系统结构chpt7

null计算机系统结构计算机系统结构第一章 基本概念 第二章 指令系统 第三章 存储系统 第四章 输入输出系统 第五章 标量处理机第六章 向量处理机 第七章 互连网络 第八章 并行处理机 第九章 多处理机第七章 互连网络第七章 互连网络7.1 互连网络的基本概念 7.2 互连网络的种类 7.3 消息传递机制 7.4 互连网络实例　　本章主要内容：并行处理机和 多处理机系统中的互连网络null7.1 互连网络的基本概念 7.1.1 互连网络的作用 7.1.2 互连网络的特性 7.1.3 互连网络的性能参数 7.1.4 互连网络的示方法null7.1.1 互连网络的作用 用来实现计算机系统内部多个处理机或多个功能部件之间的相互连接。 互连网络已成为并行处理系统的核心组成部分。 互连网络对整个计算机系统的性能价格比有着决定性的影响。 具有本地存储器、私有高速缓存、共享存储器和共享外围设备的一般处理机系统的互连结构null磁盘SM1SM2SMmIPMN……CnPnLMC1P1LMIPCN……………………PION磁带打印机终端网络…(共享存储器)(共享I/O与外设)null7.1.2 互连网络的特性 互连网络通常是用有向边或无向边连接有限个结点的组成。 互连网络的主要特性有： (1) 网络规模：网络中结点的个数 (2) 结点度：与结点相连接的边数称为结点度。包括入度和出度。进入结点的边数叫入度，从结点出来的边数则叫出度 (3) 距离：两个结点之间相连的最少边数 (4) 网络直径：网络中任意两个结点间距离的最大值。用结点间的连接边数表示nullAPPOSInterfaceAPPOSInterfacenull (5) 结点间的线长：两个结点间连线的长度。用米、公里等表示 (6) 对称性：从任何结点看到拓扑结构都是一样的网络称为对称网络。对称网络比较易实现，编程也较容易。null7.1.3 互连网络的性能参数 一台机器发送消息给另一台机器时，发送方的步骤如下： (1) 用户程序把要发送的数据拷贝到操作系统的缓冲区。 (2) 操作系统把缓冲区中的数据打包，并发送的网络接口部件。 (3) 网络接口硬件开始发送消息。 数据包的接收步骤如下： (1) 把数据包从网络接口部件拷贝到操作系统缓冲区。null (2) 检查收到的数据包，如果正确，给发送方发回答信号。 (3) 把接收到的数据拷贝到用户地址空间。发送方接收到回答信号后，释放系统缓冲区 互连网络在传输方面的主要性能参数： (1) 频带宽度(Bandwidth)：互连网络传输信息的最大速率。 (2) 传输时间(Transmission time)：等于消息长度除以频宽。 (3) 飞行时间(Time of flight)：第一位信息到达接收方所花费的时间。null (4) 传输时延(Transport latency)：等于飞行时间与传输时间之和。 (5) 发送方开销(Sender overhead)：处理器把消息放到互连网络的时间。 (6) 接收方开销(Receiver overhead)：处理器把消息从网络取出来的时间。 一个消息的总时延可以用下面公式表示： 总时延＝发送方开销＋飞行时间＋ 消息长度/频宽＋接收方开销null例7.1： 假设一个网络的频宽为10Mb/S，发送方开销为230us，接收方开销分别为270us。如果两台机器相距100米，现在要发送一个1000字节的消息给另一台机器，试计算总时延。如果两台机器相距1000公里，那么总时延为多大？ 