并行處理與體系結(jié)構(gòu)

1、并行處理與體系結(jié)構(gòu),聯(lián)系方式：綜合樓605房間電話(huà)：,課程背景,并行處理技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)科研與發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)；其推動(dòng)力來(lái)自實(shí)際應(yīng)用對(duì)高性能、低價(jià)格和持續(xù)生產(chǎn)力日益增長(zhǎng)的要求,計(jì)算機(jī)原理的概念計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的概念(Amdahl)；,并行主要研究：先行方式、流水方式、向量化；并發(fā)性、同時(shí)性；數(shù)據(jù)并行性、劃分；交叉、重疊、多重性、重復(fù)；時(shí)間共享、空間共享；多任務(wù)處理、多道程序、多線(xiàn)程方式和分布式計(jì)算?！?第一章

2、 并行計(jì)算機(jī)模型,?1 計(jì)算技術(shù)的現(xiàn)狀?2 多處理機(jī)和多計(jì)算機(jī)?3 多向量機(jī)和SIMD計(jì)算機(jī)?4 并行計(jì)算機(jī)的抽象模型?5 可擴(kuò)展的范圍和設(shè)計(jì),?1 計(jì)算技術(shù)的現(xiàn)狀,一、并行技術(shù)的出現(xiàn),,第六代：超標(biāo)量，超流水線(xiàn)，超長(zhǎng)指令字？第七代：CMP（chip multiprocessor），Kunle Olukotun 博士，斯坦福大學(xué)計(jì)算機(jī)系教授，第一片CMP的設(shè)計(jì)者，推動(dòng)了片上多處理器的研究熱潮。,二、現(xiàn)代并行計(jì)算機(jī)的組成,涉及

3、6個(gè)問(wèn)題：1.計(jì)算問(wèn)題 現(xiàn)實(shí)生活中對(duì)問(wèn)題要求快速而精確地求解推動(dòng)了計(jì)算機(jī)的廣泛使用?？茖W(xué)技術(shù)中的數(shù)值計(jì)算問(wèn)題人工智能(AI)問(wèn)題事務(wù)處理,2.算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 并行計(jì)算問(wèn)題中的運(yùn)算和通信，需要各種專(zhuān)門(mén)的算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。符號(hào)處理科學(xué)計(jì)算存在的問(wèn)題?,3.硬件資源 處理機(jī)、存儲(chǔ)器和外圍設(shè)備組成了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件核心外圍設(shè)備可以直接或通過(guò)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)與主機(jī)相連,4.操作系統(tǒng) 管理用戶(hù)程序執(zhí)行過(guò)程中的資源分配和再分

4、配。映射是一種算法結(jié)構(gòu)與硬件結(jié)構(gòu)相匹配的雙向過(guò)程。并行操作系統(tǒng)的映射算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)到機(jī)器結(jié)構(gòu)的映射包括處理機(jī)調(diào)度、存儲(chǔ)器映象、處理器間的通信等。這些問(wèn)題通常都與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有關(guān)。,5.系統(tǒng)軟件支持 存在的問(wèn)題：不能以通用和可移植方式進(jìn)行并行程序設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)并行編程環(huán)境：一種與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的語(yǔ)言、編譯器和軟件工具。,兩個(gè)方向：對(duì)于開(kāi)發(fā)并行語(yǔ)言，將著眼點(diǎn)放在語(yǔ)言執(zhí)行的效率、對(duì)不同機(jī)器的可移植性、與現(xiàn)有的順序語(yǔ)言的兼容性、并行性的

5、表達(dá)和編程的簡(jiǎn)便性等上面。可以設(shè)計(jì)一種新的語(yǔ)言，逐步擴(kuò)展現(xiàn)有的順序語(yǔ)言。新語(yǔ)言有用顯式高級(jí)結(jié)構(gòu)描述并行性的優(yōu)點(diǎn)，但是新語(yǔ)言往往與現(xiàn)有語(yǔ)言不兼容，而需要新的編譯器或者通過(guò)新的步驟才能利用現(xiàn)有的編譯器。大部分系統(tǒng)選用的是語(yǔ)言擴(kuò)展方式。,6.編譯器支持 改進(jìn)編譯器有三種途徑：預(yù)處理程序;預(yù)編譯器;并行化編譯器。,預(yù)處理程序采用順序編譯器和目標(biāo)計(jì)算機(jī)的低層程序庫(kù)實(shí)現(xiàn)高級(jí)并行結(jié)構(gòu)。預(yù)編譯器需要程序流分析、相關(guān)性檢查和有限的優(yōu)化來(lái)檢測(cè)

