计算机体系结构（金星）第1章体系结构的基本概念第二部分PPT质量文档30页

1.5系统结构中的并行性及其发展1.并行性的概念1并行性的定义并行性的发展是提高系统结构性能的主要手段之一. 操作或操作的特征称为并行性. 并行性的分类: 同时性: 两个或更多事件同时发生；并发: 在同一时间间隔内发生两个或更多事件. 2并行性级别可以根据不同的角度和标准分为不同的级别. （1）从执行程序的角度来看，指令的内部并行性: 指令内微操作之间的并行性. 指令级并行度: 两个或更多指令并行执行. 任务级或进程级并行性: 两个或多个进程或任务（程序块）并行执行. 作业或程序级别的并行性: 多个作业或程序之间的并行性. （2）从数据处理的角度来看，字串和位串行（WSBS）一次只能处理一个字，这是第一代计算机早期发展的纯串行计算机. WSBP（字串行和位并行）一次处理n个字，例如STARAN，MPP，DAP和其他传统的位并行单处理器都属于这种结构. 字并行和位串行（WPBS）一次可处理一位m个字，这是传统的并行单处理器.

. . . . . . . . . . . . . . . . . WPBP（字并行和位并行）全并行模式一次处理m个字的n位. 大多数阵列处理器和多处理器都具有这种结构，例如PEPE，ILLIA，Cmmp. . . . . . . 主要缺点是仅考虑数据的并行性，而不考虑指令，任务和作业的并行性. . . . . . . （3）从信息处理各个阶段的并行性的角度来看，可以分为存储操作并行性；处理器操作步骤并行性；处理器操作并行性；指令并行处理系统结构并行处理系统结构，任务和工作并行性. 3种并行开发方法（1）时间重叠: 时间和输入错开多个处理程序，使用同一组硬件的一部分交替重叠3t功能部件和组件输出. 输入tȡȡt t子分析t执行行输出执行kk + 1k + 2处理kk + 1t 2t 3t 4t 5t 6tt分析指令kk + 1k + 2 kk + 1k + 2t 2t 3t 4t 5tt并行开发（2）资源重复: 反复设置硬件资源以提高可靠性和性能. PE0CU PE1（3）资源共享: 使用软件允许多个用户根据一定的时间顺序轮流使用同一组资源，从而提高了资源利用率. 用户1用户2资源... PEn用户1 2.并行处理系统的结构1并行处理系统的分类管线计算机使用时间重叠来允许多个组件及时进行交错和重叠，以并行执行操作和处理.

大量的阵列逻辑算术单元安装在阵列处理器中，并且它们在同一控制单元的作用下同时进行操作和处理. 多处理器系统共享一组处理器，这些处理器共享输入/输出子系统，资源或主内存，并在操作系统的统一控制下实现异步并行性. 数据流计算机由数据驱动器执行. 2多计算机系统之间的耦合程度计算机之间的紧密程度. 最小耦合: 除通过某种中间存储介质设备. 这些计算机专用于功能或资源共享. 紧密耦合系统: 机器之间物理连接的频带很高. 互连是通过总线或高速开关实现的，它们可以共享主存储器并具有较高的数据传输速率. 3 Flynn分类l1966 M. J. Flynn提出lFlynn分类: 根据指令流和数据流的多样性来对计算机系统结构进行分类，l基本思想: 计算机工作过程是指令流和数据流的执行处理. Flynn分类法单指令流单数据流SISD;单指令流，多数据流SIMD；多指令流单数据流MISD；多指令流多数据流MIMD； Flynn分类-SISD SISD: 单指令流单数据流ISCSDSCUPUMMl典型的SISD机器: 传统的顺序计算机lSISD机器结构: CU: 控制单元IS: 指令流PU: 处理单元DS: 数据流MU: 存储单元典型的SISD: 冯·诺伊曼结构典型结构: 冯·诺伊曼结构---传统顺序计算机主存储输入设备操作员控制器输出设备弗林分类-SIMDSIMD: 单指令流多数据流DS1PE1MM1DS2CSPE2MM2CU ............ DSnPEnMMmISl超级计算机，单控制器，多处理单元和多对数据处理，重复计算提高了可靠性PE: 处理单元MM: 本地存储（分布式存储）Flynn分类-MISD多指令流单数据流DSCU1CS1PE1CS2CU2PE2 ............ CSnCUnPEnISn IS2 IS1 ............ MM1 MM2MMm多个处理器，处理同一数据流以进行图像处理Flynn分类阳离子-MIMDCS1DS1CU1PE1MM1CS2DS2CU2PE2MM2 ...... CSnDSnCUnPEnMMmISn IS2 IS1 ......说明: IS —命令流DS —数据流CS —控制流CU —控制组件PE —缺点处理部分MM内存模块Flynn的分类（1）分类过粗例如: SIMD包含多个处理器；流水线处理器的划分不清楚，标量流水线是SISD，矢量流水线是SIMD（2）基本问题是并排处理两个不同级别的功能. 通常，数据流由指令流控制，这使得MISD不存在.

