slide bài giảng kiến trúc máy tính và hệ điều hành chương 4 một số kiến trúc hiện đại

Kiến trúc RISC Reduced Instruction Set Computer CHƯƠNG 4: MỘT SỐ KIẾN TRÚC HIỆN ĐẠI + Cuối những năm 1970, đầu những năm 1980: - Tiến bộ trong lĩnh vực mạch tích hợp IC - Tiến bộ trong

Trang 1

KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

VÀ HỆ ĐIỀU HÀNH

Trang 2

4.1 Kiến trúc RISC và CISC

4.2 Mạng liên kết trong (Interconnection

Networks)

CHƯƠNG 4:

MỘT SỐ KIẾN TRÚC HIỆN ĐẠI

4.3 Đa bộ xử lý và đa máy tính

4.4 Lập trình song song và các thuật toán

song song

4.5 Kiến trúc dòng dữ liệu và siêu mảng

4.6 Kiến trúc trong tương lai

Trang 3

4.1.1 Kiến trúc CISC (Complex Instruction Set

Computer)

CHƯƠNG 4: MỘT SỐ KIẾN TRÚC HIỆN

ĐẠI

+ Phát minh ra từ những năm 1960:

- Các chương trình dịch khó dùng các thanh ghi

- Các vi lệnh được thực hiện nhanh hơn các lệnh

- Phải làm giảm độ dài các chương trình

Trang 4

- Các lệnh có chiều dài thay đổi

- Hiệu quả nhất khi dùng bộ điều khiển vi chương trình

Trang 5

4.1.1 Kiến trúc CISC

ĐẠI

+ Kiến trúc CISC:

Trang 6

- Sử dụng nhiều kiểu định vị

- Ít hoặc không có đường ống

- Các lệnh đều có thể tham chiếu bộ nhớ

Trang 7

4.1.2 Kiến trúc RISC (Reduced Instruction Set

Computer)

ĐẠI

+ Cuối những năm 1970, đầu những năm 1980:

- Tiến bộ trong lĩnh vực mạch tích hợp (IC)

- Tiến bộ trong kỹ thuật dịch chương trình

 CT dịch đã biết sử dụng các thanh ghi

 Sử dụng ô nhớ cho vi CT hay CT không có sự khác biệt đáng kể

Máy tính với tập lệnh rút gọn RISC

Trang 8

- Dùng kiểu thực hiện lệnh thanh ghi - thanh ghi

- Mỗi lệnh thực hiện trong một chu kỳ máy

Sử dụng kỹ thuật đường ống một cách thích hợp

- Các lệnh LOAD/STORE mới truy nhập bộ nhớ

Trang 9

Computer)

ĐẠI

+ Kiến trúc RISC:

Trang 10

- Các lệnh đều có cùng chiều dài

- Có nhiều thanh ghi để giảm bớt thâm nhập bộ nhớ

- Chỉ có lệnh ghi hay đọc ô nhớ mới thâm nhập bộ nhớ

- Có một số ít các kiểu định vị (tức thời, gián tiếp)

Trang 11

Computer)

ĐẠI

+ Mạch xử lý RISC có các ưu điểm:

- Diện tích dùng cho bộ điều khiển giảm

- Thời gian thiết kế bộ điều khiển giảm

- Bộ điều khiển đơn giản và gọn, giảm rủi ro mắc phải

- Tốc độ tính toán cao

Trang 12

Computer)

ĐẠI

+ Mạch xử lý RISC có các nhược điểm:

- Các chương trình dài ra do:

- Các CT dịch gặp nhiều khó khăn

- Có ít lệnh trợ giúp cho ngôn ngữ cấp cao

 Cấm thâm nhập bộ nhớ đối với hầu hết các lệnh

 Phải tính các địa chỉ hiệu dụng

 Tập lệnh có ít lệnh

Trang 13

8

.

