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

Bài giảng Hệ thống máy tính

NKK-HUT

NKK-HUT

Hệ thống máy tính

Nội dung học phần

„

Chương 5
KIẾN TRÚC MÁY TÍNH TIÊN TIẾN

„
„
„
„

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

Nguyễn Kim Khánh
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

8 September 2009

1

NKK-HUT

8 September 2009

2

NKK-HUT

Nội dung

5.1. Phân loại kiến trúc máy tính
„

„
„
„
„

8 September 2009

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

Bài giảng Kiến trúc Máy tính

Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN

Phân loại của Michael Flynn (1966)
„
„
„
„

3

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

8 September 2009

Bài giảng Kiến trúc Máy tính

4

1


Bài giảng Hệ thống máy tính

NKK-HUT

NKK-HUT

SIMD

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

5

NKK-HUT

8 September 2009

NKK-HUT

SIMD (tiếp)

„

„

„

„

6

MISD

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 mơ hình SIMD
„
„

„

„

„
„

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

Vector Computer
Array processor

8 September 2009

Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN

7

8 September 2009

8

2


Bài giảng Hệ thống máy tính

NKK-HUT

NKK-HUT

MIMD
„

„

„

MIMD - Shared Memory

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

9

NKK-HUT

8 September 2009

10

NKK-HUT

MIMD - Distributed Memory

5.2. Máy tính vector và bộ xử lý mảng

„

Thuộc loại SIMD
„
„

8 September 2009

Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN

11

8 September 2009

Data parallelism in time = vector processing
Data parallelism in space = array processing

12

3


Bài giảng Hệ thống máy tính

NKK-HUT

NKK-HUT

Thực hiện bộ xử lý vector

Phép toán trên vector
Bộ xử lý vector:

for i = 0 to 63 do
P[i] := W[i] × D[i]
endfor

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

From scalar registers
Function unit 1 pipeline

Load
unit A

To and from memory unit

Bộ xử lý tuần tự:

Không xử lý song
song được

Load
unit B

Function unit 2 pipeline

Vector
register
file

Function unit 3 pipeline

Store
unit

Forwarding muxes

8 September 2009

13

NKK-HUT

8 September 2009

14

NKK-HUT

Ví dụ bộ xử lý mảng
Control

Processor array

Control
broadcast

8 September 2009

Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN

5.3. Một số kiến trúc MIMD thông dụng
1.SMP (Symmetric Multiprocessors)

Switches

Parallel
I/O

15

8 September 2009

16

4

Bài giảng Hệ thống máy tính

NKK-HUT

NKK-HUT

SMP (tiếp)
„
„

„

„
„

„

Ưu điểm của SMP
„

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

Hiệu năng
„

„

Tính sẵn dùng
„

„

NKK-HUT

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
„

17

Các cơng việc có thể thực hiện song song

Người sử dụng có thể tăng hiệu năng bằng
cách thêm bộ xử lý

8 September 2009

18

NKK-HUT

2. Cluster
„

„
„
„

„

Cluster (tiếp)

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)
Tồn bộ hệ thống có thể coi như là một
máy tính song song

8 September 2009

Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN

„

„
„
„

19

Dễ dàng xây dựng và mở rộng
Tính sẵn sàng cao
Khả năng chịu lỗi
Giá thành rẻ với hiệu năng cao

8 September 2009

20

5


Bài giảng Hệ thống máy tính

NKK-HUT

NKK-HUT

Cluster of PCs

8 September 2009

Cluster of SMPs

21

NKK-HUT

8 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 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)

„

Thay đổi của bộ
xử lý:
„
„
„
„
„

8 September 2009

Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN

23

8 September 2009

Tuần tự
Pipeline
Siêu vô hướng
Đa luồng
Đa lõi
24

6


Bài giảng Hệ thống máy tính

NKK-HUT

NKK-HUT

Các dạng tổ chức bộ 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)
„

8 September 2009

32KB instruction and 32KB data

„

8 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

8 September 2009

Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN

27

8 September 2009

28

7


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 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

29

ARM11
MPCore
Block
Diagram

NKK-HUT

8 September 2009

30

NKK-HUT

Hết chương 5

8 September 2009

Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN

31

8 September 2009

32

8