第12章_并行计算机体系结构
简述现代计算机的分类和特点
简述现代计算机的分类和特点现代计算机的分类和特点计算机是人类社会发展的产物，它的发展影响了人们的工作、学习和生活方式。
如今，计算机已经成为了不可或缺的工具，广泛应用于各个领域。
下面我将详细介绍现代计算机的分类和特点。
一、按用途分类1. 个人计算机（PC）：个人计算机是一种小型计算机，适合个人使用。
它常见于家庭和办公场所，用于处理文档、上网、娱乐等。
PC具有便携、高效、易用的特点，是大众化的计算机体系。
2. 服务器：服务器是一种专门用于存储和处理大量数据的计算机。
它通常具有高效的运算能力和存储容量，用于建立和管理网络、承担网站的数据交互和存储等功能。
3. 超级计算机：超级计算机是一种具备极高计算速度和处理能力的计算机。
它通常用于科学计算、气象预测、大型模拟等领域，可以迅速解决复杂的计算问题。
二、按体系结构分类1. 冯·诺伊曼体系结构：冯·诺伊曼体系结构是现代计算机的统一标准，它包括计算器、存储器、算术逻辑单元、输入输出设备等基本组件。
该体系结构的特点是具有存储程序能力，程序和数据在同一存储器中存放，并且通过电子信号进行传输和处理。
2. 并行体系结构：并行体系结构是指计算机系统中同时进行多个计算任务的能力。
这种体系结构的特点是可以同时处理多个任务，提高计算效率。
在科学计算和大数据处理中，广泛应用并行计算。
3. 分布式体系结构：分布式体系结构是指计算机系统通过网络连接多台计算机，共同完成任务的能力。
分布式计算具有高性能、高可靠性和高扩展性等特点，广泛用于云计算、大规模并行处理等领域。
三、特点和发展趋势1. 小型化：随着科技的发展，计算机体积越来越小，性能逐渐提升。
如今，人们可以轻松携带便携式电脑、智能手机等小型计算设备。
2. 多功能：现代计算机不仅可以完成计算任务，还可以进行文字处理、图像处理、音频视频播放等多种功能，满足了人们不同的需求。
3. 高效性：计算机的运算速度越来越快，存储容量逐渐增加。
《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 》
最新版读书笔记，下载可以直接修改
思维导图PPT模板
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
《计算机组成原理》课后习题答案
第1章计算机组成原理考试大纲第一章计算机体系结构和计算机组成冯。
诺伊曼体系的特点Amdahl定律第二章数制和数制转换各种码制的表示和转换浮点数的表示补码加减法布思算法浮点数的加减法海明码的计算练习：5，6，7，8，101、已知X=19，Y=35，用布思算法计算X×Y和X×(-Y)。
2、使用IEEE 754标准格式表示下列浮点数：-5，-1.5，1/16，-6，384，-1/32。
3、已知X=-0.1000101×2-111，Y=0.0001010×2-100。
试计算X+Y，X-Y，X×Y和X/Y。
4、某浮点数字长12位，其中阶符1位，阶码数值3位，尾符1位，尾数数值7位，阶码和尾数均用补码表示。
它所能表示的最大正数是多少？最小规格化正数是多少？绝对值最大的负数是多少？5、求有效信息位为01101110的海明码校验码。
第三章练习：5解释下列概念：PROM，EPROM，E2PROM，Flash memory，FPGA，SRAM和DRAM。
第四章总线的分类总线操作周期的四个传输阶段总线仲裁的概念及其分类异步通信方式的种类总线的最大传输率第五章存储器的分类存储容量的扩展RAID的概念、特点以及分类Cache的地址映射Cache的写策略Cache的性能分析3C练习：4，5，71．一个容量为16K×32位的存储器，其地址线和数据线的总和是多少?用下列存储芯片时，各需要多少片?1K×4位，2K×8位，4K×4位，16K×l位，4K×8位，8K×8位2．现有1024×l的存储芯片，若用它组成容量为16K×8的存储器。
(1)实现该存储器所需的芯片数量?(2)若将这些芯片分装在若干块板上，每块板的容量为4K×8，该存储器所需的地址线总数是多少?几位用于选片?几位用作片内地址?(3)画出各芯片的连接逻辑图。
并行处理与体系结构
哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院
29
其特点： 它有一个开放的体系结构以及与系统其他
部分衔接的标准接口。 它是市售产品，若它不具有版权则更好。 它有多家供应商，在公开市场大批量供应。 它相对成熟，已为许多人使用相当长时间，
且已完成必要的排错。
有效地利用更大并行性，即如何为扩大 的系统进行编程。
哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院
8
（2）资源扩展
增加处理器数不是唯一方式。
保持处理器数不变；
通过增加更多存储容量、更大的芯 片外高速缓存以及更大容量磁盘等 方法来扩展系统。
哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院
9
例题：IBM SP2中的存储器需求
哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院
24
POE特点：
支持一个并行程序无需任何修改就能在 由RS6000结点机构成的任何网络中运行
结点可以是一个低端PowerPC工作站，可 以是一个高端SP2宽结点。
这些结点能由任何普通互联网络，从慢 速以太网到SP2的高性能开关(HPS)，加 以连接。
MPI基于4个相互正交的主要概念：
数据类型 通信操作 通信子 虚拟拓扑
4者的任何组合均是有效的。
哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院
34
完全的独立起到了事半功倍效果：
少数简单概念，组合在一起时能提供许 多功能。
为较早期的超立方体计算机而开发的许 多并行算法显式地使用超立方体的互连 拓扑，但在网络连接系统中，它们并不 适用。
体系结构的拥有者(通常是供应商)允许 用户或第3方了解体系结构；
用户可自己制造与体系结构兼容的组件， 甚至修改或重新加以设计；
计算机体系结构完整讲义ppt课件
• 计算机的更新换代
– 第一代：电子管计算机 – 第二代：晶体管计算机
硬件设计公理： 越小越快
– 第三代：中小规模集成电路
– 第四代：大或超大规模集成电路
– 第五代：VLSI(甚大规模集成电路)
计算机性能的大幅度提高和更新换代，一方面依靠 器件的不断更新，同时也依赖系统结构的不断改进。
30
二 按计算机系统成本分类
• 是对计算机系统中各机器级之间界面的划 分和定义，以及对各级界面上、下的功能 进行分配
– 1964年，IBM/360系列机的总设计工程师G.M. Amdahl、G.A. Blauw、F.P. Brooks等人提出。 也称体系结构。
– 是从程序员的角度所看到的系统的属性，是 概念上的结构和功能上的行为
• 1.2.2 计算机系统的设计方法
• ---软硬件舍取的基本原则 • ---计算机系统设计者的主要任务 • ---计算机系统设计的基本方法 （三种）
• 计算机语言：是用以描述控制流程的、 有一定规则的字符集合
– 语言不是专属软件范畴，可以介属于计算机 系统的各个层次，具有不同作用
4
1.1.1计算机系统的多级层次结构
从使用语言的角度上，将计算机系统 看成按功能划分的多级层次结构
机器、汇编、高级、应用语言
低级
高级
后者比前者功能更强、使用更方便；
而前者是后者发展的基础，在单条指令的 执行速度相比较，前者更快。
•第1章 •第2章 •第3章 •第4章 •第5章 •第6章
计算机系统设计基础 数据表示与指令系统性能分析 流水技术和向量处理 阵列计算机 多处理机系统 数据流计算机
1
第1章 计算机系统设计基础
• 1.1 计算机系统的基本概念 • 1.2 计算机系统的设计技术 • 1.3 计算机系统的性能评价 • 1.4 计算机系统结构的发展
计算机体系结构试题及答案
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。
并行处理与体系结构
通信协议独立于通信硬件：如以太网 或HPS，都允许使用标准IP协议或IBM 专用用户空间协议。
哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院
33
例题： MPI及超立方体计算机
消息传递接口(MPl)是使用少量独立(正交)语 言特征的佳例。
随着附加处理器的增多，系统性能会 有多大改进。
哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院
14
例如，假定一个有n个处理器的系统， 作数据库服务器用
它拥有美国人口数据库，通常有100位 美国科学家查询，其性能为每秒1000个 事务处理(TPS)。
现在如果我们将处理器数加倍成2n，能 期望速度有多少改进?期望是多少？
所增加的资源中，处理器最为常见； 也可能是存储器容量和I／O容量。
哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院
15
（2）问题规模可扩展性
是指系统在处理更大数据量和工作负载的 更大求解问题时其性能如何。
例如： 仍以上述的数据库服务器为例，如果该服
