计算机体系结构中并行性的发展

发布时间：2024-11-02

第一章计算机体系结构的基本概念

1.6

计算机体系结构中并行性的发展

1.6.1 并行性概念1. 并行性在同一时刻或是同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不相同的工作。

只要时间上互相重叠，就存在并行性。

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1.6 计算机体系结构中并行性的发展

◆ 同时性

两个或多个事件在同一时刻发生的并行性。◆ 并发性

两个或多个事件在在同一时间间隔内发生的并行性。

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1.6 计算机体系结构中并行性的发展

2. 计算机系统中的并行性有不同的等级

(1) 从执行程序的角度看，并行性等级从低到高可分为◆ 指令内部并行：指令内部的微操作之间的并行。◆ 指令级并行：并行执行两条或多条指令。 ◆ 线程级并行：并发执行多个线程，通常是以一个

进程内控制派生的多个线程为调度单位。虚拟存储器的特点 3/18

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◆ 任务级或过程级并行：并行执行两个或多个过

程或任务(程序段)。◆ 作业或程序级并行：在多个作业或程序间的并行。

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(2) 从处理数据的角度，并行性等级从低到高可以分为 ◆ 字串位串: 同时只对一个字的一位进行处理。◆ 字串位并：同时对一个字的全部位进行处理，

不同字之间是串行的。◆ 字并位串：同时对许多字的同一位(称位片)进

行处理。◆ 全并行：同时对许多字的全部或部分位进行处理。

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1.6.2 提高并行性的技术途径1. 三种途径 (1) 时间重叠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，以加快硬件周转而赢得速度。

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(2) 资源重复地根据“以数量取胜”的原则，通过重复设置资源，尤其是硬件资源，以大幅度提高计

算机系统的性能。 (3) 资源共享这是一种软件方法，它使多个任务按一定

时间顺序轮流使用同一套硬件设备。

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2. 单机系统中并行性的发展 (1) 在发展高性能单处理机过程中，起着主导作用的是时间重叠这个途径。实现时间重叠的基础:部件功能专用化。◆ 把一件工作按功能分割为若干相互联系的部分；◆ 把每一部分指定给专门的部件完成； ◆ 然后按时间重叠原则把各部分执行过程在时间

上重叠起来，使所有部件依次分工完成一组同样的工作。虚拟存储器的特点 8/18

例如对于解释指令的五个过程，就分别

需要五个专用的部件，即取指令部件(IF)、指令译码部件(ID)、指令执行部件(EX)、访问存储器部件(M)和写结果部件(WB)。时间 IF 串行执行 IDEX M WB IF ID EX M WB IF ID EX M WB 指令 i IF ID EX M WB IF ID EX M WB IF ID EX M WB IF ID EX M WB 流水执行指令 i+1 指令 i+2

指令 i 指令 i+1 指令 i+2 指令 i+3

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先行控制

指令流水线，操作流水线向量处理机异构型(非对称型)多处理机系统由多个不同类型、至少担负不同功能的处理机组成，按照作业要求的顺序，利用时间重叠原

理，依次对它们的多个任务进行加工，各自完成规定的功能动作。

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1.6 计算机体系结构中并行性的发展

(2) 在单处理机中，资源重复的运用已经普遍起来。部件冗余

多操作部件，多存储体并行处理机，相联处理机同构型(对称型)多处理机系统由多个同类型，至少担负同等功能的处理机组成，同时处理同一作业中能并行执行的多个任务。