Có ít thanh ghi Có nhiều thanh ghi

Trang 14

4.2 Mạng liên kết trong (Interconnection Network)

4.2.1 Định nghĩa

ĐẠI

+ Trong các kiến trúc song song:

- Đa bộ xử lý chia sẻ bộ nhớ - Đa bộ xử lý đa bộ nhớ

Trang 15

4.2 Mạng liên kết trong (Interconnection Network)4.2.1 Định nghĩa

Private

Memory

Global Memory

Trang 16

Trang 17

4.2 Mạng liên kết trong (Interconnection Network)4.2.1 Định nghĩa

ĐẠI

+ Có hai loại cấu hình tôpô cho mạng liên kết:

- Mạng liên kết tĩnh: các thành phần liên kết với nhau một cách cố định, không thay đổi được

- Mạng liên kết động: sự liên kết giữa các thành phần của hệ thống có thể thay đổi được cấu hình + Lĩnh vực liên kết động được tập trung nghiên cứu hơn

Trang 18

4.2.2 Các loại cấu hình tôpô của mạng liên kết

ĐẠI

* Mạng liên kết tuyến tính:

+ Các BXL được tổ chức liên kết với nhau theo dãy

+ Được đánh số theo thứ tự tăng dần

P0 P1 Pn-2 Pn-1+ Tất cả các BXL đều có 2 láng giềng (trừ 2BXL đầu và cuối)+ Dữ liệu phải chuyển qua nhiều BXL  chậm đường truyền

Trang 19

ĐẠI

* Mạng liên kết vòng:

+ Tổ chức tương tự như

liên kết tuyến tính nhưng

BXL đầu và cuối được nối

Trang 20

4.2 Mạng liên kết trong (Interconnection Network)4.2.2 Các loại cấu hình tôpô của mạng liên kết

ĐẠI

* Mạng liên kết xáo trộn:

+ Giả sử có N BXL (N là lũy thừa của 2) (Ví dụ N = 8)

P0 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7

+ Đường liên kết thay đổi

+ Đường liên kết xáo trộn

Trang 21

ĐẠI

* Mạng liên kết lưới hai chiều:

+ Được sử dụng để thiết kế các máy tính: ILLIAC IV, MPP (Masively Parallel Processor), DAP (Distributed Array Processor)

+ Mỗi BXL được liên kết với bốn láng giềng

+ Có hai dạng:  Lưới không quay vòng

 Lưới quay vòng tròn

Trang 22

ĐẠI

* Mạng liên kết lưới hai chiều:

Lưới không quay vòng Lưới quay vòng tròn

Trang 23

0

4

1 5

+ Hai BXL được gọi là láng

giềng nếu nhãn sai khác

nhau đúng 1 bit

+ Mỗi BXL cần liên kết với đúng

q BXL: hình siêu khối q chiều

Trang 24

ĐẠI

* Mạng liên kết hình sao:

* Mạng liên kết hình cây:

Trang 25

ILLIAC IV 1972 SIMD 64, tuyến tính

Cyber 1983 MIMD 16, hình vòng xuyến

IPSC/1 1985 MIMD 128, siêu khối

IPSC/2 1987 MIMD 128, siêu khối

Intel Wrap 1990 Vector 50

Trang 26

4.3.1 Đa bộ xử lý

ĐẠI

+ Các BXL chia sẻ bộ nhớ và các thiết bị vào ra

+ Các tác vụ ghi/đọc của các BXL vào cùng một vùng nhớ được giải quyết bới bộ nhớ đệm

+ Kiểu lập trình là sự mở rộng của kiểu đơn BXL

Trang 27

4.3.2 Đa máy tính

ĐẠI

+ Tất cả bộ nhớ và thiết bị vào ra là độc lập

+ Di chuyển dữ liệu trong mạng liên kết chậm

+ Kiểu lập trình là sự mở rộng của kiểu đơn BXL

Trang 28

4.4 Lập trình song song và các thuật toán song song

- Là một tập các tiến trình có thể thực hiện tuần tự hoặc đồng thời có tương tranh

- Chương trình = Cấu trúc dữ liệu + Giải thuật (Thuật toán)

Trang 29

4.4.1 Lập trình song song

ĐẠI

+ Trong môi trường lập trình tuần tự:

- Một CT thực hiện trên cùng một tập dữ liệu cho ra cùng một kết quả

- CT thực hiện sẽ tạo ra 1 tiến trình bên trong hệ thống

mà người sử dụng không quan sát được

- Mỗi câu lệnh thực hiện không gây trở ngại cho các câu lệnh khác trong CT

Trang 30

ĐẠI

+ Trong môi trường đa chương trình, đa bộ xử lý:

- Các câu lệnh của các CT có thể được thực hiện đan xen

- Ở cùng 1 thời điểm có thể có nhiều hơn 1 CT được thực hiện

- Các CT tự chủ thực hiện các tiến trình của mình

- Các CT phải tương tác với nhau, việc thực hiện các CT ảnh hưởng tới nhịp độ thực hiện của nhau

