KIẾN TRÚC MÁY TÍNH TIÊN TIẾN pdf

Bài giảng Hệ thống máy tính Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 1 8 September 2009 1 NKK-HUT Hệ thống máy tính Chương 5 KIẾN TRÚC MÁY TÍNH TIÊN TIẾN Nguyễn Kim Khánh Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 8 September 2009 2 NKK-HUT Nội dung học phần  Chương 1. Giới thiệu chung  Chương 2. Kiến trúc bộ nhớ  Chương 3. Kiến trúc vào-ra  Chương 4. Kiến trúc bộ xử lý  Chương 5. Kiến trúc máy tính tiên tiến 8 September 2009 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 3 NKK-HUT  5.1. Phân loại kiến trúc máy tính  5.2. Máy tính vector và bộ xử lý mảng  5.3. Một số kiến trúc MIMD thông dụng  5.4. Bộ xử lý đa lõi Nội dung 8 September 2009 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 4 NKK-HUT 5.1. Phân loại kiến trúc máy tính  Phân loại của Michael Flynn (1966)  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 Bài giảng Hệ thống máy tính Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 2 8 September 2009 5 NKK-HUT SISD  CU: Control Unit  PU: Processing Unit  MU: Memory Unit  Một bộ xử lý  Đơn dòng lệnh  Dữ liệu được lưu trữ trong một bộ nhớ  Chính là Kiến trúc von Neumann 8 September 2009 6 NKK-HUT SIMD 8 September 2009 7 NKK-HUT SIMD (tiếp)  Đơn dòng lệnh điều khiển đồng thời các phần tử xử lý PE (processing elements)  Mỗi phần tử xử lý có một bộ nhớ dữ liệu riêng LM (local memory)  Mỗi lệnh được thực hiện trên một tập các dữ liệu khác nhau  Các mô hình SIMD  Vector Computer  Array processor 8 September 2009 8 NKK-HUT MISD  Một luồng dữ liệu cùng được truyền đến một tập các bộ xử lý  Mỗi bộ xử lý thực hiện một dãy lệnh khác nhau.  Chưa tồn tại máy tính thực tế  Có thể có trong tương lai Bài giảng Hệ thống máy tính Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 3 8 September 2009 9 NKK-HUT MIMD  Tập các bộ xử lý  Các bộ xử lý đồng thời thực hiện các dãy lệnh khác nhau trên các dữ liệu khác nhau  Các mô hình MIMD  Multiprocessors (Shared Memory)  Multicomputers (Distributed Memory) 8 September 2009 10 NKK-HUT MIMD - Shared Memory 8 September 2009 11 NKK-HUT MIMD - Distributed Memory 8 September 2009 12 NKK-HUT 5.2. Máy tính vector và bộ xử lý mảng  Thuộc loại SIMD  Data parallelism in time = vector processing  Data parallelism in space = array processing Bài giảng Hệ thống máy tính Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 4 8 September 2009 13 NKK-HUT Phép toán trên vector Bộ xử lý tuần tự: for i = 0 to 63 do P[i] := W[i] × D[i] endfor Bộ xử lý vector: load W load D P := W × D store P for i = 0 to 63 do X[i+1] := X[i] + Z[i] Y[i+1] := X[i+1]+Y[i] endfor Không xử lý song song được 8 September 2009 14 NKK-HUT Thực hiện bộ xử lý vector Function unit 1 pipeline To and from m emory unit From scalar registers Vector register file Function unit 2 pipeline Function unit 3 pipeline Forwarding muxes Load unit A Load unit B Store unit 8 September 2009 15 NKK-HUT Ví dụ bộ xử lý mảng Control broadcast Parallel I/O Processor array Control Switches 8 September 2009 16 NKK-HUT 5.3. Một số kiến trúc MIMD thông dụng 1.SMP (Symmetric Multiprocessors) Bài giảng Hệ thống máy tính Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 5 8 September 2009 17 NKK-HUT SMP (tiếp)  Một máy tính có n >= 2 bộ xử lý giống nhau  Các bộ xử lý dùng chung bộ nhớ và hệ thống vào-ra  Thời gian truy cập bộ nhớ là bằng nhau với các bộ xử lý  Tất cả các bộ xử lý chia sẻ truy nhập vào-ra  Các bộ xử lý có thể thực hiện chức năng giống nhau  Hệ thống được điều khiển bởi một hệ điều hành phân tán 8 September 2009 18 NKK-HUT Ưu điểm của SMP  Hiệu năng  Các công việc có thể thực hiện song song  Tính sẵn