第1章计算机系统结构概论.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,1,章 计算机系统结构概论,1.1,计算机系统的多级层次结构,1.2,计算机系统结构、组成与实现,1.3,软硬件取舍、性能测评及定量设计原理,1.4,软件、应用、器件对系统结构的影响,1.5,系统结构中的并行性发展和计算机系统的分类,1.1,计算机系统的多级层次结构,1.,六个层次结构,现代通用的计算机系统是由紧密相关的用硬,件和软件组成的。从使用语言的角度，可以将系,统看成是按功能划分的多个机器级组成的以下六,个层次结构：,VM5,应用语言机器,M5,VM4,高级语言机器,M4,VM3,汇编语言机器,M3,VM2,操作系统机器,M2,RM1,传统机器,M1,RM0,微程序机器,M0,图,1.1,计算机系统的多级层次结构,机器：,并非是指真正的一台有鼠标、键盘、显,示器等的机器实体，而是指能够存贮和执行相应,语言程序的算法和数据结构的集合体，是同时存,在于计算机内的。,这样，对于会使用某一级高级语言编程的程序员来说，只要他熟悉和遵守该级语言的规定，所编写的程序总能在这一机器上运行，得到结果，而不用管这个机器级是如何实现的。就好像该程序员有了可以直接使用这种语言作为机器语言的机器一样。,实际上，只有二进制机器指令即传统所说的机器语言才与硬件直接对应，方可以被硬件直接识别和执行。,解释：,是在低一级机器级上用它的一串语句或指令来仿真高一级机器级上的一条语句或指令的功能，通过高一级机器语言程序中的每条语句或指令逐条解释来实现的技术。,翻译：,是先用转换程序将高一级机器级上的程序整个地变成低一级机器级上可运行的等效程序，然后再在低一级机器级上去实现的技术。,各机器级的实现主要靠翻译或解释，或两者的结合。,VM5,应用语言机器,M5,VM4,高级语言机器,M4,VM3,汇编语言机器,M3,VM2,操作系统机器,M2,RM1,传统机器,M1,RM0,微程序机器,M0,图,1.1,计算机系统的多级层次结构,应用语言虚拟机器,VM5,是为了满足管理、人工智能、图像处理、辅助设计等专门的应用来设计的。,使用面向某一种应用环境的的应用语,L5,编写的程序一般是经过应用程序包翻译成高级语言,L4,程序后，再逐级向下实现的。,高级语言机器级,M4,上的程序可以先用编译程序整个的翻译成汇编语言,L3,程序或机器语言,L1,程序，再逐级或越级向下实现，也可以用汇编语言,L3,程序、机器语言,L1,程序，甚至是微指令语言,L0,程序解释实现。,VM5,应用语言机器,M5,VM4,高级语言机器,M4,VM3,汇编语言机器,M3,VM2,操作系统机器,M2,RM1,传统机器,M1,RM0,微程序机器,M0,图,1.1,计算机系统的多级层次结构,对汇编语言,L3,源程序则先用汇编程序整个将其变换成等效的二进制机器语言,L1,目标程序，再在传统机器级,M1,上实现。,VM5,应用语言机器,M5,VM4,高级语言机器,M4,VM3,汇编语言机器,M3,VM2,操作系统机器,M2,RM1,传统机器,M1,RM0,微程序机器,M0,图,1.1,计算机系统的多级层次结构,操作系统程序虽然已发展成用高级语言编写，但最终还要用机器语言程序或微指令程序来解释。,VM5,应用语言机器,M5,VM4,高级语言机器,M4,VM3,汇编语言机器,M3,VM2,操作系统机器,M2,RM1,传统机器,M1,RM0,微程序机器,M0,图,1.1,计算机系统的多级层次结构,VM5,应用语言机器,M5,VM4,高级语言机器,M4,VM3,汇编语言机器,M3,VM2,操作系统机器,M2,RM1,传统机器,M1,RM0,微程序机器,M0,图,1.1,计算机系统的多级层次结构,操作系统提供了传统机器级,M1,所没有，但为汇编语言和高级语言使用和实现所用的基本操作、命令和数据结构。