并行计算机体系结构技术与分析(杨晓东,陆松,牟胜梅著)思维导图
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《计算机体系结构基础 第3版 》读书笔记思维导图
编委会名单
丛书序言
第3版自序
第2版自序
第一部分 引言
01
1.1 计算 机体系结构 的研究内容
02
1.2 衡量计 算机的指标
03
1.3 计算 机体系结构 的发展
04
1.4 体系 结构设计的 基本原则
06
习题
05
1.5 本章 小结
第二部分 指令系统结构
第3章 特权指令系 统
第2章 指令系统
4.2 六种常见 2
的上下文切换 场景
3
4.3 同步机制
4
4.4 本章小结
5
习题
第三部分 计算机硬件结构
第6章 计算机总线 接口技术
第5章 计算机组成 原理和结构
第7章 计算机系统 启动过程分析
01
5.1 冯·诺 依曼结构
02
5.2 计算机 的组成部件
04
5.4 处理 器和IO设 备间的通信
06
习题
03
5.3 计算 机系统硬件 结构发展
05
5.5 本章 小结
6.1 总线概述 6.2 总线分类
6.3 片上总线 6.4 内存总线
6.5 系统总线 6.6 设备总线
6.7 本章小结 习题
01
7.1 处理 器核初始化
02
7.2 总线接 口初始化
03
7.3 设备 的探测及驱 动加载
04
7.4 多核 启动过程
《计算机体系结构基础 第3版 》
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本书关键字分析思维导图
小结
处理器 指令系统
核 性能
发展
接口
计算机
13并行计算机体系结构
最高性能 最佳性能价格比 最低价格
特殊用途 一般商用计算机 家用计算机等
6
价 格
最佳性能价格比 最高性能 巨型机 大型机 等性能线 中型机
小型机
最低价格 微型机
( 超微型机 )
t-3
t-2
t-1
t
t+1
时期
7
计算机原理及系统结构
第五十三讲
主讲教师：赵宏伟
学时：64
第13章
并行计算机体系结构
18
并行性、可扩展性和可编程性
并行性（Parallelism）的基本概念
并行性是指在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或 两种以上的工作。 并行性还可以进一步分为同时性和并发性，前者指同 一时刻发生的并行性，后者指同一时间间隔内发生的 并行性。 粗、中、细三种不同的并行粒度，共享内存的多处理 机系统用于细粒度和中粒度并行计算，而消息传递型 多计算机系统用于中粒度和粗粒度并行计算。
并行的粒度问题
P335
19
并行性、可扩展性和可编程性
硬件资源的可扩展性（Scalability）
是指通过增加处理器数目、投入更多的存储器部件（高速缓存、 主存、磁盘等），从而使系统具有更高的性能或功能。 由于多处理机和多计算机主要是以资源重复手段实现并行处理的， 因此它们是可扩展系统。而且，松散耦合的多计算机系统的可扩 展性要好于紧密耦合的多处理机系统。
1个 1个 多个 多个
MIMD 多处理机，多计算机
10
SISD体系结构
处理器串行执行指令；或者处理器内采用指令流水线， 以时间重叠技术实现了一定程度上的指令并行执行；甚 至于处理器是超标量处理器，内有几条指令流水线实现 了更大程度上的指令并行执行。但它们都是以单一的指 令流从存储器取指令，以单一的数据流从存储器取操作 数和将结果写回存储器。
特殊用途 一般商用计算机 家用计算机等
6
价 格
最佳性能价格比 最高性能 巨型机 大型机 等性能线 中型机
小型机
最低价格 微型机
( 超微型机 )
t-3
t-2
t-1
t
t+1
时期
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计算机原理及系统结构
第五十三讲
主讲教师：赵宏伟
学时：64
第13章
并行计算机体系结构
18
并行性、可扩展性和可编程性
并行性（Parallelism）的基本概念
并行性是指在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或 两种以上的工作。 并行性还可以进一步分为同时性和并发性，前者指同 一时刻发生的并行性，后者指同一时间间隔内发生的 并行性。 粗、中、细三种不同的并行粒度，共享内存的多处理 机系统用于细粒度和中粒度并行计算，而消息传递型 多计算机系统用于中粒度和粗粒度并行计算。
并行的粒度问题
P335
19
并行性、可扩展性和可编程性
硬件资源的可扩展性（Scalability）
