CHƯƠNG 1.KHÁI QUÁT VỀ KỸ THUẬT SONG SONG MỨC LỆNH..................................................................................................................................2 1.1. Kỹ thuật song song mức lệnh vấn đề đang dược quan tâm........ 2 1.2. Khái niệm về kỹ thuật song song mức lệnh.................................. 3 1.3. Cách tiếp cận xử lý song song (xử lý đa lệnh). ............................. 4 CHƯƠNG 2. CÁC LOẠI MÁY TÍNH SỬ DỤNG KIẾN TRÚC SONG SONG.......................................................................................... 5 2.1. Siêu ống dẩn .................................................................................... 5 2.2. Siêu vô hướng (superscalar) .......................................................... 6 2.3.Máy tính có lệnh thật dài VLIW(Very long instruction word)... 6 2.4.Máy tính vector ................................................................................ 7 2.5.Máy tính song song .......................................................................... 7 CHƯƠNG 3.MỘT SỐ KẾN TRÚC SONG SONG THÔNG DỤNG.9 3.1.Máy tính SISD.................................................................................. .9 3.2.Các máy MISD kiểu máy tính này không sản xuất thương mại...9 3.3.Kiến trúc SIMD................................................................................ 9 3.4.Kiến trúc MIMD .............................................................................. 10 3.4.1.SMP (Symmetric Multiprocesors)............................................ 10 3.4.2. Hệ thống Cluster...................................................................... 11 3.4.3.Hệ thống NUMA (Nonunifrom Memory Access) .................... 12 CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN ..................................................................... 16TRƯỜNG ĐHCN HÀ NỘI KỸ THUẬT SONG SONG MỨC LỆNH NHÓM SV: KHOA ĐIỆN TỬ LỚP LT TC ĐH ĐIỆN TỬ 1_K1 2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT SONG SONG MỨC LỆNH 1.1. Kỹ thuật song song mức lệnh vấn đề đang dược quan tâm. Từ khi bộ xử lý sử dụng công nghệ bán dẫn ra đời lần đầu tiên vào những năm 60 cho đến nay, công nghệ chế tạo vi mạch đã có nhiều bước phát triển nhảy vọt. Các IC bán dẫn ngày càng đạt được tốc độ và hiệu năng hoạt động cao hơn tỷ lệ với mật độ tích hợp các transistor trên chip. Với công nghệ vi mạch 0.13 và 0.09um, các bộ vi xử lý chắc chắn sẽ đạt tới tốc độ hàng chục Gigahertz trong vài năm tới . Như vậy chừng nào định luật Moore còn đúng thì các bộ vi xử lý sẽ ngày càng trở nên mạnh mẽ hơn. Tuy nhiên dù các bộ xử lý đơn sẽ còn tiếp tục phát triển nhanh chóng, các bộ xử lý song song chắc chắn sẽ chiếm một vị thế quan trọng trong tương lai không xa. Quan điểm này được đưa ra dựa trên các cơ sở sau: Thứ nhất, do các bộ vi xử lý hiện nay vẫn đang dùng công nghệ đơn xử lý nên để tăng hiệu năng chung cho hệ thống có thể thực hiện kết nối nhiều bộ đơn xử lý với nhau. Nói chung đây là giải pháp khá kinh tế và hợp lý hơn so với việc thiết kế một vi xử lý mới. Thứ hai, trong thời gian tới xu hướng phát triển các bộ vi xử lý đơn sẽ đi theo hướng đơn giản hoá so với hiện nay. Như chúng ta đã thấy, các bộ vi xử lý đa năng mà chúng ta dùng hiện nay có kiến trúc ngày càng phức tạp. Việc tăng hiệu năng của các bộ vi xử lý này đồng nghĩa với việc tăng số lượng các mạch tích hợp, tăng công suất tiêu thụ điện. Hơn nữa, trong một thời gian ngắn sắp tới khi định luật Moore không còn hiệu lực, các bộ vi xử lý đơn có thể sẽ tiến tới một ngưỡng phát triển nào đó. Khi đó muốn tăng sức mạnh cho các hệ thống tính toán bắt buộc phải sử dụng nhiều bộ xử lý song song với nhau. Thứ ba, chúng ta đã thấy những tiến bộ vượt bậc trên một lĩnh vực mà bấy lâu nay là vật cản đường trong việc ứng dụng rộng rãi các bộ vi xử lý song song, đó là lĩnh vực phần mềm. Các thành tựu trong lĩnh vực này dường như nhanh hơn trên các thị trường các ứng dụng máy chủ và các ứng dụng nhúng. Các ứng dụng loại này cần phải có cơ chế xử lý song song mà không phải viết lại các phần mềm sẵn có, đây luôn