如文件管理、存贮管理、进程管理、多道程序共行、多重处理等。因此，操作系统机器级,M2,放在传统机器机,M1,和汇编语言机器级,M3,之间是适宜的。,VM5,应用语言机器,M5,VM4,高级语言机器,M4,VM3,汇编语言机器,M3,VM2,操作系统机器,M2,RM1,传统机器,M1,RM0,微程序机器,M0,图,1.1,计算机系统的多级层次结构,传统机器级,M1,采用组合逻辑电路控制，其指令可以直接用硬件来实现，也可以采用微程序控制，用微指令,L0,程序来解释实现。微指令直接控制硬件电路的动作。,VM5,应用语言机器,M5,VM4,高级语言机器,M4,VM3,汇编语言机器,M3,VM2,操作系统机器,M2,RM1,传统机器,M1,RM0,微程序机器,M0,目前，,M0,用硬件实现；,M1,用微程序（固件）实现；,M2,到,M5,大多用软件实现。,2,实现方式,称以软件为主实现机器为虚拟机器,VM,以,区别于用硬件实现的实际机器,RM,。,虚拟机器不一定全都由软件实现，有些操作可以用固件或硬件实现。,具体采用何种实现方式，要从整个计算机系统的效率、速度、造价、资源状况等方面全面考虑，对软件、硬件、固件取舍进行综合平衡。,固件：是一种具有软件功能的硬件，如将软件固化在只读存储器器件上就是一种固件。,2,实现方式,3.,分层的意义,推动了计算机系统结构的发展。,1.2,计算机系统结构、组成与实现,1.2.1,定义和内涵,1.,系统结构：,回到层次结构上，系统结构是对计算机系统中各级界面的划分、定义及其上下的功能分配。,每级都有自己的系统结构。,系统结构的设计就是研究针对某级，哪些应当透明，哪些不可以的。,透明性概念：,在计算机中，客观存在的事物或属性从某个角度看不到，称这些事物或属性对它是透明的。,透明就会简化某一级的设计，但同时由于看不到，就会无法控制，带来不利。所以，要正确的进行透明性分析和取舍。,VM5,应用语言机器,M5,VM4,高级语言机器,M4,VM3,汇编语言机器,M3,VM2,操作系统机器,M2,RM1,传统机器,M1,RM0,微程序机器,M0,2.,计算机系统结构：,计算机系统结构指的是层次结构中传统机器级的系统结构。,其界面之上的功能包括：,操作系统级，汇编语言级，高级语言级和应用语言级中所有软件的功能；,界面之下的功能包括：,所有硬件和固件的功能；,因此，这个界面实际是软件与硬件或固件的分界面。,计算机系统结构研究：软、硬件功能的划分和传统机器级界面的确定，为机器语言、汇编语言程序设计者或编译程序生成系统提供保证程序运行的计算机属性。,计算机系统结构属性包括：,数据表示,寻址方式,寄存器组织,指令系统,存贮系统,中断机构,及,I/O,结构,信息保护方式和保护机构,3.,计算机组成：,计算机组成指的是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器级内的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。,着眼于机器级内各事件的排序方式与控制机构、各部件的功能及各部件间的联系。,研究在所期望达到的性价比下，怎样最佳、最合理的把各种设备和部件组织成计算机，以实现所确定的系统结构。,计算机组成要确定的方面包括：,数据通路宽度,专用部件的设置,各种操作对部件的共享程度,功能部件的并行度,控制机构的组织方式,缓冲和排队技术,预估、预判技术,可靠性技术,4.,计算机实现：,计算机实现指的是计算机组成的物理实现。