并行计算机体系结构的分类
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并行计算机体系结构的分类并行计算机体系结构是指计算机系统中用于支持并行计算的硬件和软件组成的结构。
并行计算机体系结构的分类主要有按数据流方式分类和按处理器间通信方式分类两种。
一、按数据流方式分类1. 数据流体系结构(Dataflow Architecture)数据流体系结构是一种基于数据流的计算模型,它将计算任务表示为一组数据流,各个计算任务根据数据的可用性和依赖关系进行执行。
数据流体系结构具有高度的并行性和灵活性,能够充分利用计算资源,但对于控制流程和数据依赖的处理较为复杂,需要较为复杂的编程模型和编译技术支持。
2. 向量处理器(Vector Processor)向量处理器是一种基于向量指令集的并行计算机体系结构,它将一组数据元素作为一个向量进行处理,通过向量操作指令实现高效的数据并行计算。
向量处理器适用于科学计算、图像处理等需要大规模数据并行的应用,但对于控制流程处理有一定的限制。
3. SIMD体系结构(Single Instruction Multiple Data)SIMD体系结构是一种将多个处理器通过共享存储器连接在一起,使用相同指令并行处理不同数据的体系结构。
SIMD体系结构可以实现高效的数据并行计算,但对于控制流程处理较为复杂,需要通过向量控制指令来实现。
4. MIMD体系结构(Multiple Instruction Multiple Data)MIMD体系结构是一种将多个处理器通过网络或总线连接在一起,各个处理器可以独立执行不同的指令和数据的体系结构。
MIMD体系结构具有较高的灵活性和可扩展性,适用于各种类型的并行计算任务,但对于处理器间通信和数据同步有一定的挑战。
二、按处理器间通信方式分类1. 共享内存体系结构(Shared Memory Architecture)共享内存体系结构是一种多处理器体系结构,多个处理器通过共享同一块物理内存进行通信和数据同步。
共享内存体系结构具有较高的灵活性和编程模型友好性,但对于多处理器间的数据一致性和同步保护有一定的挑战。
计算机体系结构试题及答案12008年01月23日22:211、计算机高性能发展受益于:(1)电路技术的发展;(2)计算机体系结构技术的发展。
2、层次结构:计算机系统可以按语言的功能划分为多级层次结构,每一层以不同的语言为特征。
第六级:应用语言虚拟机-> 第五级:高级语言虚拟机-> 第四级:汇编语言虚拟机-> 第三级:操作系统虚拟机-> 第二级:机器语言(传统机器级) ->第一级:微程序机器级。
3、计算机体系结构:程序员所看到的计算机的属性,即概括性结构与功能特性。
For personal use only in study and research; not for commercial use4、透明性:在计算机技术中,对本来存在的事物或属性,从某一角度来看又好像不存在的概念称为透明性。
5、Amdahl提出的体系结构是指机器语言级程序员所看见的计算机属性。
6、经典计算机体系结构概念的实质3是计算机系统中软、硬件界面的确定,也就是指令集的设计,该界面之上由软件的功能实现,界面之下由硬件和固件的功能来实现。
7、计算机组织是计算机系统的逻辑实现;计算机实现是计算机系统的物理实现。
8、计算机体系结构、计算机组织、计算机实现的区别和联系?答:一种体系结构可以有多种组成,一种组成可以有多种物理实现,体系结构包括对组织与实现的研究。
9、系列机:是指具有相同的体系结构但具有不同组织和实现的一系列不同型号的机器。
10、软件兼容:即同一个软件可以不加修改地运行于系统结构相同的各机器,而且它们所获得的结果一样,差别只在于运行时间的不同。
11、兼容机:不同厂家生产的、具有相同体系结构的计算机。
12、向后兼容是软件兼容的根本特征,也是系列机的根本特征。
13、当今计算机领域市场可划分为:服务器、桌面系统、嵌入式计算三大领域。
