第10章 并行处理与互连网络 课件(共210张PPT)- 《计算机原理》同步教学（西安科大出版社）

(课件网) 第10章 并行处理与互连网络 10.1 并行处理的概念 10.2 并行处理机基本结构 10.3 SIMD计算机基本结构 10.4 SIMD计算机的应用 10.5 互连网络的概念 10.6 静态互连网络 10.7 动态互连网络 10.8 互连网络的消息传递机制 关联 习题 10.1 并行处理的概念　 10.1.1 并行性 　　研究改进计算机系统结构的一个主要方面是如何开发出并行性。并行性(Parallelism)是指问题中具有可同时进行运算或操作的特性。如在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不同的任务为并行性。开发并行性的目的是为了能予以并行处理，以提高解题效率。 　　并行性有两个含义：一是同时性(Simultaneity)，是指两个或多个事件在同一时刻发生在多个资源中；二是并发性(Concurrency)，指两个或多个事件在同一时间间隔内发生在多个资源中。 　　并行处理是一种有效地强调开发计算过程中并行事件的信息处理方式，是提高系统性能的主要手段之一。如在运算器中采用串行结构运算，每次进行一位运算，那么完成n位数据的运算要花费n个时间单位。如果采用并行结构，设置一个n位运算器，则用1个时间单位就可完成(理想状态下)。可以看出，在元器件速度相同的条件下，后者的速度几乎是前者的n倍。可见，并行处理能大幅度地提高计算机系统的运行速度。 10.1.2 并行性的等级和分类 　　从不同的角度看，并行性可分为不同的类型。 　　1．从计算机系统处理数据的角度 　　从计算机系统处理数据的角度看，并行性等级由低到高，分别是位串字串(串行单处理机，无并行性)、位并字串(传统并行单处理机)、位片串字并、全并行。 　　2．从计算机信息加工的各个步骤和阶段的角度 　　从计算机信息加工的各个步骤和阶段的角度看，并行性等级可分为如下四种： 　　1) 存储器操作并行性 　　存储器操作并行性是指可采用单体多字、多体交叉存取等方式，在一个存储周期内访问多个字。如并行存储器和相连处理机。 　　2) 处理器操作步骤并行 　　处理器操作步骤并行是指指令处理器在执行取指令、分析指令、执行指令等过程中的并行。如流水线处理机。 　　3) 处理器操作并行 　　处理器操作并行是指为支持向量、数组运算，可以通过重复设置处理单元进行。如阵列并行处理机。 　　4) 指令、任务、作业的并行 　　这种并行称为高级并行，指令级以上并行是指多个处理机同时对多条指令及有关的数据进行处理。如多指令流多数据流多处理机、分布处理系统和计算机网络等。 　　3．从计算机系统中执行程序的角度 　　从计算机系统中执行程序的角度看，并行性等级由低到高，分别是指令内各微操作之间的并行、多条指令之间的并行、多个任务或进程之间的并行和多个作业或程序之间的并行。 　　4．从系统结构发展的角度 　　从系统结构发展来看，并行性等级由低到高，分别是高性能的单处理机、SIMD并行处理机、多处理机和多计算机系统、冯·诺依曼计算机。 　　按照Flynn分类法归纳的并行计算机体系结构如图10-1所示。 图10-1 并行计算机的Flynn分类图 10.1.3 开发并行性的途径 　　可通过多种技术途径来提高计算机系统的并行性。通常以时间重叠、资源重复和资源共享为开发并行性的三个主要途径。 　　1．时间重叠(Time Interleaving) 　　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，以加快硬件周转而赢得速度，如指令内部各操作步骤采用重叠流水的工作方式。一条指令的解释分为取指、分析、执行三大步骤，分别在相应的硬件上完成。只要不出现相关，则每过一个t时间，就可以流出结果，从而加快了程序的执行速度。这种时间重叠技术原则上不需要增加 ... ...