,研究：实际器件技术和微组装技术。,包括：,处理机、主存等的物理结构,器件的集成度和速度,器件、模块、插件、底板的划分与连接,专用器件的设计,微组装技术,举例,1,：,指令系统的确定,计算机系统结构,指令的实现,计算机组成,具体电路、器件设计及装配技术,计算机实现,举例,2,：,是否设乘法指令,计算机系统结构,用高速乘法器还是加法移位器实现,计算机组成,器件的类型、数量及组装技术的确定,计算机实现,举例,3,：,主存容量与编址方式的确定,计算机系统结构,主存速度的确定、逻辑结构的模式,计算机组成,器件的选定、电路的设计、组装技术,计算机实现,举例,4,：,设计什么样的系列机属于系统结构、系列内的不同型号计算机的组织属于组成,。,应用语言机器,M5,高级语言机器,M4,汇编语言机器,M3,操作系统机器,M2,传统机器,M1,微程序机器,M0,IBM370,不同型号机器,从,M4,、,M3,到,M1,：,概念性结构相同,性价比不同,组成技术不同,实现技术不同,具有不同的微程序机器级,高级语言编译软件和应用软件,可以通用于不同型号机器，,只是运行速度不同，,机器价格不同,IBM370,系列机,指令系统,IBM370,系列机的中央处理机都具有相同的机器指令和汇编指令系统；,只是指令的分析执行，在低档机上采用顺序处理方式，在高档机上采用重叠、流水或其他并行处理方式。,相同系统结构，不同组成,数据表示与数据通路宽度,程序设计者编程序时看到的数据形式（即数据表示）都是相同的,32,位字长，定点数都是半字长,16,位或全字长,32,位，浮点数都是单字长,32,位，双字长,64,位或四字长,128,位；,IBM370,系列机,数据通路宽度（数据总线线数）由于速度、价格的要求不同，在组成和实现时，可以分别采用,8,位、,16,位、,32,位或,64,位，这样一个,64,位的字，分别要传送,8,次、,4,次、,2,次、,1,次，速度不同，价格不同。,数据总线宽度对程序员是透明的。,相同系统结构，不同组成,IBM370,系列机,通道方式,IBM370,系列机的各档机器都采用通道方式进行,I/O,；,相同系统结构，不同组成,在计算机组成上：,低档机器,可以采用结合型通道，让通道的功能借用中央处理机的某些部件来完成。同一套硬件分时执行中央处理机和通道的功能。速度性能低，成本低。,高档机,上却采用独立型通道，让通道单独设置硬件，与中央处理机并行工作。成本虽高，速度性能高。,结论,:,机器,/,汇编指令系统、数据表式、是否采用通道方式输入,/,输出的确定属于系统结构研究的范畴；指令采用顺序、重叠、流水还是其它方式解释，数据通路宽度的确定，通道采用结合型还是独立型，均属于计算机组成研究的范畴。,1.,联系,：,1),具有相同系统结构,(,如指令系统相同,),的计机,可因速度等因素的要求不同而采用不同组成。,例如：对于乘法指令，可以使用专用的乘法,器来实现，也可以使用加法器重复相加、右移来实现。,1.2.2,结构、组成与实现的相互关系,三者互不相同又相互影响。,1.,联系,：,2),相同的计算机组成可以采用多种不同的实现方法。,例如：主存器件既可以选用双极型的，也可以选用,MOS,型的；可以使用单片大规模集成电路，也可以用多片小规模集成电路进行组搭。显然，这取决于所要求的性价比和当时的器件技术。,1.2.2,结构、组成与实现的相互关系,三者互不相同又相互影响。,2.,影响,：,1.2.2,结构、组成与实现的相互关系,三者互不相同又相互影响。,1),不同的系统结构会使组成技术产生差异。