6、并行性。聯(lián)接過(guò)程效果取決于預(yù)處理程序、預(yù)編譯器、并行化編譯器、加載程序和操作系統(tǒng)支持的功效。由于程序行為的不可預(yù)測(cè)，現(xiàn)有的編譯器在檢測(cè)所有類(lèi)型的并行性時(shí)都不是完全自動(dòng)或完全智能進(jìn)行的。存在一些有效的方法：將編譯器命令插入源代碼，幫編譯器做出較好的結(jié)果。這樣，用戶(hù)可與編譯器進(jìn)行交互重構(gòu)程序，這已被證明對(duì)提高并行計(jì)算機(jī)性能是十分有用的。,7.并行程序的設(shè)計(jì)環(huán)境 隱式并行性伊利諾依大學(xué)的David Kuck和Rice大學(xué)的KenK

7、ennedy以及他們的合作者都已采用這種隱式并行性方法。 顯式并行性 加州理工學(xué)院的CharlesSeitz和麻省理工學(xué)院的WilliamDaily在開(kāi)發(fā)多計(jì)算機(jī)時(shí)采用了這種顯式方法。,總結(jié)：要使一個(gè)環(huán)境對(duì)用戶(hù)更加友好，必須要有專(zhuān)用軟件工具。一些工具是傳統(tǒng)高級(jí)語(yǔ)言的并行擴(kuò)展；一些則是集成環(huán)境其中包括提供不同級(jí)別的程序抽象、驗(yàn)證、測(cè)試、查錯(cuò)和調(diào)試等各種工具；性能預(yù)測(cè)和監(jiān)控；輔助程序開(kāi)發(fā)的可視化支持、性能測(cè)量以及計(jì)算結(jié)果的圖形

8、顯示及動(dòng)畫(huà)表示,三、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)向高性能發(fā)展歷程,主要探討順序到并行的過(guò)程,1.先行、并行性和流水線(xiàn)技術(shù)用先行技術(shù)預(yù)取指令可使I／E(指令讀?。g碼和執(zhí)行)支持功能并行性的方法有兩種：一種是同時(shí)使用多個(gè)功能部件；另一種是在不同處理級(jí)分別實(shí)施流水線(xiàn)技術(shù)。 流水線(xiàn)指令執(zhí)行、流水線(xiàn)算術(shù)計(jì)算和存儲(chǔ)器存取操作。,2.Flynn分類(lèi)法MkhealFlynn(1972)根據(jù)指令和數(shù)據(jù)流概念提出了不同計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類(lèi)法。,傳統(tǒng)的順序

9、機(jī)被稱(chēng)為SISD(單指令流單數(shù)據(jù)流)計(jì)算機(jī)。向量計(jì)算機(jī)--標(biāo)量和向量硬件裝備，或以SIMD(單指令流多數(shù)據(jù)流)機(jī)的形式出現(xiàn)。并行計(jì)算機(jī)則屬M(fèi)IMD(多指令流多數(shù)據(jù)流)機(jī),MISD(多指令流單數(shù)據(jù)流)機(jī)在執(zhí)行不同的指令流時(shí)，同一數(shù)據(jù)流通過(guò)處理機(jī)線(xiàn)性陣列。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也就是所謂流水線(xiàn)執(zhí)行特定算法的脈動(dòng)陣列(Systolicarrays)。由卡內(nèi)基—梅隆大學(xué)的美籍華人學(xué)者H．T．Kung于1978年提出的。這一結(jié)構(gòu)是隨著VLSI技術(shù)

10、的發(fā)展和各種大運(yùn)算量的信號(hào)/圖象處理及科學(xué)計(jì)算的運(yùn)算要求而建立起來(lái)的。,脈動(dòng)陣列的特點(diǎn)：處理單元簡(jiǎn)單流水算法專(zhuān)業(yè),例：數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)流的計(jì)算模型--試圖使并行計(jì)算的基本方面在機(jī)器層顯式化，而不利用有可能限制程序并行性的人為約束。它的想法是程序由一個(gè)基本數(shù)據(jù)依賴(lài)圖來(lái)表示；一個(gè)指令可能在獲得了它的操作數(shù)后的任意時(shí)刻被執(zhí)行，不是顯式控制線(xiàn)性程序列的固定組合。,3.并行／向量計(jì)算機(jī) 真正的并行計(jì)算機(jī)是那些以MIMD模式執(zhí)行程序的