务器上装有中国人口的数据库，则此服务 器的服务质量将会如何? 注意到此数据库的大小已增至原来的5
实际系统总有一个最大存储器容量 的上限。例如：
IBM SP2中的每个结点最多可容纳2GB 存储器；
CrayT3D为64MB。
哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院
12
（3）软件可扩展性
包括：
操作系统的一个新版本，它具有更多功 能性，如多线程，从而可支持更多的用 户进程，更大的地址空间以及更高效的 内核功能等。
哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院64哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院65哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院666419哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院67哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院68例如高位存储器扩充存储器和扩展存储器哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院69考虑到代的可扩展性ibmrs6000smp作了过度设计第一代的smp基于powerpc601处理器
并行计算体系结构
8
最新的TOP500计算机
12:12
9
最新的TOP500计算机
12:12
10
来自Cray的美洲豹“Jaguar”，凭借1.75 PFlop/s(每秒1750万亿 次)的计算能力傲视群雄。“Jaguar”采用了224162个处理器核 心
12:12
2
结构模型
共享内存/对称多处理机系统(SMP)
PVP：并行向量机
单地址空间 共享存ess) SMP：共享内存并行机（ Shared Memory Processors ）。多个处理器通过交叉开关 （Crossbar）或总线与共享内存互连。
来自中国的曙光“星云”系统以1271万亿次/s的峰值速度名列 第二
• 采用了自主设计的HPP体系结构、高效异构协同计算技术
• 处理器是32nm工艺的六核至强X5650，并且采用了Nvidia Tesla C2050 GPU做协处理的用户编程环境；
异构体系结构 专用 通用
TOP500中85%的系统采用了四核处理器，而有5%的系统已经使
12:12
6
Cluster：机群系统
Cluster(Now,Cow)： 群集系统。将单个节点，用商业网 络 ：Ethernet，Myrinet，Quadrics， Infiniband，Switch等连结起来形成群 集系统。
• 每个节点都是一个完整的计算机 （SMP或DSM），有自己磁盘和操 作系统
系统在物理上分布、逻辑上共享。各结点有
自己独立的寻址空间。
• 单地址空间 、分布共享
• NUMA（ Nonuniform Memory Access ）
并行计算的基本原理
并行计算的特点
为利用并行计算，通常计算问题表现为以下特征： 为利用并行计算，通常计算问题表现为以下特征： （1）将工作分离成离散部分，有助于同时解决； ）将工作分离成离散部分，有助于同时解决； （2）随时并及时地执行多个程序指令； ）随时并及时地执行多个程序指令； （3）多计算资源下解决问题的耗时要少于单个计算资源下的耗时。 ）多计算资源下解决问题的耗时要少于单个计算资源下的耗时。 并行计算是相对于串行计算来说的， 并行计算是相对于串行计算来说的，所谓并行计算分为时间上的并行和 空间上的并行。 时间上的并行就是指流水线技术， 空间上的并行。 时间上的并行就是指流水线技术，而空间上的并行则是指用 多个处理器并发的执行计术语（2)
Shared Memory（共享内存）： ）：完全从硬件的视角来描述计算机体系 （共享内存）： 结构，所有的处理器直接存取通用的物理内存（基于总线结构）。在 编程的角度上来看，他指出从并行任务看内存是同样的视图，并且能 够直接定位存取相同的逻辑内存位置上的内容，不管物理内存是否真 的存在。 Symmetric Multi-Processor（对称多处理器）： ）：这种硬件体系结构 （对称多处理器）： 是多处理器共享一个地址空间访问所有资源的模型；共享内存计算。 Distributed Memory（分布式存储）： ）：从硬件的角度来看，基于网络 （分布式存储）： 存储的物理内存访问是不常见的。在程序模型中，任务只能看到本地 机器的内存，当任务执行时一定要用通信才能访问其他机器上的内存 空间。 Communication：并行任务都需要交换数据。有几种方法可以完成， ： 例如：共享内存总线、网络传输，然而不管用什么方法，真实的数据 交换事件通常与通信相关。 Synchronization：实时并行任务的调度通常与通信相关。总是通过 ： 建立一个程序内的同步点来完成，一个任务在这个程序点上等待，直 到另一个任务到达相同的逻辑设备点是才能继续执行。同步至少要等 待一个任务，致使并行程序的执行时间增加。