dùng  Các bộ xử lý có thể thực hiện các chức năng giống nhau, vì vậy lỗi của một bộ xử lý sẽ không làm dừng hệ thống  Khả năng mở rộng  Người sử dụng có thể tăng hiệu năng bằng cách thêm bộ xử lý 8 September 2009 19 NKK-HUT 2. Cluster  Nhiều máy tính được kết nối với nhau bằng mạng liên kết tốc độ cao (~ Gbps)  Mỗi máy tính có thể làm việc độc lập  Mỗi máy tính được gọi là một node  Các máy tính có thể được quản lý làm việc song song theo nhóm (cluster)  Toàn bộ hệ thống có thể coi như là một máy tính song song 8 September 2009 20 NKK-HUT Cluster (tiếp)  Dễ dàng xây dựng và mở rộng  Tính sẵn sàng cao  Khả năng chịu lỗi  Giá thành rẻ với hiệu năng cao Bài giảng Hệ thống máy tính Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 6 8 September 2009 21 NKK-HUT Cluster of PCs 8 September 2009 22 NKK-HUT Cluster of SMPs 8 September 2009 23 NKK-HUT Ví dụ: Hệ thống máy chủ Google (12/ 2000)  Cluster of PCs  Hơn 6.000 bộ xử lý  Hệ thống lưu trữ dùng RAID: có 12.000 đĩa cứng ~ 1petabyte (1triệu GB)  2 site ở Silicon Valley, 1site ở Virginia  Mỗi site được kết nối với Internet qua OC48 (2488Mbps) 8 September 2009 24 NKK-HUT 5.4. Bộ xử lý đa lõi (multicores)  Thay đổi của bộ xử lý:  Tuần tự  Pipeline  Siêu vô hướng  Đa luồng  Đa lõi Bài giảng Hệ thống máy tính Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 7 8 September 2009 25 NKK-HUT Các dạng tổ chức bộ xử lý đa lõi 8 September 2009 26 NKK-HUT Intel - Core Duo (1)  2006  Two x86 superscalar, shared L2 cache  Dedicated L1 cache per core  32KB instruction and 32KB data  Thermal control unit per core  Manages chip heat dissipation  Maximize performance within constraints  Improved ergonomics  Advanced Programmable Interrupt Controlled (APIC)  Inter-process interrupts between cores  Routes interrupts to appropriate core  Includes timer so OS can interrupt core 8 September 2009 27 NKK-HUT Intel - Core Duo (2)  Power Management Logic  Monitors thermal conditions and CPU activity  Adjusts voltage and power consumption  Can switch individual logic subsystems  2MB shared L2 cache  Dynamic allocation  MESI support for L1 caches  Extended to support multiple Core Duo in SMP  L2 data shared between local cores or external  Bus interface 8 September 2009 28 NKK-HUT Intel Core Duo (3) Bài giảng Hệ thống máy tính Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 8 8 September 2009 29 NKK-HUT Intel x86 Multicore Organization - Core i7  November 2008  Four x86 SMT processors  Dedicated L2, shared L3 cache  Speculative pre-fetch for caches  On chip DDR3 memory controller  Three 8 byte channels (192 bits) giving 32GB/s  No front side bus  QuickPath Interconnection  Cache coherent point-to-point link  High speed communications between processor chips  6.4G transfers per second, 16 bits per transfer  Dedicated bi-directional pairs  Total bandwidth 25.6GB/s 8 September 2009 30 NKK-HUT Intel Core i7 8 September 2009 31 NKK-HUT ARM11 MPCore Block Diagram 8 September 2009 32 NKK-HUT Hết chương 5 . chung  Chương 2. Kiến trúc bộ nhớ  Chương 3. Kiến trúc vào-ra  Chương 4. Kiến trúc bộ xử lý  Chương 5. Kiến trúc máy tính tiên tiến 8 September 2009 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 3 NKK-HUT . Phân loại kiến trúc máy tính  5.2. Máy tính vector và bộ xử lý mảng  5.3. Một số kiến trúc MIMD thông dụng  5.4. Bộ xử lý đa lõi Nội dung 8 September 2009 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 4 NKK-HUT 5.1 Bài giảng Hệ thống máy tính Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 1 8 September 2009 1 NKK-HUT Hệ thống máy tính Chương 5 KIẾN TRÚC MÁY TÍNH TIÊN TIẾN Nguyễn Kim Khánh Trường Đại học Bách