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