（3）非F计算机的分类？其他新电脑的分类？ （2）David J. Kuck分类法1978年，美国David J. Kuck提出了一种类似于Flynn的方法: 使用指令流，执行流和多重性来描述指令流总控制控制设备的执行流四种结构: 单指令流单执行流SISE: 典型的单处理器单指令流多执行流SIME: 具有多个操作部件的处理器多指令流单执行流MISE: 具有指令级多个程序的单处理器多指令流多执行流MIME: 多处理David J. Kuck分类法的主要缺点一些系统（例如分布式处理器）没有通用控制器；这些系统没有通用控制器. 分类级别太低，没有处理器级别和机器级别； SIME中包含的分类太粗糙了. 已经引入了各种类型的处理器. Feng的分类（由美国华裔教授Feng Zeyun于1972年提出）最大并行度是指计算机每单位时间可以处理的最大二进制位数. n: 一个单词中同时处理的二进制位数； m: 可以在一个位片或功能部分中同时处理的字数. ？ （1）字符串位字符串，WSBS n = 1，m = 1？ （2）字并行位串，WPBS n> 1，m = 1？ （3）字串位平行，WSBP n = 1，m> 1？ （4）字并行和并行，WPBP n> 1，m> 1根据并行度分类方法3-冯泽云分类方法（2）（1）字串位串WSBS（字串和位串）只能一个一句话，就是第一代计算机早期的纯串行计算机.

（2）WSBP（字串行和位并行）一次处理一个字的n位，例如STARAN，MPP，DAP和其他传统的位并行单处理器都属于这种结构. 根据并行度分类方法3-Feng Zeyun分类方法（3）字并行位串WPBS（字并行和位串行）一次处理一个m个字的位，这是传统的并行单处理器. . . . . . . . . . . . 根据并行性分类方法3-Feng Zeyun的分类方法（4）字并行和位并行（WPBP（字并行和位并行）全并行模式，一次处理n位m个字，大多数数组处理器和多处理器是: 例如PEPE，ILLIA，Cmmp ...等结构的主要缺点是仅考虑数据的并行性，而不考虑指令，任务和作业的并行性. 根据并行性和流水线分类，根据……的并行度分类方法4-Handler分类法1977年的Handle，将计算机的硬件结构分为三个级别，并考虑了它们的并行性和流水线处理程度？程序级别k: 程序控制单元（PCU）的数量k；？操作级别d: 算术逻辑器件（ALU）或处理单元（PE）的数量d；？逻辑级别w: 每个算术逻辑单元单元包含基本逻辑电路（ELC）的数量w；计算机系统的结构可以表示如下: 例如: t（系统模型）=（k，d，w）t（PDP11）=（1、1、16）t（ILLIA）=（1,64， 64）t（STARAN）=（1,8194,1）t（Cmmp）=（16,1,16）您设计: 哪种结构更好？假设: 条件分支函数-两种设计方法1. CPU A: 比较指令+分支指令2. CPU B: 更复杂的分支指令相同: 分支指令CPI为2，其他指令CPI为1，并且对于CPU A，分支指令的频率为20％.

计算两者的平均CPI. 如果CPU B的时钟周期是前者的1.25倍，哪种设计更具成本效益？如果您是Amdal计算机系统，则可以改进三个组件. 这三个组件的加速度如下: 组件加速比S1 = 30，S2 = 20，S3 = 10（1）如果组件1和组件2可以改进，则该比率为30％，那么组件的改进率是多少？ 3，系统的加速比可以达到10？ （2）如果可以将这三个部分分别提高30％，30％和20％，并且可以同时改进这三个部分，那么系统不可改进部分的执行时间占总执行量的比例是多少？时间？谢谢！

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