Bài giảng Hệ thống máy tính - Chương 5: Kiến trúc máy tính tiên tiến - Nguyễn Kim Khánh

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 T o a n d f r o m m e m o r y u n i t 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-HUTARM11 MPCore Block Diagram 8 September 2009 32 NKK-HUT Hết chương 5