được coi là một công việc vô cùng nặng nề khi phải viết lại các bộ mã khổng lồ. Điều này đặt ra không ít thách thức cho chúng ta, khi mà chúng ta vẫn sử dụng các bộ vi xử lý đơn. Trong thực tế, việc cải thiện hiệu năng của các bộ vi xử lý sẽ được tiếp tục trong vòng tối thiểu là 5 năm tới nhằm chế tạo ra các bộ xử lý đơn ngày càng mạnh hơn. Việc xu hướng này còn được tiếp diễn lâu nữa hayTRƯỜNG ĐHCN HÀ NỘI KỸ THUẬT SONG SONG MỨC LỆNH NHÓM SV: KHOA ĐIỆN TỬ LỚP LT TC ĐH ĐIỆN TỬ 1_K1 3 không thì rất khó dự đoán. Tuy nhiên, chắc chằn rằng khi hiệu quả do bộ đơn xử lý mang lại bị giảm xuống thì vai trò của kiến trúc đa xử lý sẽ trở nên rất quan trọng. 1.2. Khái niệm về kỹ thuật song song mức lệnh. Với một bộ vi xử lý có nhiều dòng mã lệnh và nhiều dòng dữ liệu, mỗi một bộ vi xử lý có thể chạy các lệnh của chính nó. Trong nhiều trường hợp, các vi xử lý có thể chạy các tiến trình khác nhau (một tiến trình trên một bộ vi xử lý là một đoạn mã có thể chạy độc lập và các trạng thái của tiến trình có chứa toàn bộ các thông tin cần thiết cho việc chạy chương trình trên bộ vi xử lý đó). Trong một môi trường nhiều chương trình, nơi mà các bộ vi xử lý có thể đảm nhận các công việc của riêng nó, mỗi tiến trình trên một bộ vi xử lý là hoàn toàn độc lập với các tiến trình khác trên các bộ vi xử lý khác. Chúng ta nhận thấy rằng thật là hữu ích nếu có thể chạy một chương trình trên một bộ đa xử lý, chia sẻ mã lệnh và hầu hết các không gian địa chỉ của nó. Khi có nhiều tiến trình cùng chia sẻ mã lệnh và dữ liệu theo kiểu này, chúng được gọi là các lệnh. Ngày nay, thuật ngữ dòng thường được dùng để chỉ việc tiến hành chạy mã trên nhiều vùng, có thể là trên nhiều vi xử lý khác nhau, ngay cả khi chúng không chia sẻ không gian địa chỉ. Để có thể tận dụng hiệu năng của một bộ đa xử lý có n vi xử lý, chúng ta cần phải có tổi thiểu là n dòng hoặc n tiến trình chạy đồng thời. Các tiến trình độc lập có thể là do lập trình viên xác định tại thời điểm lập trình hoặc có thể được tạo lập bởi trình biên dịch. Vì rằng khái niệm song song trong trường hợp này được bao hàm trong các dòng nên được gọi là xử lý song song mức lệnh. Xử lý song song song cho phép các dòng có thể chia sẻ các đơn vị chức năng của một bộ vi xử lý đơn theo kiểu xếp chồng. Để có thể cho phép chia sẻ các đơn vị này, bộ vi xử lý cần thiết phải nhân đôi trạng thái độc lập của mỗi dòng lệnh. Ví dụ là phải có một bản copy riêng biệt cho file đăng ký, một PC riêng biệt và một bảng phân trang cho mỗi dòng lệnh. Bộ nhớ có thể được chia sẻ thông qua cơ chế bộ nhớ ảo, cơ chế này đã hỗ trợ lập trình đa lệnh. Thêm vào đó, phần cứng phải hỗ trợ khả năng thay đổi tới các dòng khác nhau đủ nhanh; trong thực tế, cơ chế chuyển dòng phải nhanh hơn cơ chế chuyển tiến trình, và thông thường, cơ chế này đòi hỏi hàng trăm tới hàng ngàn chu kỳ vi xử lý.TRƯỜNG ĐHCN HÀ NỘI KỸ THUẬT SONG SONG MỨC LỆNH NHÓM SV: KHOA ĐIỆN TỬ LỚP LT TC ĐH ĐIỆN TỬ 1_K1 4 1.3. Cách tiếp cận xử lý song song (xử lý đa lệnh). Có hai cách tiếp cận tới xử lý đa lệnh. Đó là: Chuyển mạch đa dòng mịn giữa các dòng trên mỗi lệnh, làm cho việc chạy các lệnh được tiến hành luân phiên. Việc chạy luân phiên này được thực hiện thông qua cơ chế xoay vòng, bỏ qua mọi lệnh bị giữ tại thời điểm đó. Để có thể thực hiện đa lệnh theo kiểu này, khối xử lý trung tâm phải có thể chuyển giữa các lệnh trong mọi chu kỳ đồng hồ. Một lợi điểm quan trọng của chuyển mạch đa dòng mịn là nó thế thế che giấu thông lượng bị mất phát sinh do quá trình giữ các lệnh quá nhanh hoặc quá lâu vì rằng các lệnh từ các dòng khác vẫn có thể chạy trong khi một dòng bị giữ lại. Nhược điểm chính của phương pháp này là nó làm chậm quá trình chạy các dòng riêng rẽ vì rằng mỗi dòng sắp chạy mà không bị giữ lại sẽ phải bị làm trễ bởi các lệnh từ các dòng khác. Một cách tiếp cận khác là xử lý đa dòng thô. Đây là giải pháp được phát minh như là một giải pháp thay thế cho phương pháp đa dòng mịn. Phương pháp đa dòng thô tiến hành chuyển các lệnh chỉ khi lệnh này bị giữ lại đủ lâu, chẳng hạn như là bị giữ lại ở cache L2. Việc này làm giảm