14、摩尔定律:集成电路密度大约每两年翻一番。
15、定量分析技术基础(1)性能的评测:(a)响应时间:从事件开始到结束之间的时间;计算机完成某一任务所花费的全部时间。
并行计算机体系结构的分类并行计算机体系结构是指在计算机系统中,通过多个处理单元同时执行任务以提高计算性能的架构框架。
根据不同的设计思想和实现方式,可以将并行计算机体系结构分为多种分类。
本文将介绍几种常见的并行计算机体系结构分类,并对其特点和应用进行讨论。
1.指令级并行体系结构指令级并行体系结构(ILP)是基于指令级并行技术的一种体系结构。
ILP通过将单个指令分解为多个子操作,并在不同的处理单元上同时执行这些子操作,从而实现指令级并行。
这种体系结构适用于需要大量计算的应用,如科学计算和图像处理。
其中,超标量和超流水线是常见的ILP体系结构。
超标量体系结构通过在一个时钟周期内同时发射多条指令,利用指令之间的独立性实现指令级并行。
而超流水线体系结构则通过将指令的执行过程分解为多个阶段,并在每个阶段上同时执行不同的指令,进一步提高了并行度。
这两种体系结构能够充分利用处理器资源,提高计算性能。
2.向量处理体系结构向量处理体系结构是基于向量处理器的一种体系结构。
向量处理器是一种特殊的处理器,能够同时处理多个数据元素。
在向量处理体系结构中,处理器通过执行向量指令,对向量数据进行并行操作。
这种体系结构适用于需要对大规模数据进行相同类型操作的应用,如科学计算和图像处理。
向量处理体系结构具有高度的并行性和数据吞吐量,能够充分利用数据级并行性,提高计算性能。
然而,由于向量处理器对数据的访问具有一定的限制,对于不适合向量化的应用,其性能优势可能会受到限制。
3.多核体系结构多核体系结构是指在一个计算机系统中,使用多个处理核心来执行任务的体系结构。
每个处理核心都具有独立的处理器和内存,能够同时执行不同的指令流。
多核体系结构适用于需要同时执行多个任务的应用,如服务器和大数据处理。
多核体系结构具有良好的可扩展性和并行性,能够提供更高的计算性能。
通过将任务分配给不同的处理核心,可以充分利用系统资源,提高系统的吞吐量和响应速度。
然而,多核体系结构也面临着任务调度和数据共享的挑战,需要采用合适的并行编程模型和调度算法来优化性能。
一、计算机体系结构的基本概念计算机体系结构是指机器语言程序的设计者或是编译程序设计者所看到的计算机系统的概念性结构和功能特性。
Amdahl所定义的体现结构是指程序员面对的是硬件的系统。
所关心的是如何合理的进行软硬件功能的分配。
计算机系统结构是指机器语言级的程序员所了解的计算机的属性,即外特性。
可以包含数据表示,寄存器定义、数量、使用方式,指令系统,中断系统,存存储系统,IO系统等。
计算机组成是计算机结构的逻辑实现。
可以包含数据通路宽度,专用部件设置,缓冲技术,优化处理等。
计算机的实现是指其计算机组成的物理实现。
包括处理机,主存部件的物理结构,器件的集成度,速度的选择,模块、硬件、插件底板的划分和连接。
从使用语言的角度,可以把计算机系统按功能从高到低分为7级:0应用语言机器级、1高级程序语言机器级、2汇编语言机器级、3操作系统机器级、4传统机器语言机器级、5微程序机器级和6电子线路级。
3~6级为虚拟机,其语言功能均由软件实现。
硬件功能分配的基本原则:(1)功能要求。
首先是应用领域对应的功能要求,其次是对软件兼容性的要求;(2)性能要求。
如运算速度,存储容量,可靠性,可维护性和人机交互能力等;(3)成本要求。
体系结构设计的方法有三种:由上而下-从考虑如何满足应用要求开始设计;由下而上-基于硬件技术所具有的条件;由中间开始的方法。
体系设计的步骤:需求分析、需求说明、概念性设计、具体设计、优化和评价。
计算机体系结构的分类:(1)弗林FLYNN分类法:按指令流和数据流将计算机分为4类:①单指令流、单数据流-Single Instruction Stream Single Data Stream,SISD。
