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2009年下半年 上午试卷 综合知识
第 56 题
知识点 并行处理机   数据流   并行处理   指令  
关键词 处理机   大规模并行处理   计算机系统   数据   指令  
章/节 嵌入式系统的项目开发与维护知识   计算机体系结构  
 
 
指令流和数据流的组织关系,计算机系统的结构有以下不同类型,大规模并行处理MPP属于(56)结构。
 
  A.  SISD
 
  B.  SIMD
 
  C.  MISD
 
  D.  MIMD
 
 




 
 
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按指令流和数据流的组织关系,计算机系统的结构有以下不同类型,大规模并行处理机MPP属于(65)结构。

 
知识点讲解
· 并行处理机
· 数据流
· 并行处理
· 指令
 
        并行处理机
        SIMD和MIMD是典型的并行计算机,SIMD有共享存储器和分布存储器两种形式。
        在具有共享存储器的SIMD结构(如下图所示)中,将若干个存储器构成统一的并行处理机存储器,通过互联网络ICN为整个并行系统的所有处理单元共享。其中,PE为处理单元,CU为控制部件,M为共享存储器,ICN为互联网络。
        
        具有共享存储器的SIMD结构
        分布式存储器的SIMD处理机如下图所示,其中,PE为处理单元,CU为控制部件,PEM为局部存储器,ICN为互联网络。含有多个同样结构的处理单元,通过寻径网络ICN以一定的方式互相连接。
        
        具有分布存储器的SIMD结构
        分布存储器的并行处理机结构中有两类存储器,一类存储器附属于主处理机,主处理机实现整个并行处理机的管理,在其附属的存储器内常驻操作系统;另一类是分布在各个处理单元上的存储器(即PEM),这类存储器用来保存程序和数据。在阵列控制部件的统一指挥下,实现并行操作。程序和数据通过主机装入控制存储器。通过控制部件的是单指令流,所以指令的执行顺序还是和单处理机一样,基本上是串行处理。指令送到控制部件进行译码。划分后的数据集合通过向量数据总线分布到所有PE的本地存储器PEM。PE通过数据寻径网络互连。数据寻径网络执行PE间的通信。控制部件通过执行程序来控制寻径网络。PE的同步由控制部件的硬件实现。
 
        数据流
        数据流由一组固定成分的数据组成,表示数据的流向。在DFD中,数据流的流向可以有以下几种:从一个加工流向另一个加工;从加工流向数据存储(写);从数据存储流向加工(读);从外部实体流向加工(输入);从加工流向外部实体(输出)。
        DFD中的每个数据流用一个定义明确的名字表示。除了流向数据存储或从数据存储流出的数据流不必命名外,每个数据流都必须有一个合适的名字,以反映该数据流的含义。
        数据流或者由具体的数据属性(也称为数据结构)构成,或者由其他数据流构成。组合数据流是由其他数据流构成的数据流,它们用于在高层的数据流图中组合相似的数据流,以使数据流图更便于阅读。
        控制流是对数据流图的补充,采用虚线表示,是对由触发系统功能的事件进行描述。
        另外,一个加工可以有多个输入数据流和多个输出数据流,此时可以加上一些扩充字符符号或图形元素来描述多个数据流之间的关系。如:
        (1)星号(*)。星号表示数据流之间存在“与”关系。如果是输入流则表示所有输入数据流全部到达后才能进行加工处理;如果是输出流则表示加工结束将同时产生所有的输出数据流。
        (2)加号(+)。加号表示数据流之间存在“或”关系。如果是输入流则表示其中任何一个输入数据流到达后就能进行加工处理;如果是输出流则表示加工处理的结果是至少产生其中一个输出数据流。
        (3)异或(⊕)。异或表示数据流之间存在“互斥”关系。如果是输入流则表示当且仅当其中一个输入流到达后才能进行加工处理;如果是输出流则表示加工处理的结果是仅产生这些输出数据流中的一个。
 