thời gian trễ khi thực hiện các luồng độc lập vì rằng một lệnh chỉ bị làm trễ khi mà nó bị giữ lại đủ lâu. Đa lệnh thô có một nhược điểm chính là khả năng giảm thông lượng bị mất của nó luôn bị giới hạn, nhất là đối với các lệnh có thời gian giữ lại ngắn.TRƯỜNG ĐHCN HÀ NỘI KỸ THUẬT SONG SONG MỨC LỆNH NHÓM SV: KHOA ĐIỆN TỬ LỚP LT TC ĐH ĐIỆN TỬ 1_K1 5 CHƯƠNG 2. KHÁI QUÁT MÁY TÍNH SONG SONG. Ở chương này chúng ta tìm hiểu về một số kiến trúc cơ bản liên quan đến kiến trúc song song đó là: Siêu ống dẩn, Siêu vô hướng (superscalar), Máy tính có lệnh thật dài VLIW (Very long instruction word), Máy tính vector. Trên cơ sở đó người ta đưa ra kiến trúc song song để hạn chế những nhược điẻn và tăng hiệu quả của máy tính. 2.1. Siêu ống dẩn Máy tính có kỹ thuật siêu ống dẫn bậc n bằng cách chia các giai đoạn của kỹ thuật ống dẫn đơn giản, mỗi giai đoạn được thực hiện trong khoản thời gian Tc, thành n giai đoạn con thực hiện trong khoản thời gian Tcn. Độ hữu hiệu của kỹ thuật này tương đương với việc thi hành n lệnh trong mỗi chu kỳ Tc. Hình III.7 trình bày thí dụ về siêu ống dẫn bậc 2, có so sánh với siêu ống dẫn đơn giản. Ta thấy trong một chu kỳ Tc, máy dùng kỹ thuật siêu ống dẫn làm 2 lệnh thay vì làm1 lệnh trong máy dùng kỹ thuật ống dẫn bình thường. Trong máy tính siêu ống dẫn, tốc độ thực hiện lệnh tương đương với việc thực hiện một lệnh trong khoảng thời gian Tcn. Các bất lợi của siêu ống dẫn là thời gian thực hiện một giai đoạn con ngắn Tcn và việc trì hoãn trong thi hành lệnh nhảy lớn. Trong ví dụ ở hình III.7, nếu lệnh thứ i là một lệnh nhảy tương đối thì lệnh này được giải mã trong giai đoạn ID, địa chỉ nhảy đến được tính vào giai đoạn EX, lệnh phải được nhảy tới là lệnh thứ i+4, vậy có trì trệ 3 lệnh thay vì 1 lệnh trong kỹ thuật ống dẫn bình thường. Hình 1. Siêu ống dẫn bậc 2 so với siêu ống dẫn đơn giản. Trong khoảng thời gian Tc, máy có siêu ống dẫn làm 2 lệnh thay vì 1 lệnh như trong máy có kỹ thuật ống dẫn đơn giản.TRƯỜNG ĐHCN HÀ NỘI KỸ THUẬT SONG SONG MỨC LỆNH NHÓM SV: KHOA ĐIỆN TỬ LỚP LT TC ĐH ĐIỆN TỬ 1_K1 6 2.2. Siêu vô hướng (superscalar) Máy tính siêu vô hướng bậc n có thể thực hiện đồng thời n lệnh trong một chu kỳ xung nhịp Tc. Hình III.8 trình bày một ví dụ về sự vận hành của một máy tính siêu vô hướng bậc 2 so với một máy tính dùng kỹ thuật ống dẫn. Trong một máy tính siêu vô hướng phần cứng phải quản lý việc đọc và thi hành đồng thời nhiều lệnh. Vậy nó phải có khả năng quản lý các quan hệ giữa số liệu với nhau. Cũng cần phải chọn các lệnh có khả năng được thi hành cùng một lúc. Những bộ xử lý đầu tiên đưa ra thị trường dùng kỹ thuật này là các bộ xử lý Intel i860 và IBM RS6000. Các bộ xử lý này có khả năng thực hiện song song nhiều tác vụ trên số nguyên và trên số lẻ. Năm 1992, người ta thấy xuất hiện các bộ xử lý có nhiều bộ thực hiện tác vụ độc lập với nhau (nhiều ALU, bộ tính toán số lẻ, nạp dữ liệu, lưu dữ liệu, nhảy), có thể thực hiện song song nhiều lệnh (lệnh tính số nguyên, số lẻ, lệnh bộ nhớ, lệnh nhảy...). Số lệnh có thể được thi hành song song càng nhiều thì phần cứng thực hiện việc này càng phức tạp. Hình 2. Siêu vô hướng (a) so với kỹ thuật ống dẫn (b). 2.3.Máy tính có lệnh thật dài VLIW (Very long instruction word) Máy tính siêu vô hướng có thể thực hiện 2 hoặc 3 lệnh trong mỗi chu kỳ xung nhịp. Do kỹ thuật ống dẫn đòi hỏi các lệnh phải phụ thuộc vào nhau nên rất khó thực hiện nhiều lệnh trong một chu kỳ. Như vậy,TRƯỜNG ĐHCN HÀ NỘI KỸ THUẬT SONG SONG MỨC LỆNH NHÓM SV: KHOA ĐIỆN TỬ LỚP LT TC ĐH ĐIỆN TỬ 1_K1 7 thay vì cố thực hiện nhiều lệnh trong một chu kỳ, người ta tìm cách đưa
