一、多處理機(jī)的特點(diǎn)和主要技術(shù)指標(biāo)

1、定義：兩個(gè)或兩個(gè)以上處理機(jī)(包括PU和CU)，通過高速互連網(wǎng)絡(luò)連接起來，在統(tǒng)一的操作系統(tǒng)管理下，實(shí)現(xiàn)指令以上級（任務(wù)級、作業(yè)級）并行。按照Flynn分類法，多處理機(jī)系統(tǒng)屬于MIMD多處理機(jī)系統(tǒng)由多個(gè)獨(dú)立的處理機(jī)組成，每個(gè)處理機(jī)都能夠獨(dú)立執(zhí)行自己的程序。 存儲器操作并行——并行存儲系統(tǒng)、相聯(lián)處理機(jī) 處理器操作步驟并行——流水線處理機(jī) 處理器操作并行——陣列處理機(jī) 任務(wù)、作業(yè)并行——多處理機(jī)2、目的：

通過多個(gè)作業(yè)、任務(wù)的并行處理提高大而復(fù)雜問題的解題速度使用冗余的多個(gè)處理機(jī)，通過重新組織來提高系統(tǒng)的可靠性、適用性和可用性（1）、結(jié)構(gòu)靈活性并行處理機(jī)：專用，PE數(shù)很多（幾千個(gè)），固定有限的通信多處理機(jī)：

通用，幾十個(gè)，高速靈活的通信（2）、程序并行性并行處理機(jī)并行性存在于指令內(nèi)部，識別比較容易多處理機(jī)并行性存在于指令外部，在多個(gè)任務(wù)之間，識別難度較大3、特點(diǎn)（5）、資源分配和進(jìn)程調(diào)度

并行處理機(jī)的PE是固定的，采用屏蔽手段改變實(shí)際參加操作的PE數(shù)目

多處理機(jī)執(zhí)行并發(fā)任務(wù)，需用處理機(jī)的數(shù)目不固定，各個(gè)處理機(jī)進(jìn)入或退出任務(wù)的時(shí)刻不相同，所需共享資源的品種、數(shù)量又隨時(shí)變化提出資源分配和進(jìn)程調(diào)度問題，它對整個(gè)系統(tǒng)的效率有很大的影響。多處理機(jī)為適應(yīng)多種算法，要求結(jié)構(gòu)能更靈活、變化要多，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的機(jī)間互連且避免爭用共享的硬件資源多處理機(jī)的并行性主要體現(xiàn)于指令的外部，使得程序并行性的識別比較困難。它必須利用算法、程序語言、編譯、操作系統(tǒng)、指令及硬件等，從多種途徑去挖掘出各種潛在的并行性。多處理機(jī)需要有專門的指令或語句來控制并行任務(wù)的派生。根據(jù)并發(fā)任務(wù)之間的數(shù)據(jù)相關(guān)或控制依賴等關(guān)系，使用專門的手段來進(jìn)行并行任務(wù)（進(jìn)程）的同步。多處理機(jī)執(zhí)行并發(fā)任務(wù)所需的處理機(jī)的機(jī)數(shù)是不定的。各處理機(jī)進(jìn)入或退出任務(wù)所需資源的變化比較復(fù)雜，必須較好的解決動態(tài)的資源分配和任務(wù)調(diào)度，讓各處理機(jī)的負(fù)荷盡可能均衡，防止死鎖。多處理機(jī)中某個(gè)處理機(jī)發(fā)生故障后，應(yīng)知道如何重新組織系統(tǒng)，使系統(tǒng)不至于癱瘓。多處理機(jī)機(jī)數(shù)增多后，應(yīng)知道如何提供良好的編程環(huán)境。因此，多處理機(jī)的結(jié)構(gòu)、機(jī)間互連、并行算法、并行語言、編譯、操作系統(tǒng)等都將會直接影響到系統(tǒng)的性能和效率的提高。

二、多處理機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)1、多處理機(jī)的構(gòu)型緊耦合多處理機(jī)通過共享主存實(shí)現(xiàn)機(jī)間通信為了減少訪問主存的沖突，主存采用模m多體交叉方式組織。如果處理機(jī)自帶局部存儲器或再加上Cache存儲器，可以大大提高系統(tǒng)的性能，降低對處理機(jī)——存儲器互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的使用發(fā)生沖突的概率。松耦合多處理機(jī)的每臺處理機(jī)有一個(gè)容量較大的存儲器，用于存放各處理機(jī)常用的指令和數(shù)據(jù)，減少訪主存的沖突。處理機(jī)之間通過通道或消息傳送系統(tǒng)MTS來進(jìn)行通信。

多端口存儲器互連是將分布于交叉開關(guān)矩陣中的控制，轉(zhuǎn)移和優(yōu)先級仲裁邏輯放置到相應(yīng)存儲器模塊的接口中來。它對機(jī)數(shù)少的多處理機(jī)場合還是很適用的，但處理機(jī)機(jī)數(shù)固定了，不能隨意擴(kuò)充，整個(gè)系統(tǒng)性能不可能很高。