计算机,即传统的单处理机,通常用的计算机多为此类,如脉动阵列计算机systolic array;②单指令流、多数据流-Multiple,SIMD。
典型代表是并行处理机。
其并行性在于指令一级。
如ILLIAC、PEPE、STARAN、MPP等;③MISD计算机;④MIMD计算机。
计算机体系结构并行处理基础知识梳理计算机体系结构并行处理是计算机科学与工程中的一个重要领域,它研究如何利用并行处理技术提高计算机系统的性能和效率。
本文将针对计算机体系结构并行处理的基础知识进行梳理与总结。
一、什么是计算机体系结构并行处理?计算机体系结构并行处理指的是将计算机中的任务分成几个独立的部分,同时在多个处理器(或计算节点)上执行,以提高整个系统的运行速度和计算能力。
相较于串行处理,计算机体系结构并行处理可以通过并行执行来解决计算和处理时间过长的问题,进而提高计算机系统的性能。
二、计算机体系结构并行处理的分类1.单指令多数据(SIMD)并行处理:SIMD并行处理指的是在多个处理器上同时执行相同指令,但对不同数据进行操作。
这种处理方式适用于数据之间存在较大的并行性的应用,比如图像处理和向量计算。
2.多指令多数据(MIMD)并行处理:MIMD并行处理指的是在多个处理器上同时执行不同指令,对不同数据进行操作。
每个处理器都可以独立地运行不同的程序,适用于对计算资源需求较高、计算量较大的应用,比如科学计算和大规模数据分析。
三、计算机体系结构并行处理的应用1.科学计算:并行处理在科学计算中应用广泛,可以加速复杂的计算任务。
比如,在气象学中,利用并行处理可以加快天气预测模型的计算速度,提高预测的准确性。
2.人工智能:并行处理在人工智能领域也有广泛的应用。
例如,在深度学习模型训练过程中,通过在多个处理器上同时进行计算,可以减少训练时间,提高模型的训练效率。
3.计算机图形学:并行处理在计算机图形学中也扮演着重要的角色。
例如,在三维动画渲染过程中,通过并行处理可以加速复杂图像的生成,提高图像生成速度和质量。
四、计算机体系结构并行处理的挑战尽管计算机体系结构并行处理能够提高系统性能和计算能力,但同时也面临一些挑战。
首先,编写并行程序比编写串行程序更加复杂,需要考虑线程间的同步和通信问题,以避免数据竞争和死锁等并发问题。
并行计算的体系结构随着科技的不断进步,计算机的算力和计算速度也在不断提高。
与此同时,人们对于计算机所能完成的任务也不断提升,而计算机所能够处理的问题难度也愈加复杂。
在计算机性能无法满足需求的情况下,人们开始考虑如何提高计算机的性能,其中之一的方案就是采用并行计算的体系结构。
并行计算即是指在同一时间内,多个独立的计算单元并行地完成一项计算任务。
而并行计算的体系结构则是将计算单元组织起来,形成一种分布式架构,实现并行计算的技术体系。
并行计算的体系结构可以分为两类,即共享存储体系结构和分布式存储体系结构。
共享存储体系结构中所有的计算单元都可以共享某个全局存储区,因此计算单元之间可以直接互操作。
而分布式存储体系结构中各个计算单元之间是通过网络进行联通的,它们彼此间不能直接互操作,但是可以通过网络通讯,进行数据传递。
共享存储体系结构主要有以下三种:1. 对称多处理器系统(SMP)SMP系统为多个处理器提供了一个共享的物理主存储器空间。
它允许在所有处理器间共享任务,任务也可以分配到任何一个处理器上。
SMP系统的一个典型应用是在服务器中对执行复杂任务的请求进行分配和处理。
2. 非统一内存体系结构(NUMA)NUMA体系结构允许每个处理器单元访问本地存储器,以及在散布位置上的外部存储器进行操作。
这种体系结构只有在该机器有许多处理器时才适合使用,而且适合于那些具有分布式选项的多处理器。
NUMA系统的一个典型应用是在数据仓库中高效地执行分析性操作。
3. 联机事务处理体系结构(OLTP)OLTP体系结构由多个处理器共享同一块主存储器并形成一个共享存储空间。