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN TỬ o0o _ BÀI TP LN MễN KIN TRC MY TNH Đề tài: K THUẬT SONG SONG MỨC LỆNH GVHD : VŨ THỊ THU HƯƠNG SVTH : LÊ VĂN DŨNG NGUYỄN THỊ HƯỜNG BÁ ĐÌNH NHẤT NGUYỄN VĂN TRUNG NGUYỄN KHẮC TUY LỚP : LT TC- ĐH ĐIỆN TỬ 1_K1 Hà Nội Tháng 06/2008 TRƯỜNG ĐHCN HÀ NỘI KỸ THUẬT SONG SONG MỨC LỆNH MỤC LỤC trang CHƯƠNG 1.KHÁI QUÁT VỀ KỸ THUẬT SONG SONG MỨC LỆNH 1.1 Kỹ thuật song song mức lệnh vấn đề dược quan tâm 1.2 Khái niệm kỹ thuật song song mức lệnh 1.3 Cách tiếp cận xử lý song song (xử lý đa lệnh) CHƯƠNG CÁC LOẠI MÁY TÍNH SỬ DỤNG KIẾN TRÚC SONG SONG 2.1 Siêu ống dẩn 2.2 Siêu vô hướng (superscalar) 2.3.Máy tính có lệnh thật dài VLIW(Very long instruction word) 2.4.Máy tính vector 2.5.Máy tính song song CHƯƠNG 3.MỘT SỐ KẾN TRÚC SONG SONG THƠNG DỤNG.9 3.1.Máy tính SISD .9 3.2.Các máy MISD kiểu máy tính khơng sản xuất thương mại 3.3.Kiến trúc SIMD 3.4.Kiến trúc MIMD 10 3.4.1.SMP (Symmetric Multiprocesors) 10 3.4.2 Hệ thống Cluster 11 3.4.3.Hệ thống NUMA (Nonunifrom Memory Access) 12 CHƯƠNG KẾT LUẬN 16 NHÓM SV: LỚP LT TC- ĐH ĐIỆN TỬ 1_K1 KHOA ĐIỆN TỬ TRƯỜNG ĐHCN HÀ NỘI KỸ THUẬT SONG SONG MỨC LỆNH CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT SONG SONG MỨC LỆNH 1.1 Kỹ thuật song song mức lệnh vấn đề dược quan tâm Từ xử lý sử dụng công nghệ bán dẫn đời lần vào năm 60 nay, công nghệ chế tạo vi mạch có nhiều bước phát triển nhảy vọt Các IC bán dẫn ngày đạt tốc độ hiệu hoạt động cao tỷ lệ với mật độ tích hợp transistor chip Với cơng nghệ vi mạch 0.13 0.09um, vi xử lý chắn đạt tới tốc độ hàng chục Gigahertz vài năm tới Như chừng định luật Moore cịn vi xử lý ngày trở nên mạnh mẽ Tuy nhiên dù xử lý đơn tiếp tục phát triển nhanh chóng, xử lý song song chắn chiếm vị quan trọng tương lai không xa Quan điểm đưa dựa sở sau: Thứ nhất, vi xử lý dùng công nghệ đơn xử lý nên để tăng hiệu chung cho hệ thống thực kết nối nhiều đơn xử lý với Nói chung giải pháp kinh tế hợp lý so với việc thiết kế vi xử lý Thứ hai, thời gian tới xu hướng phát triển vi xử lý đơn theo hướng đơn giản hoá so với Như thấy, vi xử lý đa mà dùng có kiến trúc ngày phức tạp Việc tăng hiệu vi xử lý đồng nghĩa với việc tăng số lượng mạch tích hợp, tăng cơng suất tiêu thụ điện Hơn nữa, thời gian ngắn tới định luật Moore khơng cịn hiệu lực, vi xử lý đơn tiến tới ngưỡng phát triển Khi muốn tăng sức mạnh cho hệ thống tính tốn bắt buộc phải sử dụng nhiều xử lý song song với Thứ ba, thấy tiến vượt bậc lĩnh vực mà lâu vật cản đường việc ứng dụng rộng rãi vi xử lý song song, lĩnh vực phần mềm Các thành tựu lĩnh vực dường nhanh thị trường ứng dụng máy chủ ứng dụng nhúng Các ứng dụng loại cần phải có chế xử lý song song mà khơng phải viết lại phần mềm sẵn có, ln coi công việc vô nặng nề phải viết lại mã khổng lồ Điều đặt khơng thách thức cho chúng ta, mà sử dụng vi xử lý đơn Trong thực tế, việc cải thiện hiệu vi xử lý tiếp tục vòng tối thiểu năm tới nhằm chế tạo xử lý đơn ngày mạnh Việc xu hướng tiếp diễn lâu hay NHÓM SV: LỚP LT TC- ĐH ĐIỆN TỬ 1_K1 KHOA ĐIỆN TỬ TRƯỜNG ĐHCN HÀ NỘI KỸ THUẬT SONG SONG MỨC LỆNH khơng khó dự đoán Tuy nhiên, chằn hiệu đơn xử lý mang lại bị giảm xuống vai trị kiến trúc đa xử lý trở nên quan trọng 1.2 Khái niệm kỹ thuật song song mức lệnh Với vi xử lý có nhiều dịng mã lệnh nhiều dịng liệu, vi xử lý chạy lệnh Trong nhiều trường hợp, vi xử lý chạy tiến trình khác (một tiến trình vi xử lý đoạn mã chạy độc lập trạng thái tiến trình có chứa tồn thơng tin cần thiết cho việc chạy chương trình vi xử lý đó) Trong mơi trường nhiều chương trình, nơi mà vi xử lý đảm nhận cơng việc riêng nó, tiến trình vi xử lý hồn tồn độc lập với tiến trình khác vi xử lý khác Chúng ta nhận thấy thật hữu ích chạy chương trình đa xử lý, chia sẻ mã lệnh hầu hết không gian địa Khi có nhiều tiến trình chia sẻ mã lệnh liệu theo kiểu này, chúng gọi lệnh Ngày nay, thuật ngữ dòng thường dùng để việc tiến hành chạy mã nhiều vùng, nhiều vi xử lý khác nhau, chúng không chia sẻ không gian địa Để tận dụng hiệu đa xử lý có n vi xử lý, cần phải có tổi thiểu n dịng n tiến trình chạy đồng thời Các tiến trình độc lập lập trình viên xác định thời điểm lập trình tạo lập trình biên dịch Vì khái niệm song song trường hợp bao hàm dòng nên gọi xử lý song song mức lệnh Xử lý song song song cho phép dịng chia sẻ đơn vị chức vi xử lý đơn theo kiểu xếp chồng Để cho phép chia sẻ đơn vị này, vi xử lý cần thiết phải nhân đơi trạng thái độc lập dịng lệnh Ví dụ phải có copy riêng biệt cho file đăng ký, PC riêng biệt bảng phân trang cho dịng lệnh Bộ nhớ chia sẻ thông qua chế nhớ ảo, chế