解： 光的速度为299792.5KM/S，信号在导体中传递速度大约是光速的50％，相距100米时总时延为：null相距1000公里时的总时延为：null7.1.4 互连网络的表示方法 为了在输入结点与输出结点之间建立对应关系，互连网络有三种表示方法： (1) 互连函数表示法： 如：f(xn-1…x1x0)=x0xn-2…x1xn-1 自变量和函数可以用二进制表示，也可以用十进制等表示 (2) 图形表示法 (3) 输入输出对应表示法互连 网络…0011…n-1n-1输入: 0 1 2 3 4 5 6 7 输出: 1 0 3 2 5 4 7 6第七章 互连网络第七章 互连网络7.1 互连网络的基本概念 7.2 互连网络的种类 7.3 消息传递机制 7.4 互连网络实例　　本章主要内容：并行处理机和 多处理机系统中的互连网络null7.2 互连网络的种类 7.2.1 静态互连网络 7.2.2 循环互连网络 7.2.3 多级互连网络null7.2 互连网络的种类 互连网络的种类很多，分类方法也很多 以互连特性为特征，可分为如下几类： 静态互连网络：连接通路是固定的，一般静态互连网络不能实现任意结点到结点之间的互连。 循环互连网络：通过多次重复使用同一个单级互连网络以实现任意结点到结点之间的互连。 nullnull 多级互连网络：将多套相同的单级互连网络连接起来，实现任意结点到结点之间的互连。 全排列互连网络：不仅能够实现任意结点到结点之间的互连，而且能够同时实现任意结点到结点之间的互连。 全交叉开关网络：除了能够同时实现任意结点到结点之间的互连之外，还能够实现广播和多播。null7.2.1 静态互连网络 在各结点之间有固定的连接通路，在运行过程中不能改变的网络结构。 一维的有线性阵列结构；二维的有环形、星形、树形、网格形等；三维的有立方体等；三维以上的有超立方体等。 1、环形网 采用移数函数。使用不同的移数函数，可以构成多种环形网。 单向环行网：右环网，采用PM2+0函数。左环网，采用PM2-0函数。null 双向环行网：又称为一维邻居网，采用{PM2+0，PM2-0}函数。 环行网是对称的，结点度是常数2。双向环网的直径为N/2，单向环形网的直径是N 如果将结点度由2提高至3，可得到弦环网。增加的弦愈多，则结点度愈高，网络直径愈小。 循环移数网络也是一种环形网，它将环上每个结点与其距离为2的整数幂的结点之间连接构成。循环移数网的结点度为2n-1，直径为 n/2 。nullnull2、树形和星形网 一棵k层二叉树有N＝2k－1个结点，结点度是3，直径是2(k-1)。 星形是一种特殊的2层树，结点度很高，为d=N-1，直径是2。 二叉胖树的结点度从叶子结点往根结点逐渐增加。胖树缓解了一般二叉树根结点通信速度高的矛盾。null二叉树网二叉胖树网星形网null3、网格形网 是一种比较流行的网络结构，有各种变体形式。在Illiac IV、MPP、DAP、CM-2和Inetl Paragon中得到了实现。 一般网格网，N＝nk 结点的k维网格的结点度为2k，直径为k(n-1)。 环网形网格网沿阵列每行每列都有环形连接。一个n×n二元环网的结点度为4，直径为2?n/2?。环网是一种对称的拓扑结构。nullnullIlliac IV的8×8 Illiac网格，其结点度为4，直径为7。一个n×n Illiac 网格的直径为d=n-1，为纯网格直径的一半。 4、超立方体网 n维立方体由N＝2n 个结点, 分布在n 维上, 每维有两 个结点 超立方体网采用交 换函数，结点度 为n，直径也为nnull7.2.2 循环互连网络 一般静态互连网不能实现任意两结点之间的互连。有两种解决办法： 循环互连网：多次重复使用同一个单级互连网络 多级互连网：将多套相同的单级互连网络连接起来 前一种方法是牺牲时间换取设备，后一种方法是以设备换取时间 RN为网络连接寄存器，它有三个用处： 发送消息，接收消息，转发消息null例如：对于一个3维立方体网，如果要从PE0发送消息到PE3，需要经过如下4步： 时钟周期1：PE0  RN0 时钟周期2：RN0  RN1 时钟周期3：RN1  RN3 时钟周期4：RN3  PE3nullRN0单级互连网PE0RN1PE1RNnPEn……null7.2.3 多级互连网络 能够实现结点到结点之间的任意互连是互连网络的一种基本功能。