导图社区 《计算机系统结构》之 系统结构中的并行性开发及计算机系统的分类章节
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编辑于2023-03-08 00:43:32 广东
系统结构中的并行性开发及计算机系统的分类
一、并行性的概念与开发
并行性的含义与级别
①器件技术、尤其是微电子技术的迅速发展是促进计算机和系统性能迅速改进的关键和基础。
②无论是数值计算、数据处理、信息处理、知识处理、还是智能处理、都隐含有同时进行运算或操作的成分。解题中具有可以同时进行运算或操作的特性,称为并行性。
③并行性包含同时性和并发性二重含义。同时性(Simalhsmeity)指两个或多个事件在同一时刻发生。
④并发性(Cemcumemcy)指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。
⑤开发并行性的目的是为了能并行处理、以提高计算机解题的效率。
以不同角度 ,并行性有不同的等级
计算机系统执行程序的角度来看,并行性等级由低到高可分为四级。分别是:
①指令内部——条指令内部各个微操作之间的并行执行。
②指令之间——多条指令的并行执行。
③任务或进程之间——多个任务或程序段的并行执行。
④作业或程序之间——多个作业或多道程序的并行执行。
对计算机系统中处理数据的角度来看、并行性等级从低到高可以分为四级。分别是:
①位串字率——同时只对一个字的一位进行处理,这通常是指传统的串行单处理机,没有并行性。
②位并字串——同时对一个字的全部位进行处理,这通常是指传统的并行单处理机,开始出现并行性。
③位片串字并——同时对许多字的同一位(称位片)进行处理、开始进入并行处理领域。
④全并行——同时对许多字的全部或部分位组进行处理。
并行性是贯穿于计算机信息加工的各个参骤和阶段的、从这个角度来看,并行性等级又分为:
①存储器操作并行——可用单体单字、多体单字或多体多字方式在一个存储周期内访问多个字,进而采用按内容访问方式在一个存储周期内用位片串字并或全并行方式实现对存储器中大量字的高速并行比较、检索、更新、变换等操作。 典型的例子就是并行存储器系统和以相联存储器为核心构成的相联处理机。
②处理器操作步骤并行——指令的取指、分析、执行、浮点加法的求阶差、对阶、尾加、舍入、规格化等操作,执行步骤在时间上重叠流水地进行。典型的例子是流水线处理机。
③处理器操作并行——通过重复设置大量处理单元,让它们在同一控制器控制下按同一指令要求对向量、数组中各元素同时操作。典型的例子是阵列处理机。
④指令、任务、作业并行——这是较高级的并行。虽然它也可以包含操作、操作步骤等较低级的并行,但与操作级并行不同。指令级以上的并行是多个处理机同时对多条指令和相关的多数据组进行处理,操作级并行是对同一条指令及其相关的数据组进行处理。前者属于多指令流多数据流计算机,后者属于单指令流多数据流计算机。典型的例子是多处理机。
例题 1.【单选题】从计算机系统中处理数据的角度来看,并行性等级最低的是( )。 A.九位并字串 B.位片串字并 C.位串字串 D.全并行 【正确答案:C】 【答案解析】:队计算机系统中处理数据的角度来看、并行性等级从低到高可以分为四级。分别是:①位串字率;②位并字串; ③位片串字并;④全并行。 2.【填空题】从计算机执行程序的并行性看,由低到高的并行性等级可分为__________、指令之间、__________之间和作业或程序之间四级。 【正确答案:指令内部;任务或进程之间】 【答案解析】:计算机系统执行程序的角度来看,并行性等级由低到高可分为四级。分别是: ①指令内部;②指令之间;③任务或进程之间;④作业或程序之间。
内容来源:MindMaster竖屏导图 绘制:短暂
并行性开发的途径
并行性开发的途径有:时间重叠、资源重复、资源共享。
(1)时间重叠 时间重叠是在并行性概念中引入时间因素,让多个处理过程在时间上相互错开,轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分,加快硬件周转来赢得速度。
(2)资源重复 资源重复是在并行概念中引入空间因素,资源来提高可靠性或性能。双工系统是通过使用两台相同的计算机完成同一任务来提高可靠性的。在图1-10中,通过设置N个完全相同的处理单元,在同一控制下,给各处理单元分配不同的数据,完成指令要求的同一种运算或操作,以提高速度性能。它体现了并行性中的同时性。资源重复不仅可以提高可靠性,还可以进一步用成百上万台微处理机互连构成多计算机或机群系统,提高系统的速度性能。