hỗ trợ lập trình đa lệnh Thêm vào đó, phần cứng phải hỗ trợ khả thay đổi tới dòng khác đủ nhanh; thực tế, chế chuyển dòng phải nhanh chế chuyển tiến trình, thơng thường, chế đòi hỏi hàng trăm tới hàng ngàn chu kỳ vi xử lý NHÓM SV: LỚP LT TC- ĐH ĐIỆN TỬ 1_K1 KHOA ĐIỆN TỬ TRƯỜNG ĐHCN HÀ NỘI KỸ THUẬT SONG SONG MỨC LỆNH 1.3 Cách tiếp cận xử lý song song (xử lý đa lệnh) Có hai cách tiếp cận tới xử lý đa lệnh Đó là: Chuyển mạch đa dòng mịn dòng lệnh, làm cho việc chạy lệnh tiến hành luân phiên Việc chạy luân phiên thực thơng qua chế xoay vịng, bỏ qua lệnh bị giữ thời điểm Để thực đa lệnh theo kiểu này, khối xử lý trung tâm phải chuyển lệnh chu kỳ đồng hồ Một lợi điểm quan trọng chuyển mạch đa dịng mịn thế che giấu thơng lượng bị phát sinh q trình giữ lệnh nhanh lâu lệnh từ dịng khác chạy dịng bị giữ lại Nhược điểm phương pháp làm chậm q trình chạy dịng riêng rẽ dịng chạy mà không bị giữ lại phải bị làm trễ lệnh từ dòng khác Một cách tiếp cận khác xử lý đa dịng thơ Đây giải pháp phát minh giải pháp thay cho phương pháp đa dòng mịn Phương pháp đa dịng thơ tiến hành chuyển lệnh lệnh bị giữ lại đủ lâu, chẳng hạn bị giữ lại cache L2 Việc làm giảm thời gian trễ thực luồng độc lập lệnh bị làm trễ mà bị giữ lại đủ lâu Đa lệnh thơ có nhược điểm khả giảm thơng lượng bị ln bị giới hạn, lệnh có thời gian giữ lại ngắn NHÓM SV: LỚP LT TC- ĐH ĐIỆN TỬ 1_K1 KHOA ĐIỆN TỬ TRƯỜNG ĐHCN HÀ NỘI KỸ THUẬT SONG SONG MỨC LỆNH CHƯƠNG KHÁI QUÁT MÁY TÍNH SONG SONG Ở chương tìm hiểu số kiến trúc liên quan đến kiến trúc song song là: Siêu ống dẩn, Siêu vơ hướng (superscalar), Máy tính có lệnh thật dài VLIW (Very long instruction word), Máy tính vector Trên sở người ta đưa kiến trúc song song để hạn chế nhược điẻn tăng hiệu máy tính 2.1 Siêu ống dẩn Máy tính có kỹ thuật siêu ống dẫn bậc n cách chia giai đoạn kỹ thuật ống dẫn đơn giản, giai đoạn thực khoản thời gian Tc, thành n giai đoạn thực khoản thời gian Tc/n Độ hữu hiệu kỹ thuật tương đương với việc thi hành n lệnh chu kỳ Tc Hình III.7 trình bày thí dụ siêu ống dẫn bậc 2, có so sánh với siêu ống dẫn đơn giản Ta thấy chu kỳ Tc, máy dùng kỹ thuật siêu ống dẫn làm lệnh thay làm1 lệnh máy dùng kỹ thuật ống dẫn bình thường Trong máy tính siêu ống dẫn, tốc độ thực lệnh tương đương với việc thực lệnh khoảng thời gian Tc/n Các bất lợi siêu ống dẫn thời gian thực giai đoạn ngắn Tc/n việc trì hỗn thi hành lệnh nhảy lớn Trong ví dụ hình III.7, lệnh thứ i lệnh nhảy tương đối lệnh giải mã giai đoạn ID, địa nhảy đến tính vào giai đoạn EX, lệnh phải nhảy tới lệnh thứ i+4, có trì trệ lệnh thay lệnh kỹ thuật ống dẫn bình thường Hình Siêu ống dẫn bậc so với siêu ống dẫn đơn giản Trong khoảng thời gian Tc, máy có siêu ống dẫn làm lệnh thay lệnh máy có kỹ thuật ống dẫn đơn giản NHĨM SV: LỚP LT TC- ĐH ĐIỆN TỬ 1_K1 KHOA ĐIỆN TỬ TRƯỜNG ĐHCN HÀ NỘI KỸ THUẬT SONG SONG MỨC LỆNH 2.2 Siêu vơ hướng (superscalar) Máy tính siêu vơ hướng bậc n thực đồng thời n lệnh chu kỳ xung nhịp Tc Hình III.8 trình bày ví dụ vận hành máy tính siêu vơ hướng bậc so với máy tính dùng kỹ thuật ống dẫn Trong máy tính siêu vơ hướng phần cứng phải quản lý việc đọc thi hành đồng thời nhiều lệnh Vậy phải có khả quản lý quan hệ số liệu với Cũng cần phải chọn lệnh có khả thi hành lúc Những xử lý đưa thị trường dùng kỹ thuật xử lý Intel i860 IBM RS/6000 Các xử lý có khả thực song song nhiều tác vụ số nguyên số lẻ Năm 1992, người ta thấy xuất xử lý có nhiều thực tác vụ độc lập với (nhiều ALU, tính tốn số lẻ, nạp liệu, lưu liệu, nhảy), thực song song nhiều lệnh (lệnh tính số nguyên, số lẻ, lệnh nhớ, lệnh nhảy ) Số lệnh thi hành song song nhiều phần cứng thực việc phức tạp Hình Siêu vơ hướng (a) so với kỹ thuật ống dẫn (b) 2.3.Máy tính có lệnh thật dài VLIW (Very long instruction word) Máy tính siêu vơ hướng thực lệnh chu kỳ xung nhịp Do kỹ thuật ống dẫn đòi hỏi lệnh phải phụ thuộc vào nên khó thực nhiều lệnh chu kỳ Như vậy, NHÓM SV: LỚP LT TC- ĐH ĐIỆN TỬ 1_K1 KHOA ĐIỆN TỬ TRƯỜNG ĐHCN HÀ NỘI KỸ THUẬT SONG SONG MỨC LỆNH thay cố thực nhiều lệnh chu kỳ, người ta tìm cách đưa vào nhiều lệnh từ lệnh dài Một lệnh VLIW