分布式結(jié)構(gòu)的開關(guān)樞紐形式：將互連結(jié)構(gòu)的開關(guān)設(shè)置在各處理機(jī)或接口內(nèi)部。在這種形式中，每臺處理機(jī)都經(jīng)過其開關(guān)樞紐與其它多臺處理機(jī)連接，適合于用在處理機(jī)機(jī)數(shù)很多的分布式多處理機(jī)的場合?？蓴U(kuò)充性好，系統(tǒng)流量大。

3、存儲器組織在多處理機(jī)上，如果各個(gè)處理機(jī)活躍的進(jìn)程是共享同一個(gè)集中連續(xù)的物理地址空間中的數(shù)據(jù)時(shí)，主存宜采用低位交叉編址；如果較少或基本不共享集中的數(shù)據(jù)時(shí)，主存宜用高位交叉編址。采用Cache存儲器時(shí)，應(yīng)解決好多個(gè)Cache存儲器之間信息的一致性問題。目前，主要采用以硬件為基礎(chǔ)的監(jiān)視Cache協(xié)議法。3、浮動型：操作系統(tǒng)的管理程序可在處理機(jī)之間浮動它可使各種資源有較好的負(fù)荷均衡；在硬件結(jié)構(gòu)和可靠性上有分布控制的優(yōu)點(diǎn)。在操作系統(tǒng)的復(fù)雜性和經(jīng)濟(jì)性上，它接近于主從型的，但操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)最為困難，適合于緊耦合的同構(gòu)型多處理機(jī)。

四、程序的并行性

1、并行算法：它取決于計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)和題目，是提高多處理機(jī)并行性能的關(guān)鍵。研究并行算法的一種思路是將大的程序分解成可由足夠多的處理機(jī)并行處理的并行過程。每個(gè)過程被看成是一個(gè)結(jié)點(diǎn)，將過程之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系用結(jié)點(diǎn)組成的樹來描述。增大樹中每一層的結(jié)點(diǎn)數(shù)，即增大各處理機(jī)可并行運(yùn)行的過程數(shù)；降低樹的高度，即降低多處理機(jī)的運(yùn)算級數(shù)。

E=a+b·x+c·x·x+d·x·x·xdx*+*+*+cxbxa處理機(jī)的個(gè)數(shù)：P=3 運(yùn)算的級數(shù)，樹高：Tp=4加速比，順序運(yùn)算的級數(shù)與并行運(yùn)算的級數(shù)比：Sp=T1/Tp=3/2效率：Ep=Sp/p=1/2*xxE=a+x(b+x(c+x(d)))*xx*bx*x*c+a+d++

2、編譯：在多處理機(jī)上，程序的并行要求要設(shè)計(jì)出好的編譯程序，能將高級語言源程序盡可能編譯出并行度高的目標(biāo)程序，而不是生成指令間有著大量相關(guān)的串行程序。3、程序段間的相關(guān)性分析多個(gè)程序段、進(jìn)程、任務(wù)之間能否并行，依賴于程序的結(jié)構(gòu)。程序段間的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)是限制程序并行的重要因素。若有先寫后讀的數(shù)據(jù)相關(guān)，可以串行，不能并行。若有先讀后寫的數(shù)據(jù)反相關(guān)，可以串行，不能交換串行?？梢圆⑿袌?zhí)行，但必須保證其寫入共享主存時(shí)的先讀后寫的次序。若有（先）寫（后）寫的數(shù)據(jù)輸出相關(guān)，可以串行，在保證對相關(guān)單元寫入的先后次序的前提下，可以并行，但不能交換串行。若同時(shí)有先寫后讀和先讀后寫兩種相關(guān)，以交換數(shù)據(jù)為目的時(shí)，則必須是并行，并要求讀與寫完全同步，不允許順序串性和交換串行。若沒有任何相關(guān)，或僅有源數(shù)據(jù)相同時(shí)，可以并行，順序串行或交換串行交換串行的目的是：如果程序段之間不能并行，也可以讓空閑的處理機(jī)提前去執(zhí)行后面的程序段，這可以從宏觀上增強(qiáng)各個(gè)程序段之間的并行度，加快作業(yè)完成的速度，改進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。S1:U=A+B；S2:V=U/B；S3:W=A*U；S4:X=W-V；S5:Y=W*U；S6:Z=X/Y10U=A+BFORK3020V=U/BJOIN2GOTO4030W=A*UJOIN240FORK6050X=W-V JOIN2GOTO7060Y=W*UJOIN270Z=X/YFORK3010+20/JOIN230*JOIN2GOTO40FORK6050-60*JOIN2JOIN270/CPU1CPU2tFORKS2,S3,S4S1A1=A1+A2JOIN4GOTO*S2

A3=A3+A4JOIN4GOTO*S3

A5=A5+A6JOIN4GOTO*S4

A7=A7+A8JOIN4

*

FORKS6S5

A1=A1+A3JOIN2GOTOS7S6

A5=A5+A7JOIN2S7

A1=A1+A5CPU1CPU2tCPU1CPU2tCPU3FORKS2,S3,S4S1A1=A1+A2JOIN4GOTO*S2

A3=A3+A4JOIN4GOTO*S3

A5=A5+A6JOIN4GOTO*S4

A7=A7+A8JOIN4

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FORKS6S