,比如,:,为实现,A:=B+C D:=E*F,采用面向寄存器的系统结构，程序可以是：,LOAD R1,BLOAD R2,E,ADD R1,CMPY R2,F,STORE R1,ASTORE R2,D,2.,影响,：,1.2.2,结构、组成与实现的相互关系,三者互不相同又相互影响。,1),不同的系统结构会使组成技术产生差异。,比如,:,为实现,A:=B+C D:=E*F,采用面向主存的具有三地址寻址方式的系统结构，程序可以是：,ADD B,C,A,MPY E,F,D,2.,影响,：,1.2.2,结构、组成与实现的相互关系,三者互不相同又相互影响。,2),计算机组成会影响系统结构，计算机组成技术的进步促进了系统结构的发展。,如：,微程序控制,控制器,存贮技术,引入,硬联控制逻辑连接,微指令代码,使得,转变为,存储于,将软件概念和技术引入计算机组成,软硬件界面之下，本应全硬件实现,实现计算机,组成的“软化”,改变控制存,贮器微程序,改变系统,机器指令,改变系,统结构,动态,切换,2.,影响,：,1.2.2,结构、组成与实现的相互关系,三者互不相同又相互影响。,3),计算机实现，特别是器件技术的进展构成了计算机系统结构和组成的基础，对系统结构有很大影响。,结论：系统结构设计的任务是进行软硬件功能分配，作为学科，实际上包括了系统结构和组成两个方面的内容。他研究的是软、硬加功能的分配以及如何更好、更合理的实现分配给硬件的功能。,1.3,软硬取舍、性能评测及定量设计原理,软件和硬件在逻辑功能上是等效的。,原理上，软件的功能可用硬件或固件完成，硬件的功能也可以用软件模拟完成，只是性能、价格、实现的难易程度不同。,例如：编译子程序,-,硬件固件；乘除法运算；向量数组运算；十进制运算等。,1.3.1,软件取舍的基本原则,具有相同功能的系统，其软硬件功能分配比例的变化范围也是很宽的。而且随不同时期及同一时期的不同机器也在动态改变。,软 件,硬 件,只有最必,需的硬件,程序,不可编,目前的计,算机系统,功能分,配比例,(%),计算机系统,的软、硬件,功能分配图,1.3,软硬取舍、性能评测及定量设计原理,1.3.1,软件取舍的基本原则,1),提高硬件功能的比例，可以提高解题速度，减少程序所需的存贮空间；但是，会提高硬件的成本，降低硬件的利用率和系统的灵活性与适应性。,软 件,硬 件,只有最必,需的硬件,程序,不可编,目前的计,算机系统,功能分,配比例,(%),计算机系统,的软、硬件,功能分配图,1.3,软硬取舍、性能评测及定量设计原理,1.3.1,软件取舍的基本原则,2),提高软件功能的比例，可以降低硬件的造价，提高系统的灵活性和适应性。但解题速度要下降，软件设计费用和所需的存贮空间要增加。,软 件,硬 件,只有最必,需的硬件,程序,不可编,目前的计,算机系统,功能分,配比例,(%),计算机系统,的软、硬件,功能分配图,1.3,软硬取舍、性能评测及定量设计原理,1.3.1,软件取舍的基本原则,1.3.1,软件取舍的基本原则,1.,原则一：,在现有的硬件和器件,(,主要是逻辑器件和存贮器件,),的条件下，系统要有高的性价比。,仅从实现费用分析。,硬件比例高,：解题速度快，程序所需存贮空间少，,硬件的成本高，硬件利用率低，系统灵活性适应性低,软件比例高,：硬件成本低，系统灵活性适应性高，,解题速度低，软件设计费用、所需存贮空间增加。,性能,：综合指标，包含很多方面，速度是主要方面。某个功能用软件还是用硬件实现好，主要可从实现费用、速度和其他性能要求来考虑。