chứa hai tác vụ tính tốn số ngun, hai tác vụ tính tốn số lẻ, hai tác vụ thâm nhập nhớ lệnh nhảy Một lệnh chia thành nhiều trường, trường có từ 16 đến 24 bít chiều dài lệnh VLIW từ 112 đến 168 bít Có nhiều kỹ thuật tạo lệnh VLIW tất trường dùng Giá thành độ phức tạp máy tính có lệnh thật dài tăng lên nhiều người ta tăng số trường lệnh VLIW Hình Biểu diễntư lệnh dài 2.4.Máy tính vector Một máy tính vectơ bao gồm tính tốn vơ hướng bình thường dùng kỹ thuật ống dẫn làm tính vectơ Bộ tính tốn vơ hướng, giống xử lý dùng kỹ thuật ống dẫn, thực phép tính vơ hướng, cịn làm tính vectơ thực phép tính vectơ Đa số máy tính vectơ cho phép làm phép tính vectơ số nguyên, vectơ số lẻ vectơ số logic (số Boolean) Có kiểu kiến trúc máy tính vectơ: kiểu vectơ ô nhớ - ô nhớ kiểu ghi vectơ Trong máy tính loại vectơ nhớ - nhớ, phép tính vectơ thực nhớ Kiến trúc kiểu ghi vectơ thực siêu máy tính CRAY - 1, CRAY - 2, X MP, Y - MP, siêu máy tính Nhật NEC SX/2, Fujitsu VP200 Hitachi S820 Các máy có nhiều ghi vectơ tác vụ vectơ thực ghi ngoại trừ tác vụ nạp liệu lưu liệu Máy CRAY-2 (1995) có ghi vectơ, ghi chứa 64 vectơ, vectơ có chiều dài 64 bít 2.5 Máy tính song song Trong máy tính siêu ống dẫn, siêu vơ hướng, máy tính vectơ, máy tính VLIW, người ta dùng tính thực song song lệnh NHÓM SV: LỚP LT TC- ĐH ĐIỆN TỬ 1_K1 KHOA ĐIỆN TỬ TRƯỜNG ĐHCN HÀ NỘI KỸ THUẬT SONG SONG MỨC LỆNH mức độ khác để làm tăng hiệu chúng Giới hạn khả tính tốn loại máy với phát triển cơng nghệ máy tính khiến người ta nghĩ tới giải pháp song song theo người ta tăng cường hiệu máy tính cách tăng số lượng xử lý Dựa vào nguyên tắc hoạt động chế trao đổi lệnh, liệu vi xử lý Các kiến trúc máy tính xếp vào loại sau: - SISD (Single Instructions Stream, Single Data Stream): Máy tính dịng lệnh, dịng số liệu Đây kiến trúc đơn xử lý - SIMD (Single Instructions Stream, Multiple Data Stream): Máy tính dịng lệnh, nhiều dịng số liệu Kiến trúc bao gồm nhiều xử lý chạy song song, xử lý có vùng nhớ liệu riêng thực lệnh - MISD (Multiple Instructions Stream, Single Data Stream):Máy tính nhiều dịng lệnh, dịng số liệu Hiện máy tính hoạt động theo chế chưa chế tạo - MIMD (Multiple Instruction Stream, Multiple Data Stream): Máy tính nhiều dòng lệnh, nhiều dòng số liệu Kiểu phân loại đơn giản, dễ hiểu, cịn hiệu lực đến hơm nay, có máy tính dùng kiến trúc hỗn tạp Ngồi cịn có nhiều hệ thống máy tính xây dựng sở lai ghép kiển kiến trúc Thông thường hệ thống máy tính song song hệ đa xử lý đa thiết kế sở kiến trúc MIMD, vì: Đây kiến trúc linh hoạt Nó hoạt động hệ thống đa xử lý hiệu cao dùng cho ứng dụng lập trình để chạy đồng thời nhiều tác vụ hay kết hợp hai khả Thơng thường máy tính MIMD xây dựng từ xử lý thông thường, đảm bảo tối ưu hoá hiệu giá thành hệ thống Việc thực thi chương trình hệ thống đa xử lý tiến hành theo cách sau: Mỗi xử lý thực tiến trình riêng, độc lập với tiến trình xử lý khác Các xử lý thực chương trình Chúng chia sẻ mã liệu với Khi đó, tác vụ chạy xử lý gọi luồng (thread) NHÓM SV: LỚP LT TC- ĐH ĐIỆN TỬ 1_K1 KHOA ĐIỆN TỬ TRƯỜNG ĐHCN HÀ NỘI KỸ THUẬT SONG SONG MỨC LỆNH CHƯƠNG MỘT SỐ KẾN TRÚC SONG SONG THƠNG DUNG 3.1.Máy tính SISD Các máy tính SISD tương ứng với máy xử lý mà nghiên cứu Hình 4: Kiến trúc SISD CU: Control Unit PU: Procesing Unit MU: Memory Unit Một xử lý Đơn dòng lệnh Dữ liệu duựơc lưu trữ nhớ Chính kiến trúc von Neumann 3.2 Các máy MISD kiểu máy tính khơng sản xuất thương mại Một luồng liệu truyền đến tập xử lý Một xử lý thực dãy lệnh khác kiểu kiến trúc khơng tồn thực tế, tồn tương lai 3.3 Kiến trúc SIMD Các máy SIMD có số lớn xử lý giống nhau, thực lệnh giống để xử lý nhiều dòng liệu khác Mỗi xử lý có nhớ liệu riêng, có nhớ lệnh xử lý điều khiển, đọc thi hành lệnh Máy CONNECTION MACHINE (65536 xử lý bít) cơng ty Thinking Machine Inc, ví dụ điển hình SIMD Tính song song dùng máy SIMD tính song song liệu Nó có hiệu cấu trúc liệu dễ dàng thích ứng với cấu trúc vật lý xử lý thành viên Các xử lý vector mảng thuộc loại máy tính NHÓM SV: KHOA ĐIỆN TỬ LỚP LT TC- ĐH ĐIỆN TỬ 1_K1 TRƯỜNG ĐHCN HÀ NỘI KỸ THUẬT SONG SONG MỨC LỆNH Hình Mơ hình SIMD (Vector Computer).