是指通过增加处理器数目、投入更多的存储器部件（高速缓存、 主存、磁盘等），从而使系统具有更高的性能或功能。 由于多处理机和多计算机主要是以资源重复手段实现并行处理的， 因此它们是可扩展系统。而且，松散耦合的多计算机系统的可扩 展性要好于紧密耦合的多处理机系统。
1个 1个 多个 多个
MIMD 多处理机，多计算机
10
SISD体系结构
处理器串行执行指令；或者处理器内采用指令流水线， 以时间重叠技术实现了一定程度上的指令并行执行；甚 至于处理器是超标量处理器，内有几条指令流水线实现 了更大程度上的指令并行执行。但它们都是以单一的指 令流从存储器取指令，以单一的数据流从存储器取操作 数和将结果写回存储器。
并行计算机体系结构PPT课件
虚拟存储器的TLB用高速芯片组成
17
二、Amdahl定律
*基本思想：优化某部件所获得的系统性能的改善程度，取 决于该部件被使用的频率，或所占总执行时间的比例
S T0
p
Te
1
(1
fe
)
fe re
*举例：某功能处理时间占系统时间的40%，将其处理速度加
快10倍后，整个系统性能提高多少？ Sp
10
解—已知fe=0.4，re=10，利
23
*特点：吞吐率与I/O软硬件组织方式及OS有很大关系； 能够反映软硬件系统对多任务的响应能力
*提高吞吐率方法： 流水化--使多个作业流水处理； 并行处理--给每个PE分配多个作业，各PE相互协调
3、利用率 *定义：利用率＝持续性能÷峰值性能 *特点：不直接表示系统性能，与前两种指标有密切关系； 对系统性能优化及结构改进起着至关重要的作用！
A系统 B系统
得到性能可扩放性曲线 1
n
影响因素—结构、处理器数、问题规模、存储系统等
25
二、性能评价与比较
1、评价技术
(1)分析技术 *思路：在一定假设条件下，计算机系统参数与性能指标间
存在着某种函数关系，按其工作负载的驱动条件列出方程，用 数学方法求解后评价
*发展：从脱离实际的假设发展到近似求解 近似求解算法—聚合法、均值分析法、扩散法等
2
二、参考教材
1、并行计算机体系结构，陈国良等著，高等教育出版社， ISBN 7-04—11558-1，2002.9
2、并行计算机体系结构，David E.Culler等著，李晓明等译， 机械工业出版社，ISBN 7-111-07888-8，2002.10
3、可扩展并行计算—技术、结构与编程，黄铠、徐志伟著，陆 鑫达等译，机械工业出版社，2000.5
17
二、Amdahl定律
*基本思想：优化某部件所获得的系统性能的改善程度，取 决于该部件被使用的频率，或所占总执行时间的比例
S T0
p
Te
1
(1
fe
)
fe re
*举例：某功能处理时间占系统时间的40%，将其处理速度加
快10倍后，整个系统性能提高多少？ Sp
10
解—已知fe=0.4，re=10，利
23
*特点：吞吐率与I/O软硬件组织方式及OS有很大关系； 能够反映软硬件系统对多任务的响应能力
*提高吞吐率方法： 流水化--使多个作业流水处理； 并行处理--给每个PE分配多个作业，各PE相互协调
3、利用率 *定义：利用率＝持续性能÷峰值性能 *特点：不直接表示系统性能，与前两种指标有密切关系； 对系统性能优化及结构改进起着至关重要的作用！
A系统 B系统
得到性能可扩放性曲线 1
n
影响因素—结构、处理器数、问题规模、存储系统等
25
二、性能评价与比较
1、评价技术
(1)分析技术 *思路：在一定假设条件下，计算机系统参数与性能指标间
存在着某种函数关系，按其工作负载的驱动条件列出方程，用 数学方法求解后评价
*发展：从脱离实际的假设发展到近似求解 近似求解算法—聚合法、均值分析法、扩散法等
2
二、参考教材
1、并行计算机体系结构，陈国良等著，高等教育出版社， ISBN 7-04—11558-1，2002.9
2、并行计算机体系结构，David E.Culler等著，李晓明等译， 机械工业出版社，ISBN 7-111-07888-8，2002.10
3、可扩展并行计算—技术、结构与编程，黄铠、徐志伟著，陆 鑫达等译，机械工业出版社，2000.5
中科大-并行计算讲义-并行计算机系统与结构模型PPT文档共37页
中科大-并行计算讲义-并行计算机系 统与结构模型
11、不为五斗米折腰。 12、芳菊开林耀，青松冠岩列。怀此 贞秀姿 ，卓为 霜下杰 。
13、归去来兮，田蜀将芜胡不归。 14、酒能祛百虑，菊为制颓龄。 15、春蚕收长丝，秋熟靡王税。
谢谢你的阅读
❖ 知识就是财富 ❖ 丰富你的人生
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
第11章并行计算机体系结构简介
11.3.3 集群机系统Cluster
1. Cluster简介
计算机体系结构的研究就是当时的超级计 算机的研究，超级计算机共经历了五代。第 一代为早期的单芯片系统，第二代为向量处 理系统，第三代为大规模并行处理系统，第 四代为共享内存处理系统，第五代为集群系 统，目前全球五百强超级计算机排名已经有 半数以上是集群式系统。