        并行处理
        本节主要介绍几种多处理机系统。
        (1)超级标量处理机。在超级标量处理机中,配置了多个功能部件和指令译码电路,采取了多条流水线,还有多个寄存器端口和总线,因此可以同时执行多个操作,以并行处理来提高机器速度。它可以同时从存储器中取出几条指令同时送入不同的功能部件。超级标量机的硬件是不能重新安排指令的前后次序的,但可以在编译程序时采取优化的办法对指令的执行次序进行精心安排,把能并行执行的指令搭配起来。
        (2)超级流水线处理机。超级流水线处理机的周期比其他结构的处理机短。与超级标量计算机一样,硬件不能调整指令的执行次序,而由编译程序解决优先问题。
        (3)超长指令字处理机。超长指令字处理机是一种单指令流多操作码多数据的系统结构,编译程序在编译时把这个能并行执行的操作组合在一起,成为一条有多个操作段的超长指令,由这条超长指令控制计算机中多个互相独立的功能部件,每个操作段控制一个功能部件,相当于同时执行多条指令。
        (4)向量处理机。向量处理机是一种具有向量数据表示、并设置有相应的指令和硬件、能对向量的各个元素进行并行处理的计算机。当进行向量运算时,它的性能要比大型机好得多。向量处理机有巨型计算机和向量协处理机(或称为数组处理机)两种类型,巨型计算机能对大量的数据进行浮点运算,同时它还是可以进行标量计算和一般数据处理的通用计算机。向量处理机一般采用流水线工作,当它处理一条数组指令时,对数组中的每个元素执行相同的操作,而且各元素间是互相无关的,因此流水线不会阻塞,能以每个时钟周期送出一个结果的速度运行。为了存储系统能及时提供数据,向量处理器配有一个大容量的、分成多个模块交错工作的主存储器。为了提高运算速度,在向量处理机的运算部件中可采用多个功能部件,例如向量部件、浮点部件、整数运算部件和计算地址用的地址部件。向量协处理机是专门处理浮点和向量运算的数组处理机,它连接到主机总线上。
        (5)多处理机系统。多处理机具有两个或两个以上的处理机,共享I/O子系统,在操作系统统一控制下,通过共享主存或高速通信网络进行通信,协同求解一个个复杂的问题。多处理机通过利用多台处理机进行多任务处理来提高速度,利用系统的重组能力来提高可靠性、适应性和可用性。多处理机结构具有共享存储器和分布存储器两种不同的结构。具有共享存储器的多处理机中,程序员无数据划分的负担,编程容易;系统处理机数目较少,不易扩充。具有分布式存储器的多处理机结构灵活;容易扩充;难以在各个处理单元之间实现复杂数据结构的数据传送;任务动态分配复杂;现有软件可继承性差;需要设计新的并行算法。多处理机系统属于MIMD系统,与SIMD的并行处理机相比,有很大的差别。其根源就在于两者的并行性的层次不同,多处理机要实现的是更高一层的作业任务间的并行。
        (6)大规模并行处理机。并行处理机有时也称为阵列处理机。并行处理机使用按地址访问的随机存储器,以SIMD方式工作。主要用于要求大量高速进行向量矩阵运算的应用领域。并行处理机制并行性来源于资源重复,把大量相同的处理单元通过互联网连接起来,在统一的控制器控制下,对各自分配来的数据并行完成同一条指令所规定的操作。并行处理机有两种基本结构类型:采用分布式存储器的并行处理结构和采用集中式共享存储器的并行处理结构。分布式存储器的并行处理结构中,每一个处理机都有自己局部的存储器,只要控制部件将并行处理的程序分配至各处理机,它们便能并行处理,各自从自己的局部存储器中取得信息。而共享存储多处理结构中的存储器是集中共享的,由于多个处理机共享,在各处理机访问共享存储器时会发生竞争。因此,需采取措施尽可能避免竞争的发生。MPP是由众多的微处理器(从几百到上万)组成的大规模的并行系统。MPP的出现成为计算机领域中一个研发热点,被用作开发万亿次甚至更高速的巨型机的主要结构。MPP可以采用市场上的出售的RISC处理器,所以有很高的性价比。
        (7)对称多处理机。SMP目前也基于RISC微处理器。它与MPP最大的差别在于存储系统。SMP有一个统一共享主存空间,而MPP则是每个微处理器都拥有自己的本地存储器。
        按多处理机之间连接的紧密程度,多机系统可分为紧耦合系统和松耦合系统两种。
        紧耦合系统又称为直接耦合系统,是指各处理机之间通过互连网络共享内存。紧耦合多机系统由P台处理机、m个存储器模块、d个I/O通道和3个互联网络构成。处理机-存储器网络实现处理机与各存储模块的连接。处理机中断信号网络实现多处理机之间的互连。处理机-I/O互联网络实现处理机与外设的连接。每个处理机可自带局部存储器,也可自带Cache。存储器模块可采用流水工作方式。紧耦合多机系统多用于并行作业中的多任务,一般处理机是同构的。例如,SMP属于紧耦合多机系统。
        松耦合系统又称为间接耦合系统,是指各处理机间通过共享I/O子系统、通道或通信线路实现机间通信,不共享内存。松耦合多处理机由P个处理机、1个通道、1个仲裁开关和消息传送系统。构成每个处理机带有一个局部存储器和一组I/O设备。在仲裁开关的通道中有高速通信存储,用来缓冲传送的信息块。松散耦合多处理机较适合粗粒度的并行计算。例如,MPP属于松耦合多机系统。
 
        指令
        指令是指挥计算机完成各种操作的基本命令。
        (1)指令格式。计算机的指令由操作码字段和操作数字段两部分组成。
        (2)指令长度。指令长度有固定长度的和可变长度的两种。有些RISC的指令是固定长度的,但目前多数计算机系统的指令是可变长度的。指令长度通常取8的倍数。
        (3)指令种类。指令有数据传送指令、算术运算指令、位运算指令、程序流程控制指令、串操作指令、处理器控制指令等类型。



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