,1.3.1,软件取舍的基本原则,（原则一：高性价比）,性能：以实现费用为例分析：（,:,软件；,:,硬件）,软硬件实现费用：,研制,(,设计,),费用 （用表示）,重复生产费用 （用,M,表示）,h,100D,s,软件设计费用,=CD,s,软件重复生产费用,=RM,s,设：计算机系统共生产了,V,台,M,h,100M,s,硬件实现一个功能只需设计一次,软件每次用到该功能要重新设计,C,：软件实现该功能需重新设计次数,M,s,：每次复制和存贮费用,R,：该功能在存贮介质出现次数,M,h,：硬件每次重复生产费用,每台机器用硬件实现该功能费用：,D,h,/V+M,h,用软件实现费用：,CD,s,/V+RM,s,当,D,h,/V+M,h,CD,s,/V+RM,s,时，适宜硬件实现。,100,D,s,/V+,100,M,s,C,D,s,/V+,R,M,s,结论：,C,和,R,较大时，式子才成立，即只有某个功能是经常用到的基本单元功能，才适宜用硬件实现。,软件设计费用远比重复生产费用高，,D,s,10,4,M,s,10,6,M,s,/V+100M,s,C10,4,M,s,/V+RM,s,10,6,/V+100,C10,4,/V+R,一般：,C1,的机器性能相对就较好，,G,m,1,1.3.2,计算机系统的性能评测与定量设计原理,2,计算机系统的定量设计原理,设计计算机时，一般应遵循的定量设计原理：,2,）,Amdahl,定律,系统加速比为：,当,f,new,=0,时，,S,p,=1,；,r,new,趋于,时，,f,new,/,r,new,趋于,0,，则,即，性能提高的幅度受限于性能改进部分所占比例，而性能改进的极限受,f,new,的约束。,1.3.2,计算机系统的性能评测与定量设计原理,2,计算机系统的定量设计原理,设计计算机时，一般应遵循的定量设计原理：,2,）,Amdahl,定律,例：若系统中某部件处理速度提高到,10,倍，即,r,new,=10,，但该功能的处理时间仅占整个系统运行时间的,40%,，则改进后，整个系统的性能提高为,1.3.2,计算机系统的性能评测与定量设计原理,2,计算机系统的定量设计原理,设计计算机时，一般应遵循的定量设计原理：,3,）程序访问的局部性定律,a),时间局部性：,在最近的未来要用到的信息很可能是现在正在使用的信息，这是由程序循环造成的，即循环中的语句要被重复执行。,b),空间局部性：,在最近的未来要用到的信息很可能与现在正在使用的信息在程序空间上相邻或相近，这是由于指令通常是顺序存放、顺序执行的。,1.3.2,计算机系统的性能评测与定量设计原理,2,计算机系统的定量设计原理,设计计算机时，一般应遵循的定量设计原理：,3,）程序访问的局部性定律,统计表明，程序执行时，,90%,的时间之访问整个程序的,10%,。这为设计指令提供了重要依据，即指令硬件的设计应尽量加速高频指令的执行。,1.3.2,计算机系统的性能评测与定量设计原理,2,计算机系统的定量设计原理,总之，现在通用计算机的设计，一般先选择从层次结构的主要软、硬件界面之间进行合理的软硬件功能分配；同时还要考虑硬件对,OS,、编译系统提供哪些支持，然后由这个中间界面分别向上、向下进行软件和硬件设计。,1.3.3,计算机系统设计的主要任务和方法,任务包括系统结构,组成和实现的设计,.,功能分配,指令系统,逻辑设计,电路设计,对编译及操作系统的支持,.,考虑市场和应用的情况,满足应用的需求,.,(1),要弄清其应用领域是专用的还是通用的,.,(2),要弄清软件兼容是放在那级层次,.,(3),要弄清操作系统有何种要求,.,(4),要如何保证有高的标准化程度,.,优化,提高性价比,.,系统结构设计应 适应硬件技术,软件技术,器件技术,应用需求的发展变化,.,计算机系统的设计方法,(1),由上往小,(2),由下往上,(3),从中间开始,1.4,软件、应用、器件对系统结构的影响,1.4.1,软件对系统结构的影响,定义,：可移植性是指软件可以不加修改或经少量修改，就可以由一台机器搬到另一台机器去运行，使得同一套软件可以应用于不同的硬件环境。