Bài giảng Hệ thống máy tính: Chương 5 - Nguyễn Kim Khánh

Bài giảng Hệ thống máy tính: Chương 5 - Nguyễn Kim Khánh giới thiệu đến các bạn các kiến thức về phân loại kiến trúc máy tính, máy tính Vector và bộ xử lý mảng, một số kiến trúc MIMD thông dụng, bộ xử lý đa lõi. Để nắm vững hơn nội dung kiến thức bài giảng mời các bạn cùng tham khảo tài liệu.

Bài giảng Hệ thống máy tính NKK-HUT NKK-HUT Hệ thống máy tính Nội dung học phần „ Chương KIẾN TRÚC MÁY TÍNH TIÊN TIẾN „ „ „ „ Chương Giới thiệu chung Chương Kiến trúc nhớ Chương Kiến trúc vào-ra Chương Kiến trúc xử lý Chương Kiến trúc máy tính tiên tiến Nguyễn Kim Khánh Trường Đại học Bách khoa Hà Nội September 2009 NKK-HUT September 2009 NKK-HUT Nội dung 5.1 Phân loại kiến trúc máy tính „ „ „ „ „ September 2009 5.1 Phân loại kiến trúc máy tính 5.2 Máy tính vector xử lý mảng 5.3 Một số kiến trúc MIMD thông dụng 5.4 Bộ xử lý đa lõi Bài giảng Kiến trúc Máy tính Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN Phân loại 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 September 2009 Bài giảng Kiến trúc Máy tính Bài giảng Hệ thống máy tính NKK-HUT NKK-HUT SIMD SISD „ „ „ „ „ „ „ CU: Control Unit PU: Processing Unit MU: Memory Unit Một xử lý Đơn dòng lệnh Dữ liệu lưu trữ nhớ Chính Kiến trúc von Neumann September 2009 NKK-HUT September 2009 NKK-HUT SIMD (tiếp) „ „ „ „ MISD Đơn dòng lệnh điều khiển đồng thời phần tử xử lý PE (processing elements) Mỗi phần tử xử lý có nhớ liệu riêng LM (local memory) Mỗi lệnh thực tập liệu khác Các mơ hình SIMD „ „ „ „ „ „ Một luồng liệu truyền đến tập xử lý Mỗi xử lý thực dãy lệnh khác Chưa tồn máy tính thực tế Có thể có tương lai Vector Computer Array processor September 2009 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN September 2009 Bài giảng Hệ thống máy tính NKK-HUT NKK-HUT MIMD „ „ „ MIMD - Shared Memory Tập xử lý Các xử lý đồng thời thực dãy lệnh khác liệu khác Các mơ hình MIMD „ „ Multiprocessors (Shared Memory) Multicomputers (Distributed Memory) September 2009 NKK-HUT September 2009 10 NKK-HUT MIMD - Distributed Memory 5.2 Máy tính vector xử lý mảng „ Thuộc loại SIMD „ „ September 2009 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 11 September 2009 Data parallelism in time = vector processing Data parallelism in space = array processing 12 Bài giảng Hệ thống máy tính NKK-HUT NKK-HUT Thực xử lý vector Phép toán vector Bộ xử lý vector: for i = to 63 P[i] := W[i] × D[i] endfor load W load D P := W × D store P for i = to 63 X[i+1] := X[i] + Z[i] Y[i+1] := X[i+1]+ Y[i] endfor From scalar registers Function unit pipeline Load unit A To and from memory unit Bộ xử lý tuần tự: Không xử lý song song Load unit B Function unit pipeline Vector register file Function unit pipeline Store unit Forwarding muxes September 2009 13 NKK-HUT September 2009 14 NKK-HUT Ví dụ xử lý mảng Control Processor array Control broadcast September 2009 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 5.3 Một số kiến trúc MIMD thông dụng 1.SMP (Symmetric Multiprocessors) Switches Parallel I/O 15 September 2009 16 Bài giảng Hệ thống máy tính NKK-HUT NKK-HUT SMP (tiếp) „ „ „ „ „ „ Ưu điểm SMP „ Một máy tính có n >= xử lý giống Các xử lý