Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 9: Các kiến trúc song song

NKK-HUST

Kiến trúc máy tính

Chương 9

CÁC KIẾN TRÚC SONG SONG

Nguyễn Kim Khánh

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

2017

Kiến trúc máy tính

481

NKK-HUST

Nội dung học phần

Chương 1. Giới thiệu chung

Chương 2. Cơ bản về logic số

Chương 3. Hệ thống máy tính

Chương 4. Số học máy tính

Chương 5. Kiến trúc tập lệnh

Chương 6. Bộ xử lý

Chương 7. Bộ nhớ máy tính

Chương 8. Hệ thống vào-ra

Chương 9. Các kiến trúc song song

2017

Kiến trúc máy tính

482

NKK-HUST

Nội dung của chương 9

9.1. Phân loại kiến trúc máy tính

9.2. Đa xử lý bộ nhớ dùng chung

9.3. Đa xử lý bộ nhớ phân tán

9.4. Bộ xử lý đồ họa đa dụng

2017

Kiến trúc máy tính

483

NKK-HUST

9.1. Phân loại kiến trúc máy tính

Phân loại kiến trúc máy tính (Michael Flynn -1966)

n

SISD - Single Instruction Stream, Single Data Stream

SIMD - Single Instruction Stream, Multiple Data Stream

MISD - Multiple Instruction Stream, Single Data Stream

MIMD - Multiple Instruction Stream, Multiple Data Stream

2017

Kiến trúc máy tính

484

NKK-HUST

SISD

IS

DS

CU

PU

MU

n CU: Control Unit

n PU: Processing Unit

n MU: Memory Unit

n Một bộ xử lý

n Đơn dòng lệnh

n Dữ liệu được lưu trữ trong một bộ nhớ

n Chính là Kiến trúc von Neumann (tuần tự)

2017

Kiến trúc máy tính

485

NKK-HUST

SIMD

DS

PU₁

PU₂

LM₁

LM₂

IS

CU

.

DS

PU_n

LM_n

2017

Kiến trúc máy tính

486

NKK-HUST

SIMD (tiếp)

n Đơn dòng lệnh điều khiển đồng thời các

đơn vị xử lý PUs

n Mỗi đơn vị xử lý có một bộ nhớ dữ liệu

riêng LM (local memory)

n Mỗi lệnh được thực hiện trên một tập

các dữ liệu khác nhau

n Các mô hình SIMD

n

Vector Computer

Array processor

n

2017

Kiến trúc máy tính

487

NKK-HUST

MISD

n Một luồng dữ liệu cùng được truyền đến

một tập các bộ xử lý

n Mỗi bộ xử lý thực hiện một dãy lệnh

khác nhau.

n Chưa tồn tại máy tính thực tế

n Có thể có trong tương lai

2017

Kiến trúc máy tính

488

NKK-HUST

MIMD

n Tập các bộ xử lý

n Các bộ xử lý đồng thời thực hiện các

dãy lệnh khác nhau trên các dữ liệu

khác nhau

n Các mô hình MIMD

n

Multiprocessors (Shared Memory)

Multicomputers (Distributed Memory)

n

2017

Kiến trúc máy tính

489

NKK-HUST

MIMD - Shared Memory

Đa xử lý bộ nhớ dùng chung

(shared memory mutiprocessors)

IS

DS

CU₁

PU₁

CU₂

PU₂

Bộ nhớ

dùng

.

chung

IS

DS

CU_n

PU_n

2017

Kiến trúc máy tính

490

NKK-HUST

MIMD - Distributed Memory

Đa xử lý bộ nhớ phân tán

(distributed memory mutiprocessors or

multicomputers)

IS

DS

CU₁

PU₁

LM₁

Mạng

liên

kết

IS

DS

CU₂

PU₂

LM₂

hiệu

năng

cao

.