,优点,：可以大量节省重复工作量，使软件设计者可以集中精力更好的改进或开发全新的软件。,软件可移植性,实现软件可移植的基本技术：,1,统一高级语言,软件移植,应用软件移植,系统软件移植,软件编写,高级语言,汇编语言,机器语言,面向题目和算法,统一出满足各种应用的高级语言,该高级语言编写程序可移植,该语言编写操作系统,系统软件可移植,实现软件可移植的基本技术：,1,统一高级语言,难度很大，原因：,1,）不同的用途往往要求语言有不同的语法结构和语义结构。,2,）人们对语言的基本结构看法不一。,3,）即使同一种高级语言在各个不同厂家的机器上也不能完全通用，因为各种机器字长、,机器零,定义、,I/0,设备种类和数量、子程序结构、寻址空间、操作系统等不尽相同。,4,）习惯势力的影响。,实现软件可移植的基本技术：,2,采用系列机思想,系列机思想：,在软、硬件界面上确定好一种系统结构之后软件设计者按此设计软件,;,硬件设计者根据机器速度、性能、价格的不同，选择不同的器件，采用不同的硬件技术和组成、实现技术，研制并提供不同档次的机器。,系列机结构相同，通过统一机器语言来达到软件的移植,确定系列机结构时要慎重。,实现软件可移植的基本技术：,2,采用系列机思想,软件兼容：,由于系列内各档机器从程序设计者看都具有相同的机器属性，因此按这个属性编制的机器语言程序以及编译程序都能不加修改地通用于各档机器，我们称这种情况下的各档机器是软件兼容的,.,实现软件可移植的基本技术：,2,采用系列机思想,向上（下）兼容：,指按某档机器编制的软件，不加修改就能运行于比它高,(,低,),档的机器上。,同一系列内的软件一般应做到向,上,兼容,向前,(,后,),兼容：,指在按某个时期投人市场的该型号机器上编制的软件，不加修改就能运行于在它之前,(,后,),投入市场的机器上。,系列机软件必须保证做到向后兼容,实现软件可移植的基本技术：,3,模拟与仿真,实现在具有不同系统结构的机器间软件移植。,从指令系统看：,在一种机器的系统结构上实现另一种机器的指令系统。,实现软件可移植的基本技术：,3,模拟与仿真,模拟：,将,B,机每条机器指令都用,A,机的一段机器语言程序解释,A,：宿主机,B,：虚拟机,还需模拟,B,机存贮体系、,I/O,系统、控制台操作，形成虚拟,OS,适合于移植运行时间短使用次数少，时间关系没约束限制的软件,实现软件可移植的基本技术：,3,模拟与仿真,仿真：,用,A,的微程序直接解释,B,的机器指令,A,：宿主机,B,：目标机,需模拟,B,机存贮体系,I/O,系统、控制台操作，形成虚拟,OS,实现软件可移植的基本技术：,3,模拟与仿真,模拟与仿真的区别：,仿真用微程序解释,模拟用机器语言程序解释,仿真解释程序存在控制存贮器中,模拟解释程序存在主存中,实现软件可移植的基本技术比较：,解决结构相同或不同机器软件移植，重要方向。,普遍采用的方法。结构相同机器软件移植，兼容会阻碍系统结构进展。,不同结构机器软件移植。模拟灵活，结构差别太大时，效率速度急剧下降。,仿真速度损失小，灵活性小，目前在结构差别不大机器间采用，否则效率显著降低且难仿真，同时需结合采用模拟方法才能真正实现。,统一高级语言,设计系列机,模拟与仿真,1.4.1,软件对系统结构的影响,系统结构设计者在设计机器时，一定要考虑满足软件兼容，并提供实现软件可移植的手段。,还应考虑支持操作系统的兼容。