之间的通信较为复杂,且各处理器之间访问延迟较大。 簇:超级结点 每个结点内包含个数较少(例如2~8)的处理器; 处理器之间可采用另一种互连技术(例如总线)相互连接形成簇。 8.1 引 言 地址空间的组织方案(两种) 共享地址空间 物理上分离的多个存储器作为一个逻辑上共享的存储空间进行编址。 任何一个处理器可以访问该共享空间中的任何一个单元(如果它具有访问权),而且不同处理器上的同一个物理地址指向的是同一个存储单元。 这类机器的结构被称为 分布式共享存储器结构 (DSM: Distributed Shared-Memory) NUMA机器 (NUMA: Non-Uniform Memory Access) 8.1 引 言 整个地址空间由多个独立的地址空间构成,它们在逻辑上也是独立的,远程的处理器不能对其直接寻址。 每一个处理器-存储器模块实际上是一台单独的计算机 现在的这种机器多以集群的形式存在 两种通信机制 共享地址空间的机器 利用load和store指令中的地址隐含地进行数据通信。 多个地址空间的机器 通过处理器间显式地传递消息来完成。 (消息传递多处理机) 8.1 引 言 消息传递计算机通过传递消息来请求某些服务或传输数据,从而完成通信。 例如:一个处理器要对远程存储器上的数据进行访问或操作: 发送消息,请求传递数据或对数据进行操作; 远程进程调用(RPC,Remote Process Call) 目的处理器接收到消息以后,执行相应的操作或代替远程处理器进行访问,并发送一个应答消息将结果返回。 同步消息传递 请求处理器发送一个请求后一直要等到应答结果才继续运行。 8.1 引 言 异步消息传递 发送方不经请求就直接把数据送往数据接收方。 通信机制的性能指标(3个) 通信带宽 理想状态下的通信带宽受限于处理器、存储器和互连网络的带宽。 通信延迟 理想状态下通信延迟应尽可能地小。 通信延迟=发送开销+跨越时间+传输延迟+接收开销 跨越时间:数字信号从发送方的线路端传送到接收方的线路端所经过的时间。 传输时间:全部的消息量除以线路带宽。 8.1 引 言 通信延迟的隐藏 如何才能较好地将通信和计算或多次通信之间重叠起来,以实现通信延迟的隐藏。 通常的原则:只要可能就隐藏延迟。 通信延迟隐藏是一种提高性能的有效途径,但它对操作系统和编程者来讲增加了额外的负担。 不同通信机制的优点 共享存储器通信的主要优点 与常用的对称式多处理机使用的通信机制兼容。 易于编程,同时在简化编译器设计方面也占有优势。 8.1 引 言 当通信数据量较小时,通信开销较低,带宽利用较好。 通过硬件控制的Cache减少了远程通信的频度,减少了通信延迟以及对共享数据的访问冲突。 消息传递通信机制的主要优
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