循环互连网络虽然能够实现结点到结点之间的任意互连，但是，其通信速度低。 多级互连网络采用多个相同的或不同的互连网络直接连接起来。属于组合逻辑线路，一个时钟周期就能够实现任意结点到结点之间的互连。 多级互连网络采用的关键技术： (1) 交换开关null (2) 交换开关之间的拓扑连接 (3) 对交换开关的不同控制方式 1、交换开关 一个a×b交换开关有a个输入和b个输出。 最常用的二元开关：a=b=2。 每个输入可与一个或多个输出相连，但是在输出端必须避免发生冲突。一对一和一对多映射是容许的；但不容许有多对一映射。 只容许一对一映射时称为置换连接，称这种开关为n×n交叉开关。null具有直通和交换两种功能的交换开关称为二功能开关，或交换开关。用一位控制信号控制。 具有所有四种功能的交换开关称为四功能开关，用两位控制信号控制。null2、拓扑结构 前一级交换开关的输出端与后一级交换开关的输入端之间的连接模式称为拓扑结构。 通常采用前面介绍的互连函数实现拓扑结构模块大小合法状态交换连接2×2424×4256248×81677721640320n×nnnn!交换开关和合法状态null实际上，从结点的输出到第一级交换开关的输入，以及从最后一级交换开关的输出到结点的输入也可以采用拓扑结构连接。 3、控制方式 在多级互连网络中有多级交换开关，每一级又有多个交换开关。通常有三种控制方式 (1) 级控制：同一级交换开关使用同一个控制信号控制。 (2) 单元级控制：每个交换开关分别控制。 (3) 部分级控制：例如，第i级使用i+1个控制信号控制 (0  i  n-1)。null同一个多级互连网络分别常用三种不同的控制方式，可以构成三种不同的互连网络。 4、多级立方体网 采用二功能开关，总共需要开关 n 2n-1个。 采用交换函数构成拓扑结构，各级分别采用E0、E1、…En-1交换函数。 当所有开关都直通时，实现恒等变换。 当A、B、C、D四个开关交换，其余直通时实现 E0 互连函数。 当E、F、G、H四个开关交换，其余直通时实现 E1 互连函数。null 当I、J、K、L四个开关交换，其余直通时实现 E2 互连函数。 采用三种不同的控制方式，可以构成三种不同的互连网络。 采用级控制可以构成STARAN交换网。 采用部分级控制，可以构成STARAN移数网。 采用单元控制可以构成间接二进制n方体网。nullABCDEFGHIJKL0123456701234567k = 0k = 1k = 2第七章 互连网络第七章 互连网络7.1 互连网络的基本概念 7.2 互连网络的种类 7.3 消息传递机制 7.4 互连网络实例　　本章主要内容：并行处理机和 多处理机系统中的互连网络null7.3 消息传递机制 研究各种寻径方法，并它们的通信时延问题 7.3.1消息寻径方式 四种寻径方式：线路交换，存储转发、虚拟直通和虫蚀寻径等。 1、线路交换(circuit switch) 先建立一条从源结点到目的结点的物理通路，然后再传递消息。传输时延公式： T = (Lt/B)D+L/B，null其中：Lt为建立路径所需小信息包的长度 L为信息包的长度，D为经过的结点数，B为带宽。 优点：实际通信时间较短，使用缓冲区少。 缺点：建立源结点到目的结点的物理通路开销很大，占用物理通路的时间长。 2、存储转发(store and forward) 每个结点有一个包缓冲区，包从源结点经过中间结点到达目的结点。 存储转发网络的时延与源和目的地之间的距离成正比。