计算机组成原理 408-5-7

# 多处理器系统的基本概念

# 单指令流单数据流 (SISD) 结构

SISD 是传统的串行计算机结构，这种计算机通常仅包含一个处理器和一个存储器，处理器在一段时间内仅执行一条指令，按指令流规定的顺序串行执行指令流中的若干条指令。为了提高速度，有些 SISD 计算机采用流水线的方式，因此，SISD 处理器有时会设置多个功能部件，并采用多模块交叉方式组织存储器。

特性：

• 各指令序列只能并发、不能并行，每条指令处理一个两个数据
• 不是数据级并行技术

硬件组成：

• 一个处理器 + 一个主存储器
• 若采用指令流水线，需设置多个功能部件，采用多模块交叉存储器

# 单指令流多数据流 (SIMD) 结构

SIMD 是指一个指令流同时对多个数据流进行处理，一般称为数据级并行技术，这种结构的计算机通常由一个指令控制部件、多个处理单元组成。每个处理单元虽然都执行的是一条指令，但每个单元都有自己的地址寄存器，这样每个单元都有不同的数据地址，因此，不同处理单元执行的同一条指令所处理的数据是不同的。一个顺序应用程序编译后，可能按 SISD 组织并运行于串行硬件上，也可能按 SIMD 组织并运行于并行硬件上。该结构适合处理 for 循环处理数组，不适合处理 case 或 switch 结构

特性：

• 各指令序列只能并发、不能并行，但每条指令可同时处理很多个数据
• 是一种数据级并行技术

硬件组成：

• 一个指令控制部件 (CU)+ 多个处理单元 / 执行单元 (如 ALU)+ 多个局部存储器 + 一个主存储器
• 每个执行单元有各自的寄存器组、局部存储器、地址存储器
• 不同执行单元执行同一条指令，处理不同的数据

# 多指令流单数据流 (MISD) 结构

MISD 是指同时执行多条指令，处理同一个数据，实际上不存在这样的计算机。

# 共享存储多处理器系统 (MIMD)

例如：Intel i5,i7 处理器

特性：

• 各指令序列并行执行，分别处理多个不同的数据
• 是一种线程级并行、甚至是线程级以上并行的技术

进一步分类：

• 多处理系统
  • 特性：各处理器之间，可以通过 LOAD/STORE 指令，访问一个主存储器，可通过主存相互传送数据
  • 硬件组成：
    • 一台计算机内，包含多个处理器 + 一个主存储器
    • 多个处理器共享单一的物理地址空间
• 多计算机系统
  • 特性：各计算机之间，不能通过 LOAD/STORE 指令直接访问对方的存储器，只能通过 "消息传递" 相互传送数据
  • 硬件组成：
    • 由多台计算机组成，因此拥有多个处理器 + 多个主存储器
    • 每台计算机拥有各自的私有存储器，物理地址空间相互独立

# 向量处理机 (SIMD 思想的进阶应用)

特性：

• 一条指令的处理对象是向量
• 擅长对向量型数据并行计算、浮点数运算，常被用于超级计算机中，处理科学研究中巨大运算量

硬件组成：

• 多个处理单元，多组 "向量寄存器"
• 主存储器采用 "多个端口同时读取" 的交叉多模块存储器
• 主存储器大小限定了机器的解题规模，因此要有大容量的、集中式的主存储器

# 共享内存多处理器 (SMP)

多处理器系统 (简称)

• 多个处理器共享一个主存储器
• 多个处理器共享单一的地址空间，都可以通过 LOAD、STORE 指令访问共享的主存储器

# 多核处理器

• 一个 CPU 芯片中包含了多个处理器，即多个核，因此通常也称为片级多处理器
• 所有核共享一个 LLC (Last-Level Cache)，并共享主存储器

# 硬件多线程的基本概念