IS

DS

CU_n

PU_n

LM_n

2017

Kiến trúc máy tính

491

NKK-HUST

Phân loại các kỹ thuật song song

n Song song mức lệnh

n

pipeline

n

superscalar

n Song song mức dữ liệu

n

SIMD

n Song song mức luồng

n

MIMD

n Song song mức yêu cầu

n

Cloud computing

2017

Kiến trúc máy tính

492

NKK-HUST

9.2. Đa xử lý bộ nhớ dùng chung

n Hệ thống đa xử lý đối xứng (SMP-

Symmetric Multiprocessors)

n Hệ thống đa xử lý không đối xứng

(NUMA – Non-Uniform Memory Access)

n Bộ xử lý đa lõi (Multicore Processors)

2017

Kiến trúc máy tính

493

NKK-HUST

SMP hay UMA (Uniform Memory Access)

Shared

Private memory

Shared memory

CPU

memory

CPU

M

CPU

M

CPU

(c)

M

Cache

Bus

(a)

(b)

2017

Kiến trúc máy tính

494

NKK-HUST

SMP (tiếp)

n Một máy tính có n >= 2 bộ xử lý giống nhau

n Các bộ xử lý dùng chung bộ nhớ và hệ thống

vào-ra

n Thời gian truy cập bộ nhớ là bằng nhau với các

bộ xử lý

n Các bộ xử lý có thể thực hiện chức năng giống

nhau

n Hệ thống được điều khiển bởi một hệ điều hành

phân tán

n Hiệu năng: Các công việc có thể thực hiện song

song

n Khả năng chịu lỗi

2017

Kiến trúc máy tính

495

NKK-HUST

NUMA (Non-Uniform Memory Access)

CPU Memory

MMU

Local bus

System bus

n Có một không gian địa chỉ chung cho tất cả CPU

n Mỗi CPU có thể truy cập từ xa sang bộ nhớ của

CPU khác

n Truy nhập bộ nhớ từ xa chậm hơn truy nhập bộ

nhớ cục bộ

2017

Kiến trúc máy tính

496

NKK-HUST

Bộ xử lý đa lõi (multicores)

Issue logic

Single-thread register file

Program counter

Instruction fetch unit

n Thay đổi của bộ xử

Execution units and queues

L1 instruction cache

L1 data cache

L2 cache

lý:

(a) Superscalar

n

Tuần tự

Issue logic

Pipeline

Instruction fetch unit

L1 instruction cache

Execution units and queues

L1 data cache

Siêu vô hướng

Đa luồng

L2 cache

(b) Simultaneous multithreading

Đa lõi: nhiều CPU

trên một chip

L2 cache

(c) Multicore

2017

Kiến trúc máy tính

497

NKK-HUST

Các dạng tổ chức bộ xử lý đa lõi

CPU Core 1

L1-D L1-I

CPU Core n

CPU Core 1

CPU Core n

L1-D L1-I

L2 cache

L1-D L1-I

L2 cache

I/O

Main memory

I/O

Main memory

(b) Dedicated L2 cache

(a) Dedicated L1 cache

CPU Core 1

L1-D L1-I

CPU Core n

CPU Core 1

CPU Core n

L1-D L1-I

L2 cache

L1-D L1-I

L2 cache

L1-D L1-I

L2 cache

L3 cache

Main memory

I/O

(c) Shared L2 cache

(d ) Shared L3 cache

2017

Kiến trúc máy tính

498

NKK-HUST

Intel - Core Duo

n 2006

n Two x86 superscalar,

shared L2 cache

n Dedicated L1 cache

Thermal control

APIC

Thermal control

APIC

per core

Power management logic

n

32KiB instruction and

32KiB data

2 MB L2 shared cache

Bus interface

n 2MiB shared L2 cache

Front-side bus

2017

Kiến trúc máy tính

499

NKK-HUST

Intel Core i7-990X

Core 0

Core 1

Core 2

Core 3

Core 4

Core 5

32 kB 32 kB 32 kB 32 kB 32 kB 32 kB 32 kB 32 kB 32 kB 32 kB 32 kB 32 kB

L1-I L1-D

256 kB

L2 Cache

12 MB

L3 Cache

DDR3 Memory

Controllers

QuickPath

Interconnect

3

؋

8B @ 1.33 GT/s

4

؋

20B @ 6.4 GT/s

2017

Kiến trúc máy tính

500

Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 9: Các kiến trúc song song - Nguyễn Kim Khánh