传输时延公式：null T = (L/B)  D + L/B = (D + 1)  L/B 优点：占用物理通路的时间比较短。 缺点：包缓冲区大，时延大（与结点距离成正比）。 3、虚拟直通(virtual cut through) 当接收到用作寻径的消息头部时，即开始路由选择。通信时延公式： T=(Lh/B)  D + L/B = (Lh  D+ L)/B 其中：Lh是消息的寻径头部的长度，一般有，L>>Lh×D；通信时延可以近似为：T＝L/B，与结点数无关。null当出现寻径阻塞时，只能将整个消息存储在寻径结点中。 主要优点：通信延迟与结点数无关。 主要缺点：每个结点需要有足够大的缓冲区来存储最大信息包。在最坏的情况下与存储转发方式的 通信时延是一样的，经过的每个结点都发生阻塞，都需缓冲 4、虫蚀寻径(wormhole) 把包分成更小的片。每个结点的寻径器中有片缓冲区。 用头片直接开辟一条从输入结点到输出结null点的路径。每个消息中的片以流水方式在网络中向前“蠕动”。 当消息的头片到达一个结点A的寻径器后，寻径器根据头片的寻径消息立即做出路由选择 如果所选择的通道或的结点的片缓冲区不可用时，头片必须在该结点的片缓冲区中等待，其它数据片也在原来的结点上等待。通信时延用公式： T = TfD + L / B = (Lf/B)  D + L/B = (Lf  D + L) / B,null 其中：Lf是片的长度，Tf是片经过一个结点所需时间。一般有L>>Lf×D，通信时延公式近似为T＝L/B，与结点数无关 虫蚀寻径的优点： 每个结点的缓冲区较小，易于VLSI实现。 较低的网络传输时延。 通道共享性好，利用率高。 易于实现选播和广播通信方式。 虫蚀寻径的缺点： 当消息的一个片被阻塞时，整个消息都被阻塞，占用了结点资源。第七章 互连网络第七章 互连网络7.1 互连网络的基本概念 7.2 互连网络的种类 7.3 消息传递机制 7.4 互连网络实例　　本章主要内容：并行处理机和 多处理机系统中的互连网络null7.4 互连网络实例 7.3.1 总线互连 7.3.2 多端口存储器null7.4.1 总线互连 目前，大部分处理机内部采用总线结构。 CPU与存储器之间有系统总线 存储器与输入输出设备之间有I/O总线 总线与总线之间通过总线桥连接 总线的主要优点是结构简单，能够很方便实现广播通信。 总线的主要缺点是带宽低，发生总线冲突的可能性大。 总线冲突的解决办法有： (1) 设置静态优先级null (2) 在同步方式中采用时间片 (3) 采用动态优先级（如LRU法等） (4) 先来先服务 为了提高总线的通信带宽，有如下方法： (1) 采用多总线结构 (2) 层次总线结构 (3) 多维总线结构 多总线： 西门子公司的SMS系统（Stractured Multiprocessor System）通过8条总线连接128个处理机。null主机P1P2P16P17P18P32P113P114P128SMS多总线结构………………………………总线驱动器null层次总线： 卡内基梅隆大学的Cm*多处理机系统采用层次总线结构。 三级总线： 群总线、Map总线、处理机总线 每群14台处理机null卡内基梅隆大学的Cm*层次总线结构CmCmCm…KmCmBCm…KmCmCmCm…Km…MIOP群间总线null7.4.2 多端口存储器 目前的计算机相同一般以存储器为中心。多个多端口存储器与多个CPU和IOP连接 多端口存储器主要用于处理机个数不多的系统中。这种互连方式把复杂的互连网络移到了存储器中。nullnull本 章 重 点 1、主要的互连函数 2、几种典型互连网络的构成方法及特点 3、4 种寻径方式 练习题： 7.3 7.5 7.9 7.23 7.27/(1)(2)