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
互连网络概述
并行计算机的通信体系结构是系统的核心
两个层次：底层的互连网络；上层的语言、软件工具 包、编译器、操作系统等提供的通信支持。 定义：按一定拓扑结构和控制方式构成的网络以实现 计算机系统内部多个处理机或多个功能部件间的相互 连接。 与计算机网络在工作原理、概念以及术语上有许多相 同或相似之处；并且某些并行计算机系统中的互连网 络就是高速以太网和ATM网络。 CPU、内存模块、接口、链路和交换结点
PU
…
MM
PU
DSn
SIMD
8
MISD体系结构
多个处理单元，各配有相应的控制单元。各个处理单元 接收不同的指令，多条指令同时在一份数据上进行操作。 这种计算机体系结构是一种比较奇怪的组合，这已经被 证明是不可能至少是不实际的，目前为止还不存在这种 类型的计算机。
DS IS1 MM … IS2 CU1 PU1
地址空间可以通过一个物理上共享的存储器来实现，也可以 通过分布式存储器并在硬件和软件的支持下实现。
多计算机系统——基于消息传递
每个处理器有自己的存储器，该存储器只能被该处理器访问
而不能被其它处理器直接访问，这种存储器称为局部存储器 或私有存储器。 当处理器A需要向处理器B传送数据时，A把数据以消息的形式 发送给B。
4 层 的 二 叉 树
25
树形网络的扩展
这两种结构都可以缓解根结点的瓶颈问题
带 环 树
二 叉 胖 树
26
静态互连网络
星形网络
星形网络实际上是一种二层树（如右图）。有N个结 点的星形网络，有N - 1条链路，直径为2，最大结 点度为N - 1，非对称，等分宽度为N/2 。
27
静态互连网络
二维网格
大规模并行处理，Java语言，分 布式操作系统，万维网，网格。
3
计算机系统结构的发展方向
第一个是改变冯.诺依曼机器的串行执行模式
超标量、超流水线、超长指令字计算机（执行多条指令） 多处理机系统（共享集中或分布式存储器） 多计算机系统（PC或工作站组成的机群系统） 数据驱动方式：操作数到位即可运算，无序执行 需求驱动方式：一个操作仅在需要时才启动，无序执行 模式匹配驱动方式：计算的进行是由谓词模式匹配来驱动的，主 要用于非数值型应用，主要对象为符号
指令流 是指机器执行的指令序列； 数据流 是由指令流调用的数据序列，包括输入数据和中间结果； 多倍性 是指在系统最受限制的部件上，同时处于同一执行阶段的指
令或数据的最大数目。 指令流 1个 1个 多个 多个 数据流 1个 多个 1个 多个 名称 SISD SIMD MISD MIMD 举例 传统的冯.诺依曼计算机 向量计算机，阵列处理机 目前还没有 多处理机，多计算机
11
其他的分类方法
并行计算机系统发展的原因
应用的需求永远是并行计算机系统发展的动力。
随着计算机应用的普及和深入，人们对计算机性能的 要求也越来越高。例如科学计算、工程和工业设计等 都需要高性能计算。 芯片的速度不可能无限地提高，并行计算机可以处理 越来越复杂的问题。芯片的速度要受到光速的制约， 但芯片的集成度还有发展的空间。
有N个结点的rr 网，有2N - 2r 条链路，直径为 2(r-1)，结点度 为4，非对称， 等分宽度为r。 其中
r
N
28
静态互连网络
二维环形网
有N个结点的rr网， 有2N条链路，直径 为2r/2，结点度 为4，对称。
UMA
COMA
NUMA
MPP
COW
总线
交换结构
CC-NUMA
NC-NUMA
网格
超立方体 消息传递
共享内存
图13.4 并行计算机的分类
13
并行计算机系统的分类
SIMD体系结构
向量计算机
可以在一个向量的每个元素上执行相同的操作，一
般来说向量处理机是以流水线式ALU为核心，实现 向量各个元素的并行计算采用的是时间重叠技术。
大量商品化的处理器的出现为设计并行计算机系 统提供了可能。 并行计算机系统获得快速发展和处理机间通信技 术的发展密不可分。
12
并行计算机系统的分类
按照Flynn分类法归纳的并行计算机体系结构图谱
计算机系统结构
SISD 冯.诺依曼 向量 计算机
SIMD
MISD ? 阵列 计算机
MIMD
多处理机
多计算机
阵列计算机