第三代计算机（MPP）与第五代计算机:
相同：（Cluster）在体系结构上是同构的，同属 于分布式内存处理方式（DMP—Distributed Memory Processing）
差别：是否采用物美价廉的普通商品组件。MPP 与Cluster从互连角度看，区别在于MPP使用专 用高性能互连网络，而Cluster使用商用网络。 从CPU角度看MPP要用单独设计的高性能处理 器，而Cluster采用高性能成品处理器，从价格 方面看，MPP比Cluster要贵的多。
• 多计算机系统特点：每个CPU都有自己的内存，即自 己独立的物理地址空间；执行自己的操作系统，再加 上对外通信的通信处理器。
• 图11－4a和图11－4b分别说明了多处理器系统与多计 算机系统的区别。
多处理器系统特点：软件设计简单，易 实现，硬件设计比较复杂。
多计算机系统特点：正好相反。
图11－4a 多处理器系统
MESI协议是一种比较常用的写回Cache一致性协议，它 是用协议中用到的四种状态的首字母（M、E、S、I） 来命名的。目前，Pentium 4和许多其他的CPU都使用了 MESI协议来监听总线。每个Cache项都处于下面四种状 态之一：
（1）无效（Invalid）——该Cache项包含的数据无效。
每个CPU都带有Cache，当同时操作内存中某 一块数据时，会出现Cache一致性问题。例如， CPU1与CPU2同时读取内存中一块数据到自己的 Cache中，CPU1先对Cache内容进行了修改，此 后CPU2读自己Cache中数据就已成为旧内容，因 为CPU1修改自己的Cache后还没有写回内存，而 CPU2读的数据相对CPU1来讲是旧数据。解决 Cache一致性问题有两种方法，一种是监听型的 Cache（本书不再详述，请查阅有关书籍），另 一种是“MESI”Cache一致性协议。
并行计算系统体系结构概述
§Technology Trends
h
26.10.2020
4
Scientific Computing Demand
§ Ever increasing demand due to need for more accuracy, higher-level modeling and knowledge, and analysis of exploding amounts of data
efficiency), § Aeronautics (airflow analysis, engine efficiency,
structural mechanics, electromagnetism), § Computer-aided design § Pharmaceuticals (molecular modeling) § Visualization
h
26.10.2020
7
Drivers of Parallel Computing
§Application Needs §Technology Trends
h
26.10.2020
h
26.10.2020
2
1 并行计算机系统及结构模型
§ 1.1 并行计算需求 § 1.2 并行计算机系统互连
§ 1.2.1 系统互连 § 1.2.2 静态互联网络 § 1.2.3 动态互连网络 § 1.2.4 标准互联网络
§ 1.3 并行计算机系统结构
§ 1.3.1 并行计算机结构模型 § 1.3.2 并行计算机访存模型
h
26.10.2020
5
Engineering Computing Demand
§ Large parallel machines a mainstay in many industries
h
26.10.2020
4
Scientific Computing Demand
§ Ever increasing demand due to need for more accuracy, higher-level modeling and knowledge, and analysis of exploding amounts of data
efficiency), § Aeronautics (airflow analysis, engine efficiency,
structural mechanics, electromagnetism), § Computer-aided design § Pharmaceuticals (molecular modeling) § Visualization
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Drivers of Parallel Computing