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 3.4 Kiến trúc MIMD Các máy MIMD có kiến trúc song song, năm gần đây, máy MIMD lên xem kiến trúc đương nhiên phải chọn cho máy nhiều xử lý dùng ứng dụng thông thường, tập hợp xử lý thực chuối lệnh khác tập hợp liệu khác Các máy MIMD xếp vào ba loại hệ thống giới thiệu phần chương trình là: SMP (Symmetric Multiprocesors), Cluster NUMA (Nonunifrom Memory Access) 3.4.1 SMP (Symmetric Multiprocesors) Một hệ thống SMP bao gồm nhiều xử lý giống lắp đặt bên máy tính (Một máy tính có n >= xử lý giống nhau), xử lý kết nối với hệ thống bus bên hay vài xếp chuyển mạch thích hợp Vấn đề lớn hệ thống SMP kết hợp hệ thống cache riêng lẻ Vì xử lý SMP có cache riêng nó, đó, khối liệu nhớ tồn hay nhiều cache khác Nếu khối liệu cache xử lý bị thay đổi dẫn đến liệu cache xử lý cịn lại nhớ khơng 10 NHĨM SV: LỚP LT TC- ĐH ĐIỆN TỬ 1_K1 KHOA ĐIỆN TỬ TRƯỜNG ĐHCN HÀ NỘI KỸ THUẬT SONG SONG MỨC LỆNH đồng Các giao thức cache kết hợp thiết kế để giải vấn đề 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 Ưu điểm SMP Hiệu Các cơng việc thực song song Tính sẵn dùng Các xử lý thực chức giống nhau, lỗi xử lý khơng làm dừng hệ thống Khả mở rộng Người sử dụng tăng hiệu cách thêm xử lý Hình 8: Máy tính song song với nhớ dùng chung, hệ thống bus dùng chung 3.4.2 Hệ thống Cluster Trong hệ thống cluster, máy tính độc lập kết nối với thông qua hệ thống kết nối tốc độ cao (mạng tốc độ cao Fast Ethernet hay Gigabit) hoạt động máy tính thống Mỗi máy hệ thống xem phần cluster, gọi nút (node) Hệ thống cluster có ưu điểm: - Mỗi máy tính làm việc độc lập 11 NHÓM SV: LỚP LT TC- ĐH ĐIỆN TỬ 1_K1 KHOA ĐIỆN TỬ TRƯỜNG ĐHCN HÀ NỘI KỸ THUẬT SONG SONG MỨC LỆNH - Tốc độ cao: Có thể tạo hệ thống cluster có khả xử lý mạnh máy tính đơn lẻ Mỗi cluster bao gồm hàng tá máy tính, máy có nhiều xử lý Các máy tính quản lý làm việc song song theo nhóm (cluster) - Khả mở rộng cao: nâng cấp, mở rộng cluster cấu hình hoạt động ổn định - Độ tin cậy cao: Hệ thống hoạt động ổn định có nút (node) hệ thống bị hư hỏng Trong nhiều hệ thống, khả chịu lỗi (fault tolerance) xử lý tự động phần mềm Tồn hệ thống coi máy tính song song - Chi phí đầu tư thấp: hệ thống cluster có khả mạnh máy tính đơn lẻ mạnh với chi phí thấp Cluster of PCs Cluster of SMPs Hình 9: Cluster of PCs Hình 10: Cluster of SMPs 3.4.3 Hệ thống NUMA (Nonunifrom Memory Access) Một hệ thống NUMA (Nonunifrom Memory Access) hệ thống đa xử lý giới thiệu thời gian gần đây, hệ thống với nhớ chia sẻ, thời gian truy cập vùng nhớ dành riêng cho xử lý 12 NHÓM SV: KHOA ĐIỆN TỬ LỚP LT TC- ĐH ĐIỆN TỬ 1_K1 TRƯỜNG ĐHCN HÀ NỘI KỸ THUẬT SONG SONG MỨC LỆNH khác Điều khác với kiểu quản lý nhớ hệ thống SMP (bộ nhớ dùng chung, thời gian truy cập vùng nhớ khác hệ thống cho xử lý nhau) Hệ thống có thuận lợi bất lợi sau: Thuận lợi: - Thực hiệu so với hệ thống SMP xử lý song song - Không thay đổi phần mềm - Bộ nhớ có khả bị nghẽn có nhiều truy cập đồng thời, điều khắc phục cách: + Cache L1&L2 thiết kế để giảm tối thiểu tất thâm nhập nhớ + Cần phần mềm cục quản lý tốt để việc ứng dụng hoạt động hiệu + Quản trị nhớ ảo chuyển trang tới nút cần dùng Bất lợi: - Hệ thống hoạt động không suốt SMP: việc cấp phát trang, trình thay đổi phần mềm hệ thống cần - Hệ thống phức tạp Liên quan đến nhớ máy tính song song, chia thành hai nhóm máy: - Nhóm máy thứ nhất, mà ta gọi máy có kiến trúc nhớ chia sẻ, có nhớ trung tâm phân chia cho xử lý hệ thống bus chia sẻ để nối xử lý nhớ Vì có nhớ nên hệ thống nhớ không đủ khả đáp ứng nhu cầu thâm nhập nhớ số lớn xử lý Kiểu kiến trúc nhớ chia sẻ dùng hệ thống SMP Nhóm máy thứ hai bao gồm máy có nhớ phân tán vật lý Mỗi máy nhóm gồm có nút, nút chứa xử lý, nhớ, vài ngã vào giao diện với hệ thống kết nối nút (hình 11) 13 NHĨM SV: LỚP LT TC- ĐH ĐIỆN TỬ 1_K1 KHOA ĐIỆN TỬ TRƯỜNG ĐHCN HÀ NỘI KỸ THUẬT SONG SONG MỨC LỆNH Hình 11: Cấu trúc nhớ phân tán Việc phân tán nhớ cho nút có hai điểm lợi Trước hết, cách phân tán việc thâm nhập nhớ Thứ hai, cách làm giảm thời gian chờ đợi lúc thâm nhập nhớ cục Các lợi