2007年度考试计算机系统结构第9章精讲

　　本章讲述的重点内容就是阵列处理机和多处理机，对阵列机的基本结构、主要特点、以及阵列机的互连网络和并行存储器的无冲突访问等内容要加强理解。本章应掌握的概念有：阵列处理机、网络拓扑结构、单级立方体网络、多级立方体网等。

　　一、并行处理技术（识记）：

　　并行性主要是指同时性或并发性，并行处理是指对一种相对于串行处理的处理方式，它着重开发计算过程中存在的并发事件。

　　并行性通常划分为作业级、任务级、例行程序或子程序级、循环和迭代级以及语句和指令级。作业级的层次高，并行处理粒度粗。粗粒度开并行性开发主要采用MIMD方式，而细粒度并行性开发则主要采用SIMD方式。

　　开发计算机并行性的方法主要有：资源重复、时间重叠和资源共享三种方法。

　　二、SIMD并行计算机（阵列处理机）

　　阵列机也称并行处理机。它将大量重复设置的处理单元按一定方式互连成阵列，在单一控制部件CU（Contrul Unit）控制下对各自所分配的不同数据并行执行同一指令规定的操作，是操作并行的SIMD计算机。它采用资源重复的措施开发并行性。是以SIMD（单指令流多数据流）方式工作的。

　　1、阵列机的基本结构（识记）

　　阵列机通常由一个控制器CU、N个处理器单元PE（Processing Element）、M个存储模块以及一个互连网络部件（IN）组成。根据其中存储器模块的分布方式，阵列机可分为两种基本结构：分布式存储器的阵列机和共享存储器的阵列机（理解二者不同之处）。

　　阵列机的主要特点：

　　它采用资源重复的方法引入空间因素，这与利用时间重叠的流水线处理机是不一样的。它是利用并行性中的同时性而不是并发性，所有的处理单元必须同时进行相同操作（资源重复同时性）（我们想象一下亚运会的开幕式大型团体操表演，每个人就是一个PE，他们听从一个总指挥的指令，同时进行自己的操作，很快地就能"计算"出一个结果（队形）来。）

　　它是以某类算法为背景的专用计算机，基本上是专用于向量处理的计算机（某类算法专用机）。

　　阵列机的研究必须与并行算法研究密切结合，以使它的求解算法适应性更强一些，应用面更广一些（并行算法合研究）。

　　陈列机实质上是由专门对付数据组运算的处理单元阵列组成的处理机（M个PE）、专门从事处理单元阵列的控制及标量处理机（控制器CU）和专门从事系统输入输出操作及操作系统管理的处理机三部分构成的一个异构型多处理机系统（三个部分成异构）。

　　2、阵列机的并行算法（领会）

　　阵列机的算法是与结构紧密联系在一起的，阵列机上常用的算法有矩阵计算、图象处理等，我们对教材中举的两种算法要领会，特别是累加和递归操作，不难理解。它就是使各个处理器同时进行加的操作，但并不是全部处理器都参加运算，在处理时，根据累加计算的需要，由控制器CU借助屏蔽的方式将一部分PE设置成不活动的状态。这种累加操作的速度提高倍数是N/log2N倍。

　　3.典型的SIMD计算机

　　对图9.6要加以领会，对于ILLIAC-IV的互连方式，若给你N个PE，请你画出各个PE 的连接，行不行？这种阵列中，任意两个单元之间的最短距离不超过根号N减去1步。这种计算机就是前面说的分布式存储器了阵列处理机。

　　另一种典型结构BSP结构。它的主要特点是将资源重复和时间重复结合起来开发并行性。这种结构就是集中式共享存储器的阵列处理机。

　　4.SIMD计算机的互连网络（简单应用）

　　在阵列机中，各个处理单元和存储模块之间都要经过网络交换信息。衡量互连网络性能好坏的主要因素是它的连接度、延时性、带宽、可靠性和成本。好象我们现在用的互联网，没有一项性能指标令人满意呀。

　　设计互连网时应考虑的四个特征是：

　　通信工作方式：有同步、异步及同/异步组合等三种。阵列机都采用同步工作方式，也就是各种命令的广播和并行操作都由统一的时钟加以同步控制。

　　控制策略：集中和分散两种。SIMD阵列机一般采用集中控制。

　　交换方式：线路交换和分组交换（又称包交换）以及线路/包交换组合三种。SIMD一般采用线路交换

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