§Application Needs §Technology Trends
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1 并行计算机系统及结构模型
§ 1.1 并行计算需求 § 1.2 并行计算机系统互连
§ 1.2.1 系统互连 § 1.2.2 静态互联网络 § 1.2.3 动态互连网络 § 1.2.4 标准互联网络
§ 1.3 并行计算机系统结构
§ 1.3.1 并行计算机结构模型 § 1.3.2 并行计算机访存模型
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Engineering Computing Demand
§ Large parallel machines a mainstay in many industries
计算机体系结构第5章_并行处理技术
第5章 并行处理技术
3.累加和并行算法
对于累加和这样的递归操作，为了加快并行计算，常采用递归折叠方法。
一般而言，对于在P个处理单元上实现P个元素累加求和，需要折叠 log2 P 次，并行相加 log2 P 次，并行传送数据的次数根据各PE间互连网络的拓扑结构 不同而有很大差异。设加法1次所需的时间为t加，并行相加的总次数为n，数据 在两个相邻处理单元之间传送一次所需的时间为t传，并行传送数据的总次数为 x，则并行处理所需的总的时间为：nt加+ xt传 。
在设计互连网络时应考虑以下的四个特征： 1.通信工作方式 通信工作方式可分为同步和异步两种。 2.控制策略 控制策略分为集中和分散两种。 3.交换方式 交换方式分为线路交换和分组交换两种。 4.网络拓扑 网络拓扑分为静态和动态两种。
第5章 并行处理技术
5.3.2 互连函数的表示 互连函数----互连函数描述的是各处理单元之间或处理单元与共享主存
(1)若处理单元的个数P＜n2
第5章 并行处理技术
第5章 并行处理技术
下面分析这种并行算法的计算时间和通信时间。 ①计算时间 用Pij计算Cij时，需要对(n/m×n/m)阶子矩阵中的每个元素cij进行n次乘法 和n次加法 ，故Pij的运行时间为： n/m×n/m×n×(t乘+t加)=n3/m2×(t乘+t加)
(3)∵ t乘、t加和tw 均为一个指令周期，ts忽略不计，n=64，m=8 ∴ 整个矩阵乘算法所需的总的运行时间为： TP =n3/m2×(t乘+t加)+ 2(mts + n2/m×tw) =643/82×(1+1)+2(0+642/8×1) =9216(指令周期)
第5章 并行处理技术
计算思维和思维导图专题培训课件
发展史
O计算思维的提出 2006年3月，现任美国基金会计
算机和信息科学与工程部主任的周以真
教授，首次提出了计算思维的概念，并为此撰写 了针对大学所有新生的“计算思维”讲义，并以此作 为“怎样像计算机科学家一样思维”课程的主要教材。
O计算思维这一概念提出后，立即得到美国教育界的 广泛支持，也引起了欧洲的极大关注。目前，计算思 维是当前国际计算机界广为关注的一个重要概念，也 是当前计算机教育需要重点研究的课题。
O 这种思维将成为每一个人的技能组合成分，而不仅仅限于科 学家。普适计算之于今天就如计算思维之于明天。普适计算 是已成为今日现实的昨日之梦，而计算思维就是明日现实。
思维导图
概念
O 思维导图又叫心智图，是表达发射性思维的 有效的图形思维工具。是有效的思维模式， 应用于记忆、学习、思考等的思维“地图”， 有利于人脑的扩散思维的展开。
O 当我们必须求解一个特定的问题时，首先会问：解决这个 问题有多么困难？怎样才是最佳的解决方法？计算机科学 根据坚实的理论基础来准确地回答这些问题。表述问题的 难度就是工具的基本能力，必须考虑的因素包括机器的指 令系统、资源约束和操作环境。
O为了有效地求 解一个问题， 我们可能要进 一步问：一个
O 抽象和分解 来迎接庞杂的任务或者 设计巨大复杂的系统。它是关注的分 离（SOC方法）。它是选择合适的方式 去陈述一个问题，或者是选择合适的 方式对一个问题的相关方面建模使其 易于处理。它是利用不变量简明扼要 且表述性地刻画系统的行为。它使我 们在不必理解每一个细节的情况下就 能够安全地使用、调整和影响一个大 型复杂系统的信息。它就是为预期的 未来应用而进行的预取和缓存。
O 2010年7月19日至20日，北京大学等九所知名高 校在西安交通大学举办了“C9高校联盟计算机 基础课程研讨会”。教育部高等学校计算机基 础课程教学指导委员会主任陈国良院士亲临大 会，作了“计算思维能力培养研究”的报告。 大会就增强大学生计算思维能力的培养发表了 “C9高校联盟计算机基础教学发展战略联合声 明”。