11、計(jì)算機(jī)。并行計(jì)算機(jī)有兩大類(lèi)，即共享存儲(chǔ)型多處理機(jī)和消息傳遞型多計(jì)算機(jī)。多處理機(jī)和多計(jì)算機(jī)之間的主要差別就在于存儲(chǔ)器共享和處理機(jī)間通信機(jī)制的不同。多處理機(jī)系統(tǒng)中的處理機(jī)通過(guò)公用存儲(chǔ)器的共享變量實(shí)現(xiàn)互相通信。多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的每個(gè)計(jì)算機(jī)結(jié)點(diǎn)有一個(gè)與其它結(jié)點(diǎn)不共享的本地存儲(chǔ)器。處理機(jī)之間的通信通過(guò)結(jié)點(diǎn)間的消息傳遞來(lái)實(shí)現(xiàn)。,顯式向量計(jì)算機(jī)指令是隨向量處理機(jī)的問(wèn)世而出現(xiàn)的。一臺(tái)向量處理機(jī)可以裝備有用硬件或固件并發(fā)控制的多條向量流水線(xiàn)。,4.

12、開(kāi)發(fā)層次 Lionel Ni的最新分類(lèi)法(1990)，并行計(jì)算機(jī)的分層開(kāi)發(fā)可表示于下圖,四、性能的系統(tǒng)屬性,1 .時(shí)鐘頻率和CPI 主頻當(dāng)前數(shù)字計(jì)算機(jī)的CPU(或簡(jiǎn)稱(chēng)處理機(jī))是由一個(gè)恒定周期(τ，以ns表示)的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的。周期的倒數(shù)是時(shí)鐘頻率(ｆ＝1/ τ ）（以MHz表示）。,程序的規(guī)模是由其指令數(shù)(Ic)，也就是程序串要執(zhí)行的機(jī)器指令數(shù)來(lái)決定的。執(zhí)行不同的機(jī)器指令所需要的時(shí)鐘周期數(shù)也是不一樣的。一條指令的周期數(shù)(C

13、Pl)就成為衡量執(zhí)行每條指令所需時(shí)間的重要參數(shù)。,2.性能因子執(zhí)行程序所需的CPU時(shí)間：設(shè)Ic為已知程序的指令條數(shù)。執(zhí)行程序所需的CPU時(shí)間(T，以秒/程序表示)可用三個(gè)主要因素的乘積來(lái)計(jì)算： T＝ Ic × CPI × τ,可將上式重寫(xiě)成如下形式： T＝ Ic × (p+m×k) × τ 一種指令類(lèi)型的CPI可分為完成指令所需的處理機(jī)周期數(shù)和存儲(chǔ)器周期數(shù)兩部分。完整

14、的指令執(zhí)行過(guò)程可能包含一至四次存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)(一次用于取指令，兩次用于取操作數(shù)，一次用于存儲(chǔ)結(jié)果)，這與指令的類(lèi)型有關(guān)。,式中的細(xì)化：p為指令譯碼和執(zhí)行所需的處理機(jī)周期數(shù);m為所需的存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)次數(shù);k為存儲(chǔ)周期與處理機(jī)周期之比;Ic為指令條數(shù)，為處理機(jī)周期。,3.系統(tǒng)屬性計(jì)算機(jī)系統(tǒng)屬性可以由五元組表示：(Ic，p，m，k，τ),五個(gè)量可以稱(chēng)為性能因子。與四種系統(tǒng)屬性有關(guān)：指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、編譯技術(shù)、CPU實(shí)現(xiàn)和控制技術(shù)、高速緩存

15、與存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)。,推廣---并行系統(tǒng)的性能屬性機(jī)器規(guī)模 n—處理機(jī)個(gè)數(shù)時(shí)鐘速率 f工作負(fù)載 W--程序中的計(jì)算操作數(shù)順序執(zhí)行時(shí)間 T1并行執(zhí)行時(shí)間 Tn速度 Pn=W/Tn加速比 Sn=T1/Tn效率 En=Sn/n 利用率 Un=Pn/n(Ppeak)啟動(dòng)時(shí)間 t0 漸進(jìn)帶寬

16、 r∞,4.Mips速率(其中C是總的周期數(shù)),5.吞吐率系統(tǒng)的吞吐率:系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)能執(zhí)行多少個(gè)程序，這稱(chēng)為系統(tǒng)的吞吐率(單位為程序數(shù)／秒) Ws 。,在多道程序系統(tǒng)中，系統(tǒng)吞吐率常低于CPU吞吐率Wp。Wp可用下式表示：,或： Wp=(MIPS)×106／Ic Wp的單位是程序數(shù)／秒。,CPU吞吐率是根據(jù)MIPS速率和程序的平均長(zhǎng)度(Ic)來(lái)衡量機(jī)器每秒鐘能執(zhí)行多少個(gè)程序的尺度。Ws<Wp，