此外,OLTP通常还将所有数据都存储在数据库中,以便处理和管理交易。
OLTP系统的一个典型应用是在金融市场和贸易等业务流程中进行高效处理。
分布式存储体系结构主要有以下三种:1. 网格计算体系结构网格计算体系结构将多个以分布形式存在的计算单元组合起来,形成一个底层的计算网格。
并行计算机体系结构简介并行计算机指的是在同一时刻,多个处理器同时执行不同的指令或者同一指令的不同部分。
并行计算机体系结构是指通过各种计算机组件和连接方式,实现并行计算的结构框架。
本文将介绍并行计算机的体系结构及其分类。
分类并行计算机体系结构可以按照不同的维度进行分类,如数据流、指令流、控制流等。
以下是一些常见的分类方式:数据并行数据并行是指将同一任务的不同数据分配到多个处理器上进行并行计算。
数据并行可以通过多处理器之间的数据传输和同步来实现。
常见的数据并行体系结构有MIMD(Multiple Instruction, Multiple Data)和SIMD(Single Instruction, Multiple Data)。
•MIMD体系结构中,多个处理器可以独立执行不同的指令,各自操作不同的数据。
每个处理器都有自己的程序和数据存储器,并且可以通过通信网络进行通信和同步。
•SIMD体系结构中,多个处理器执行相同的指令,但操作不同的数据。
通常有一个主处理器通过广播方式将指令传递给其他处理器,其他处理器根据自己的数据进行计算。
指令并行指令并行是指将一个程序的不同部分分配到多个处理器上进行同时执行。
指令并行可以通过指令级并行和线程级并行来实现。
•指令级并行是通过将一个指令的不同操作分配到多个处理器上进行并行计算。
这种并行计算需要通过流水线技术来实现,每个处理器只负责指令的一个阶段。
•线程级并行是通过将程序的不同线程分配到多个处理器上进行并行计算。
每个线程可以由一个独立的处理器来执行,从而提高程序的并行度。
控制并行控制并行是指将一个程序的不同控制流分配到多个处理器上进行并行计算。
控制并行可以通过硬件或者软件的方式来实现。
•硬件控制并行是通过将程序的不同控制流分配到多个处理器上执行,以实现并行计算。
这种并行计算需要处理器之间的同步和通信,以确保控制流的正确执行。
•软件控制并行是通过程序员在程序中显式地指定控制流的并行性,以实现并行计算。
并行计算机体系结构并行计算机体系结构是指一种由多个处理器(或多个核心)并行工作的计算机体系结构。
它的设计目标是提高计算机的计算能力和处理速度,使得多个任务可以同时进行,从而提高系统的整体效率。
并行计算机体系结构有多种形式,以下是一些常见的体系结构类型:1. 对称多处理器(SMP):在SMP体系结构中,所有的处理器共享同一个内存和I/O系统。
各个处理器可以同时访问共享资源,因此可以并行执行任务。
2. 多核处理器:多核处理器是在一个物理芯片上集成了多个处理核心,每个核心可以同时执行不同的任务。
多核处理器可以提供更好的性能和能源效率,因为多个任务可以在同一芯片上并行执行。
3. 集群系统:集群系统是由多个计算节点组成的并行计算机系统。
每个计算节点都具有自己的处理器、内存和I/O系统,节点之间通过高速网络进行通信和协作。
集群系统可以通过节点之间的并行计算实现更大规模的计算任务。
4. GPU加速系统:GPU(图形处理器)是一种专门用于图形渲染和计算的处理器。
近年来,GPU也被广泛用于并行计算任务,可以提供比传统CPU更高的计算能力。
GPU加速系统是将多个GPU集成到计算机系统中,利用GPU的并行计算能力提高系统的整体性能。
5. 分布式计算系统:分布式计算系统是通过将计算任务分发到多台计算机上并行执行,以实现更大规模的计算任务。
各个计算机通过网络进行通信和协作,共同完成任务。
分布式计算系统可以提供更高的计算速度和可扩展性。
并行计算机体系结构的设计和优化需要考虑诸多因素,包括任务划分、并行调度、数据共享与同步、通信开销等。
不同的应用场景和性能需求可能需要选择不同的并行计算机体系结构来实现最佳的性能。