điểm làm cho kiến trúc có nhớ phân tán dùng cho máy đa xử lý có số xử lý Điểm bất lợi kiến trúc máy tính việc trao đổi liệu xử lý trở nên phức tạp nhiều thời gian xử lý khơng chia sẻ nhớ chung Cách thực việc trao đổi thông tin xử lý nhớ trong, kiến trúc logic nhớ phân tán tính chất đặc thù máy tính với nhớ phân tán Có phương pháp dùng để truyền liệu xử lý - Phương pháp thứ nhớ phân chia cách vật lý thâm nhập với định vị chia sẻ cách logic, nghĩa xử lý có quyền truy xuất, truy xuất ô nhớ Trong phương pháp máy gọi có kiến trúc nhớ chia sẻ phân tán (DSM: Distributed Sharing Memory) Từ nhớ chia sẻ cho biết không gian định vị bị chia sẻ Nghĩa địa vật lý cho xử lý tường ứng với ô nhớ - Phương pháp thứ hai, không gian định vị bao gồm nhiều khơng gian định vị nhỏ khơng giao xử lý thâm nhập 14 NHÓM SV: LỚP LT TC- ĐH ĐIỆN TỬ 1_K1 KHOA ĐIỆN TỬ TRƯỜNG ĐHCN HÀ NỘI KỸ THUẬT SONG SONG MỨC LỆNH Trong phương pháp này, địa vật lý gắn với máy khác tương ứng với ô nhớ khác nhớ khác Mỗi mơ-đun xử lý-bộ nhớ máy tính riêng biệt máy gọi đa máy tính Các máy gồm nhiều máy tính hồn tồn riêng biệt nối vào thành mạng cục Hình 12: Tổ chức kết nối máy tính song song có nhớ phân tán Kiến trúc song song phát triển mạnh thời gian gần lý do: - Việc dùng xử lý song song đặc biệt lãnh vực tính tốn khoa học cơng nghệ Trong lãnh vực người ta cần đến máy tính có tính cao - Người ta chấp nhận cách hiệu để chế tạo máy tính có tính cao máy đơn xử lý chế tạo máy tính đa xử lý - Máy tính đa xử lý hiệu dùng cho đa chương trình Đa chương trình dùng chủ yếu cho máy tính lớn cho máy phục vụ lớn 15 NHÓM SV: LỚP LT TC- ĐH ĐIỆN TỬ 1_K1 KHOA ĐIỆN TỬ TRƯỜNG ĐHCN HÀ NỘI KỸ THUẬT SONG SONG MỨC LỆNH CHƯƠNG KẾT LUẬN Ngay từ máy tính đời người ta nghĩ đến việc xây dựng hệ thống đa xử lý sở nhiều xử lý đơn ghép lại Tuy nhiên, trình phát triển tận dụng kỹ thuật đa xử lý chậm Lý chậm trễ có nhiều vấn đề phần cứng lẫn phần mềm cần phải giải sử dụng hệ thống đa xử lý hiệu ứng dụng thực tế Song lạc quan tương lai hệ thống đa xử lý song song, lý sau: Ứng dụng xử lý song song vài lĩnh vực bắt đầu triển khai Đầu tiên phải kể đến lĩnh vực tính tốn kỹ thuật khoa học Trong lĩnh vực ln cần tới hệ thống tính tốn ngày mạnh hơn, đồng thời có nhiều tốn có chất song song Tuy nhiên việc lập trình tốn song song lĩnh vực vấn đề phức tạp Một lĩnh vực khác ứng dụng sở liệu quy mơ lớn Khi máy chủ sở liệu phải xử lý nhiều yêu cầu độc lập, có sức mạnh đa xử lý song song khối lượng lớn đáp ứng yêu cầu thời gian ngặt nghèo hệ thống Các hệ đa xử lý hoạt động hiệu cao nhiệm vụ có khối lượng tính tốn lớn thơng thường máy tính mainframe server lớn thực Chẳng hạn ứng dụng phục vụ lớn, đòi hỏi nhiều tài nguyên CPU nhớ file server, web server, … Gần đây, hệ đa xử lý tỏ có hiệu ứng dụng thương mại có cường độ xử lý lớn; chẳng hạn: hệ trợ giúp định DSS (Decision Support System), ứng dụng search engine, ứng dụng OLTP… Các hệ thống đa xử lý chip lớn mạnh dần, có tầm quan trọng đáng kể Trước hết dành cho hệ thống nhúng, nơi phải xử lý nhiều dòng liệu vào song song Bên cạnh đó, thiết kế nhiều xử lý chip tạo xử lý mạnh với giá thành thấp việc thiết kế lại xử lý Mặc dù kiến trúc đa xử lý tương lai chắn chiếm vị quan trọng so với Tuy nhiên xử lý đơn tiếp tục phát triển với tốc độ nhanh, khó để nói hai kiến trúc có kiến trúc vượt trội 16 NHĨM SV: LỚP LT TC- ĐH ĐIỆN TỬ 1_K1 KHOA ĐIỆN TỬ TRƯỜNG ĐHCN HÀ NỘI KỸ THUẬT SONG SONG MỨC LỆNH 17 NHÓM SV: LỚP LT TC- ĐH ĐIỆN TỬ 1_K1 KHOA ĐIỆN TỬ ... NỘI KỸ THUẬT SONG SONG MỨC LỆNH MỤC LỤC trang CHƯƠNG 1.KHÁI QUÁT VỀ KỸ THUẬT SONG SONG MỨC LỆNH 1.1 Kỹ thuật song song mức lệnh vấn đề dược quan tâm 1.2 Khái niệm kỹ thuật song. .. ĐIỆN TỬ 1_K1 KHOA ĐIỆN TỬ TRƯỜNG ĐHCN HÀ NỘI KỸ THUẬT SONG SONG MỨC LỆNH CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT SONG SONG MỨC LỆNH 1.1 Kỹ thuật song song mức lệnh vấn đề dược quan tâm Từ xử lý sử dụng công... NỘI KỸ THUẬT SONG SONG MỨC LỆNH khơng khó dự đoán Tuy nhiên, chằn hiệu đơn xử lý mang lại bị giảm xuống vai trò kiến trúc đa xử lý trở nên quan trọng 1.2 Khái niệm kỹ thuật song song mức lệnh