,1.4.2,应用对系统结构的影响（自学）,1.4.3,器件发展对系统结构的影响（自学）,1.5,系统结构中的并行性发展及计算机系统的分类,1.5.1,并行性概念,1,并行性含义与级别,含义：,1,）定义：将解题中具有可以同时进行运算或操作的特性，称为并行性,2,）开发并行性目的：,为了能并行处理，以提高计算机解题效率,3),广义并行性,:,只要在同一时刻或是在同一时,间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不同,的工作，在时间上能相互重叠，都称为并行性。,包括同时性与并发性。,4),同时性：两个或多个事情在同一时刻发生。,5),并发性：两个或多个事情在同一时间间隔,内发生。,并行性级别,1),从执行程序角度分（低,-,高）,a),指令内部,一条指令内部各个微操作之间的并行执行。,（,主要取决于硬件和组成的设计,）,b),指令之间,多条指令的并行执行。,（,主要应解决和处理好指令之间存在的相互关联,）,c),任务或进程之间,多个任务或程序段的并行执行,（,主要涉及如何进行任务分解,）,d),作业或进程之间,多个作业或多道程序的并行。（,关键在于并行算法，即怎样将有限的软硬件资源有效的同时分配给正在解题的多个程序）,并行性等级由高到低反映了硬件实现的比例在增大。所以并行性的实现是一个软硬件功能分配的问题，需要折衷权衡。,并行性等级,2),从处理数据角度分（低,-,高）,a),位串字串,单字单位，通常指串行单处理机,（无并行性）,b),位并字串,单字全位，通常指并行单处理机,（开始出现并行性）,c),位片串字并,多字同位,(,位片,),，多机串行,（开始进入并行处理领域）,d),全并行,多字多位，多机并行,并行性等级,3),从信息加工角度分,a),存贮器操作并行,同一个存贮周期访问多字；（并行存贮器、相联处理机）,b),处理器操作步骤并行,操作步骤在时间上重叠流水进行；（流水线处理机）,c),处理器操作并行,对同一条指令的多个数据组同时操作；（阵列处理机）,d),指令、任务、作业并行,多处理机同时对多条指令及相关多数据组的操作。（多处理机）,2.,并行性开发途径,1),时间重叠,a),方法：在并行性中引入时间因素，让多个处理过程在时间上错开，轮流重复的使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转而提高速度。,b),优点：不必增加额外硬件设备就可以提高计算机系统的性价比。,取指,分析,执行,(a),指令流水线,k,k,k,k+1,k+1,k+1,k+2,k+2,k+2,t,2,t,3,t,4,t,5,t,t,取指,分析,执行,部件,(b),指令在流水线各部件中流过的时间关系,2.,并行性开发途径,1),时间重叠,2.,并行性开发途径,2),资源重复,a),方法：在并行性概念中引入空间因素。通过重复设置硬件资源来提高可靠性或性能。如双工系统，使用两台完全相同的计算机完成同样的任务提高可靠性。,b),优点：系统的速度性能得到很大提高。,控制器,CU,处理单元,PE,0,PE,1,PE,N-1,处理单元对分配到的数据完成同一种运算或操作,2.,并行性开发途径,3),资源共享,a),方法：利用软件的办法让多个用户按一定时间顺序轮流使用同一套资源，以提高其利用率，这样可以提高整个系统的性能。,例如，多道程序分时系统就是利用共享,CPU,、主存资源，以降低系统价格，提高设备的利用率。,b),优点：节省资源，效率高，介于上述两种之间。,1.5.2,计算机系统的并行性发展（自学）,1.5.3,并行处理系统的结构与多机系统的耦合度,1,并行处理计算机的结构,并行处理计算机是强调并行处理的系统。