(3)资源共享 资源共享(Resource Sharing)是用软件方法,让多个用户按一定时间顺序轮流使用同一套资源来提高资源利用率,相应地也就提高了系统的性能。多道程序分时系统是典型的资源共享实例。它通过共享CPU、主存,以降低系统价格、提高设备利用率。共享主存、外设、通信线路的多处理机,计算机网络,分布处理系统都是典型的资源共享例子。资源共享不只是CPU、主存、外设等硬件资源的共享,也包括软件、信息资源的共享。
例题 1、【单选题】并行性开发的途径中,让多个处理过程在时间上相互错开,轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分,加快硬件周转来赢得速度的是( ) A.时间重叠 B.资源重复 C.资源独享 D.资源共享 【正确答案:A】 【答案解析】:时间重叠是在并行性概念中引入时间因素,让多个处理 过程在时间上相互错开,轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分, 加快硬件周转来赢得速度。
多机系统的耦合度
多机系统包含多处理机系统和多计算机系统。多处理机系统与多计算机系统是有差别的。多处理机系统是由多台处理机组成的单一系统,各处理机都有自己的控制部件、可管本地存储器,能执行各自的程序,但都受逻辑上统一的操作系统控制。处理机之间以文件、单一 数据或向量、数组等形式交互作用,全面实现作业、任务、指令、数据各级的并行。
一般用耦合度反映多机系统中各机器之间物理连接的紧密度和交叉作用能力的强弱,有最低耦合、松散耦合和紧密耦合之分。各种脱机处理系统是最低耦合系统,其耦合度最低,除通过某种存储介质外,各计算机之间无物理连接,也无共享的联机硬件资源。 例如:独立外围计算机系统由主机和外围计算机组成,后者脱机工作,只通过磁盘、磁带等对主机的输入/输出提供支持。
如果多台计算机通过通道或通信线路实现互连,共享某些如磁带、磁盘等外围奋,以较低频带在文件或数据集一级相互作用,则这种系统被称为松散耦合系统或间接耦合系统。 它有两种形式:一种是多台功能专用的计算机通过通道和共享的外围设备相连,各计算机以文件或数据集形式将结果送到共享的外设,供其他计算机继续处理,使系统获得较高效率;另一种是各计算机经通信线路互连成计算机网,各尽所长,求得更大范围内的资源共享。
如果多台计算机经总线或高速开关互连,共享主存,有较高的信息传输速率,可实现数据集一级、任务级、作业级并行,则称此系统为紧密耦合系统(Tightly Coupled System)或直接耦合系统(Directly Coupled System)。它可以是主辅机方式配合工作的非对称型系统,但更多的是对称型多处理机系统,在统一的操作系统管理下追求各处理机的高效率和负荷的均衡。
例题 1、【单选题】如果多台计算机通过通道或通信线路实现互连,共享某些外围设备,以较低频带在文件或数据集一级相互作用,则这系统称为( )。 A.最低耦合系统 B.松散耦合系统 C.紧密耦合系统 D.直接耦合系统 【正确答案:B】 【答案解析】:如果多台计算机通过通道或通信线路实现互连,共享某些如磁带、磁盘等外围奋,以较低频带在文件或数据集一级相互作用,则这种系统被称为松散耦合系统或间接耦合系统。
二、计算机系统的分类
例题 1、【单选题】按照弗林分类法,具有n个处理单元,按n条不同指令的要求对同一个数据流及其中间结果进行不同的处理,一个处理单元的输出作为另一个处理单元的输入属于( )。 A.单指令流单数据流系统 B.单指令流多数据流系统 C.多指令流单数据流系统 D.多指令流多数据流系统 【正确答案:C】 【答案解析】:本题主要考查的知识点为计算机系统的弗林分类法。多指令流单数据流系统有n个处理单元,按n条不同指令的要求对同一个数据流及其中间结果进行不同的处理,一个处理单元的输出作为另一个处理单元的输入。
1966年,弗林提出按指令流和数据流的多倍性对计算机系统分类。指令流是指机器执行的指令序列。数据流是指由指令流调用的数据序列,包括输入数据和中间结果。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。 据此,把计算机系统分成单指令流单数据流(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)四大类。
本章小结
本章介绍了有关计算机系统结构的基本知识和概念,使考生了解计算机系统的结构,为进一步学习后续各章节打好基础,具体的内容包括: ①计算机系统的层次结构。 ②计算机系统结构、计算机组成、计算机实现。 ③计算机系统的软、硬件取舍及定量设计原理。 ④软件、应用、器件的发展对系统结构的影响。 ⑤系统结构中的并行性开发及计算机系统的分类。