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并行处理计算机系统与多处理机系统的分类

本文介绍了并行处理计算机系统的分类,MIMD系统的优点,多处理机系统的分类,各类别的特点与应用领域

多处理机系统分类

具有能同时执行多个任务或多条指令或同时对多个数据项进行处理的计算机系统通称为并行处理计算机系统,包括阵列计算机、向量计算机、多处理机系统和多计算机系统。

按照前面讲到的Flynn分类法,计算机系统分成四类,即:单指令流单数据流SISD系统、单指令流多数据流SIMD系统、多指令流单数据流MISD系统和多指令流多数据流MIMD系统。阵列计算机和向量计算机属于SIMD系统,它们通过使用多个处理器同时对多个数据进行处理,从而提高机器的数据处理能力,这类机器对于数组或向量运算具有较高的性能,常用于如图像处理、具有向量化运算的科学计算领域等。

多处理机系统和多计算机系统都属于MIMD系统,但相比较而言,两者具有很大的不同之处。多处理机系统是指两个或两个以上处理机通过高速互连网络连接起来,在统一的操作系统管理下,实现指令以上级(任务级、作业级)并行。多计算机系统则是由多个独立的计算机组成,它们通过某种方式连接起来,实现并行处理或计算。一般来讲,多计算机系统属于松耦合系统,构成系统的可以是独立的计算机;而多处理机系统更多属于紧耦合系统,各处理机既独立又联系紧密,如通过共享存储器互连等。

从目前的实际应用看,MIMD系统是并行处理计算机系统中的主流,而多处理机系统又在MIMD系统中占据了主导地位。
MIMD之所以能成为现代高性能计算机系统的主流体系结构,是因为:
(1)灵活性好。通过适当的软硬件支持,MIMD可以用作单用户机器,针对一个应用程序发挥其高性能;也可以用作多道程序机器,同时运行多个任务;还可以是这两种功能的组合。
(2)性价比好。MIMD可以充分利用商品化微处理器在性能价格比方面的优势。实际上,现有的多处理机系统几乎都采用与工作站和单处理机服务器相同的微处理器作为其处理器。

根据多处理机系统的组成结构来分,现有的多处理机系统主要包括:对称式共享存储器结构多处理机系统 SMP(Symmetric shared-memory MultiProcessor)、分布式共享存储器结构多处理机系统DSM(Distributed Shared Memory)和大规模并行处理机MPP(Massively Parallel Processor)等。

1.对称多处理机SMP
通常SMP系统使用商品微处理器(具有片上或外置高速缓存)作为其处理机,它们经由互联网络与一个共享存储器互连。共享存储器可以被所有处理器通过互联网络进行访问,就如同一个单处理器访问它的存储器一样。所有处理器对任何存储单元有相同的访问时间。互联网络可以是单总线、多总线或者是交叉开关。因为对共享存储器的访问是平衡的,每个处理器有相等的机会读/写存储器,也有相同的访问速度,故这类系统就称为对称多处理机SMP。因为这种对称多处理器的存储器是共享的,所以又称为共享存储器多处理机系统。 SMP系统的体系结构如图8-21所示。


对称式共享存储器结构多处理机系统SMP
图8-21 对称式共享存储器结构多处理机系统SMP

对称多处理器的优点是并行度高。因为系统是对称的,每个处理器可等同的访问共享存储器、I/O设备和操作系统服务。这种对称使得系统能开拓较高的并行度。但因为共享存储器,系统总线的带宽是有限的,就限制了系统中的处理器不能太多(一般少于64个),同时总线和交叉开关互连一旦做成也难于扩展。

2.分布式共享存储器多处理机DSM
分布式共享存储器多处理机DSM具有分布的物理存储器。为支持更大数目的处理机,存储器必须分布到各个处理机上,而非集中式,否则存储器系统将不能满足处理机带宽的要求。系统将物理上分散的各台处理机所拥有的局部存储器在逻辑上统一编址,形成一个统一的虚拟地址空间,以实现存储器的共享。其存储器采用Cache 目录表来支持分布高速Cache的一致性。系统中每个结点包含了处理机、存储器、I/O以及互连网络接口。DSM系统的体系结构如图8-22所示。
分布式共享存储器结构多处理机系统DSM
图8-22 分布式共享存储器结构多处理机系统DSM

将存储器分布到各结点有两个好处:第一,如果大多数的访问是针对本结点的局部存储器,则可降低对存储器和互连网络的带宽要求;第二,对局部存储器的访问延迟低。

DSM和SMP的主要差别是:SMP中的处理机没有自己的局部存储器,系统的存储器是由所有处理机所共享;而 DSM将存储器在物理上分布到各处理机中,并进行统一编址,形成一个共享的虚拟存储器。随着处理器性能的迅速提高和处理器对存储器带宽的要求不断提高,在甚至较小规模的多处理机系统中,采用分布式存储器结构也优于采用对称式共享存储器结构。
3. 大规模并行处理机MPP

庞大的数据量、异常复杂的运算、极不规则的数据结构和极高的处理速度,这些是高科技应用领域对计算机和通信网络在计算、处理和通信性能上不断提出的更高的要求;尤其是科学计算中的重大课题都要求计算机系统能提供3T性能,即Teraflops计算能力, Terabyte主存储器,Terabyte/s 输入输出频带宽度;于是伴随着VLSI技术和微处理技术的发展,大规模并行处理机(MPP)就成了20世纪80年代中期计算机发展的热点。

MPP一般是指超大型(Very Large-Scale )并行计算机系统,大规模并行处理需要有新的计算方法、存储技术、处理手段和结构组织方式。实现的方法是将数百乃至数千个高性能、低成本的RISC微处理器用专门的互联网络互联,组成大规模并行处理机(MPP)。这种处理机可进行中粒度和细粒度大规模并行处理,构成SIMD或MIMD系统。其优点在于它具有高性价比,并且可扩展性很好。
MPP一般具有如下特性:
(1)处理节点采用商品微处理器;
(2)系统中有物理上的分布存储器;
(3)采用高通信带宽和低延迟的互连网络(专门设计和定制的);
(4)能扩放至成百上千个处理器;
(5)它是一种异步的MIMD机器,程序系由多个进程组成,每个都有其私有地址空间,进程间采用传递消息相互作用。

大规模并行处理机(MPP)系统采用的关键技术主要是VLSI、可扩展技术和共享虚拟存储技术;其适用的领域主要是科学计算、工程模拟和信号处理等以计算为主的一些重大课题和领域。比如全球气候预报、基因工程、飞行动力学、海洋环流、流体动力学、超导建模、半导体建模、量子染色动力学、视觉等。

http://online.ncu.edu.cn/eol/jpk/course/preview/materials_folder_txtrtfview.jsp?resId=121911092&parentId=121906989&columnId=1247