这类计算机采用资源重复方法引入空间因素，即在
系统中设置多个相同的处理单元来开发并行性。此 外，它是利用并行性中的同时性，所有处理单元必 须同时进行相同操作。
14
并行计算机系统的分类
MIMD体系结构
多处理机系统——基于共享存储器
系统中只有唯一的地址空间，所有的处理器共享该地址空间。 唯一的地址空间并不意味着在物理上只有一个存储器。共享
22
静态互连网络
带弦环
对图中12个结点的带弦 双向环 结点度为3：链路数为 18，直径4（比如红色 结点），度为3，不对 称，等分宽度为2。 结点度为4：链路数为 24，直径3（比如红色 结点），度为4，对称， 等分宽度为8。
度 为 3 的 带 弦 环
度 为 4 的 带 弦 环
23
静态互连网络
MIMD
10
计算机系统结构的分类方法
Flynn分类法的局限
分类的对象主要是控制驱动方式下的串行处理和并行处理计算机。 对于非控制驱动方式的计算机，就不适合采用Flynn分类法； 把两个不同等级的功能并列对待，通常，数据流受指令流控制从 而造成MISD不存在； 分类太粗，对流水线处理机的划分不明确，标量流水线为SISD， 向量流水线为SIMD。 美籍华人冯泽云教授在1972年提出了按最大并行度来定量描述各 种计算机系统的冯氏分类法。 Wolfgan Handler在冯氏分类法的基础上，于1977年根据并行度 和流水线提出了另外一种分类法。 1978年由 D. J. Kuck提出按控制流和执行流分类。
格的一种大致划分。 存在问题：只能对同时期的计算机大致分类，划分的 标准是随时间而变化，每５年左右降低一个等级；另 外，这种划分方法不能反映机器的系统结构特征。 设计方法： 最高性能 特殊用途 最佳性能价格比 一般商用计算机 最低价格 家用计算机等
5
计算机系统结构的分类方法
1966年，Michael.J.Flynn提出按指令流和数据流的多倍性 对计算机系统结构进行分类。
软件和应用
机器语言或汇编语言。单用户。 用CPU程序控制I/O。
晶体管和磁芯存储器。用印制电 第二代 有编译程序支持的高级语言，子 路互连。变址寄存器，浮点运算； （1955～1964） 程序库，批处理监控程序。 多路存储器，I/O处理机。 中小规模集成电路。多层印制电 第三代 路。微程序设计，流水线，高速 （1965～1974） 缓存，先行处理机。 多道程序设计，分时操作系统， 多用户应用。
6
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。
IS
CU PU DS MM
第12章
并行计算机体系结构
本章主要内容
并行计算机系统结构概述 计算机系统结构的发展方向 计算机系统结构的分类方法 并行计算机系统的互连网络 互连网络的基本概念 互连网络的分类
静态网络 动态网络
2
计算机系统结构的发展历程
硬件技术和系统结构
电子管和继电器。单CPU，以程 第一代 序计数器PC和累加器顺序完成定 （1945～1954） 点运算。
19
互连网络的参数
结点度：与结点相连接的边数，表示节点所需要的端口
数，根据链路到结点的方向，结点度可以进一步表示为： 结点度 = 入度 + 出度，其中入度是进入结点的链路数， 出度是从结点出来的链路数。 链路的长度：链路中包含的边数 距离：连接两个结点的链路中所包括的最少边数。 网络直径：网络中任意两个结点间距离的最大值。 网络规模：网络中结点数，表示该网络功能连结部件的 多少。 等分宽度：某一网络被切成相等的两半时，沿切口的最 小边数称为该网络的等分宽度。 对称性：从任何结点看，拓扑结构都一样，这种网络实 现和编程都很容易。
第二个是改变冯.诺依曼机器的控制驱动方式
第一个发展方向已经取得了重大进展，取得了一系列的成 果。而第二个发展方向，大多数还属于探索、研究阶段， 还需要进行大量的工作。
4
计算机系统结构的分类方法
过去曾普遍将计算机系统分为巨、大、中、小、 微型机五类。
划分原则：这种方法是按照规模、性能、速度以及价
17
设计和分析互连网络的几个重要问题
互连网络的拓扑结构
互连网络的拓扑结构描述了链路和交换结点是如何组 织安排的。拓扑结构可以用图来表示，链路用边表示， 交换结点用结点表示。 交换结点所做的工作就是接收到达输入端口的分组然 后把分组发送到正确的输出端口，具有多种不同的工 作方式。
互连网络的寻径方式
IS2
ISn
CU2
PU2
…
MM CUn PUn
9
MISD
MIMD体系结构
同时有多个处理单元，并且每个处理单元都配有相应的 控制单元。各个处理单元可以接收不同的指令并对不同 的数据流进行操作。大多数现代的并行计算机都属于这 一类，多处理机系统和多计算机系统都是MIMD型的计算 机系统。