,按其基本的结构特征，可以分为四种：,1,）流水线计算机,时间重叠,多部件在时,间上交错重叠地并行执行运算和处理,以实,现时间上并行。,注意问题：解决好拥塞控制、冲突防止、分支,处理、指令和数据的相关处理、流水线重组、,中断处理、流水线调度以及作业顺序等。,1,并行处理计算机的结构,2,）阵列处理机,资源重复,设置大量算术 逻辑单元，在同一控制部件作用下同时运算和 处理,以实现空间上的并行。,注意问题：解决好处理单元间的灵活而有规律 的互连模式及互连网络的设计、存贮器组织、数据分布等。,3),多处理机,资源共享,由统一的,OS,控制共享,I/O,子系统、数据库资源及处理机,以实现时间、空间上的异步并行。,注意问题：解决好处理机间的互连、存贮器组织、存贮管理、资源分配、任务分解、系统死锁、进程间的通信与同步、多处理机的调度、系统保护等。,1,并行处理计算机的结构,1,并行处理计算机的结构,4),数据流机,指令中的数据控制指令执行顺序,数据是以表示某一操作数或参数已准备就绪的数据令牌的形式直接在指令间传递,研究合适的硬件组织和结构、数据流程序图、能高效并行执行的数据流语言以及解决目前数据流机还存在的某些问题。,2.,多级系统的耦合度,1),基本概念,a),多机系统：指的是多处理机系统和多计算,机系统。,b),多处理机系统：多台处理机组成的单一计,算机系统。,c),多计算机系统：多台独立的计算机组成的,系统。,2),耦合度,耦合度是反映多机系统中各机器之间连接的紧密程度和交叉作用能力强弱的。可以分为以下三种：,a),最低耦合,只是通过某种介质（如磁盘）交换信息，各机之间没有物理连接，无共享的联机硬件资源。,b),松散耦合,也叫间接耦合，通过通道或通信线路互连，只共享某些外围设备。又分两种形式：一种形式是多台计算机通过通道和共享的外围设备相联；另一种形式是各台计算机通过通信线路连接成计算机网络。这两种都是非对称，异步的。,c),紧密耦合,也叫直接耦合，通过总线或高速开关互连，共享主存，信息传输速率高，可以实现数据集一级、任务级、作业级的并行。大多是对称型多处理系统。,1.5.3,计算机系统的分类,从不同的观点和角度，可以对现有的计算机,提出许多不同的分类方法，主要介绍三种。,1.,弗林分类法,根据指令流和数据流的多倍性,(,是指在系统性能瓶,颈部件上处于同一执行阶段的指令或数据的最大可能个,数,),状况对计算机进行分类。,1),单指令流单数据流,SISD,一次仅对一条指令译码，仅对一个操作部件分配数据。单处理器计算机,.,2),单指令流多数据流,SIMD,一条指令，多个操作过程。阵列机和相联处理机,。,3),多指令流单数据流,MISD,多条指令对同一个数据流及其中间结构进行不同的处理。这类系统少见。,4),多指令流多数据流,MDMD,全面并行的多机系统。,2.,库克分类法,根据指令流和执行流,(Execution Stream),及其,多倍性对计算机系统结构进行分类,。,1),单指令流单执行流,SISE,单处理机系统,2),单指令流多执行流,SIME,多部件处 理机,3),多指令流单执行流,MISE,多指令单处理,4),多指令流多执行流,MIME,多处理机系统,3.,冯泽云分类法,根据数据处理并行度对计算机系统结构进行分类。,1),字串位串,位串处理，一字一位,位串行计算机,2),字串位并,字片处理，一字,n,位,位并行单处理机,3),字并位串,位片处理，,m,字一位,相联、阵列处理机,4),字并位并,全并行处理，,m,字,n,位,相联、阵列处理机及多处理机,第一章结束，谢谢！,