dùng chung nhớ hệ thống vào-ra Thời gian truy cập nhớ với xử lý Tất xử lý chia sẻ truy nhập vào-ra Các xử lý thực chức giống Hệ thống điều khiển hệ điều hành phân tán September 2009 Hiệu „ „ Tính sẵn dùng „ „ NKK-HUT Các xử lý thực chức giống nhau, lỗi xử lý không làm dừng hệ thống Khả mở rộng „ 17 Các cơng việc thực song song Người sử dụng tăng hiệu cách thêm xử lý September 2009 18 NKK-HUT Cluster „ „ „ „ „ Cluster (tiếp) Nhiều máy tính kết nối với mạng liên kết tốc độ cao (~ Gbps) Mỗi máy tính làm việc độc lập Mỗi máy tính gọi node Các máy tính quản lý làm việc song song theo nhóm (cluster) Tồn hệ thống coi máy tính song song September 2009 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN „ „ „ „ 19 Dễ dàng xây dựng mở rộng Tính sẵn sàng cao Khả chịu lỗi Giá thành rẻ với hiệu cao September 2009 20 Bài giảng Hệ thống máy tính NKK-HUT NKK-HUT Cluster of PCs September 2009 Cluster of SMPs 21 NKK-HUT September 2009 22 NKK-HUT 5.4 Bộ xử lý đa lõi (multicores) Ví dụ: Hệ thống máy chủ Google (12/ 2000) „ „ „ „ „ Cluster of PCs Hơn 6.000 xử lý Hệ thống lưu trữ dùng RAID: có 12.000 đĩa cứng ~ 1petabyte (1triệu GB) site Silicon Valley, 1site Virginia Mỗi site kết nối với Internet qua OC48 (2488Mbps) „ Thay đổi xử lý: „ „ „ „ „ September 2009 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 23 September 2009 Tuần tự Pipeline Siêu vô hướng Đa luồng Đa lõi 24 Bài giảng Hệ thống máy tính NKK-HUT NKK-HUT Các dạng tổ chức xử lý đa lõi Intel - Core Duo (1) „ „ „ 2006 Two x86 superscalar, shared L2 cache Dedicated L1 cache per core „ „ Thermal control unit per core „ „ „ „ „ 25 NKK-HUT Manages chip heat dissipation Maximize performance within constraints Improved ergonomics Advanced Programmable Interrupt Controlled (APIC) „ September 2009 32KB instruction and 32KB data „ September 2009 Inter-process interrupts between cores Routes interrupts to appropriate core Includes timer so OS can interrupt core 26 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 „ „ Intel Core Duo (3) L2 data shared between local cores or external Bus interface September 2009 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 27 September 2009 28 Bài giảng Hệ thống máy tính NKK-HUT NKK-HUT Intel Core i7 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 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 September 2009 29 ARM11 MPCore Block Diagram NKK-HUT September 2009 30 NKK-HUT Hết chương September 2009 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 31 September 2009 32 ... tồn máy tính thực tế Có thể có tương lai Vector Computer Array processor September 2009 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN September 2009 Bài giảng Hệ thống máy tính NKK-HUT NKK-HUT MIMD „ „ „ MIMD - Shared... Parallel I/O 15 September 2009 16 Bài giảng Hệ thống máy tính NKK-HUT NKK-HUT SMP (tiếp) „ „ „ „ „ „ Ưu điểm SMP „ Một máy tính có n >= xử lý giống Các xử lý dùng chung nhớ hệ thống vào-ra Thời gian... September 2009 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 23 September 2009 Tuần tự Pipeline Siêu vô hướng Đa luồng Đa lõi 24 Bài giảng Hệ thống máy tính NKK-HUT NKK-HUT Các dạng tổ chức xử lý đa lõi Intel - Core Duo