Trang 31

ĐẠI

+ Trong môi trường lập trình song song:

- Người lập trình phải cung cấp các công cụ để đồng bộ hóa và điều khiển sự tương tác giữa các tiến trình

- Tạo và lập lịch cho các tiến trình

- Người lập trình có thể “nhìn thấy” quá trình thực hiện CT Tận dụng khả năng tính toán của các BXL:

- Phát triển các ngôn ngữ lập trình

- Xây dựng các chương trình dịch đủ mạnh

Trang 32

 Bổ sung thêm đặc tính con trỏ

 Nhiều kiểu dữ liệu được định nghĩa bởi người dùng

Trang 33

4.4 Lập trình song song và các thuật toán song song4.4.1 Lập trình song song

ĐẠI

* Một số ngôn ngữ lập trình (NNLT) song song:

+ OCCAM (Inmos Company phát triển năm 1988):

- Lập trình cho các hệ thống nhiều máy tính kết nối với nhau hoặc các hệ phân tán

- Thiếu một số đặc tính:

 Hỗ trợ cơ chế đệ quy

 Định nghĩa kiểu dữ liệu hay con trỏ

- Một hành động có thể thực hiện song song  tiến trình

Trang 34

ĐẠI

* Sự phụ thuộc dữ liệu và đồ thị ưu tiên:

+ Quyền ưu tiên: mức độ phụ thuộc tính toán của câu lệnh+ Quan hệ ưu tiên tính toán trong xử lý song song rất quan trọng  đảm bảo quá trình tính toán là chính xác

+ Ví dụ:

S1: A := B + C

S2: B := A + E

S3: A := A + B

Trang 35

- S1 tính giá trị biến A và biến này được S2 và S3 sử dụng

 Có sự phụ thuộc S2, S3 vào S1 (ký hiệu là d1, d2)

d1

d2

Trang 36

ĐẠI

+ Phân tích các phụ thuộc:

- S2 tính giá trị biến B và biến này được S3 sử dụng

 Có sự phụ thuộc S3 vào S2 (ký hiệu là d3)

d1

d2

d3

Trang 37

ĐẠI

+ Phân tích các phụ thuộc:

- Giá trị trước đó của biến B được sử dụng ở S1

 Có sự phụ thuộc của S2 vào S1 (ký hiệu là d4)

d1

d2

d3d4

Trang 38

d5

Trang 39

- S3 tính giá trị biến A và biến này được S2 và S3 sử dụng

 Có sự phụ thuộc S2, S3 vào S3 (ký hiệu là d6, d7)

d1

d2

d3d4

d5

d6

d7

Trang 40

Trang 41

ĐẠI

+ Các ký hiệu:

- DEF(S): tập các biến có giá trị bị thay đổi khi thực hiện S

- USE(S): tập các biến được truy cập khi thực hiện S

+ Ví dụ: S: B := A + C - 2.0

- DEF(S) = {B}

- USE(S) = {A, C}

Trang 42

ĐẠI

+ Phân loại các phụ thuộc:

1 Phụ thuộc dòng dữ liệu (Data Flow Dependency):

2 Phản phụ thuộc dữ liệu (Data Anti - Dependency):

DEF(S 1 )  USE(S 2 )  

DEF(S 2 )  USE(S 1 )  

3 Phụ thuộc dữ liệu ra (Data Output Dependency):

DEF(S 2 )  DEF(S 1 )  

Trang 43

ĐẠI

+ Phân loại các phụ thuộc:

4 Phụ thuộc dữ liệu vào (Data Input Dependency):

5 Phụ thuộc điều khiển dữ liệu (Data Control Dependency):

USE(S 2 )  USE(S 1 )  

- Sự thực hiện của lệnh này phụ thuộc vào giá trị của các biến được tính ở lệnh kia

Trang 44

dữ liệu ra

Trang 45

Loại bỏ phản phụ thuộc dữ liệu

For i=1,n,1

X = A[i] + B[i]

Y[i] = 2 * XX= C[i] * D[i]

P = X + 15Endfor

Loại bỏ phản phụ thuộc dữ liệu

For i=1,n,1

X = A[i] + B[i]Y[i] = 2 * XXX= C[i] * D[i]

P = XX + 15Endfor

Trang 46

ĐẠI

+ Ví dụ: Xét dãy câu lệnh sau

S6: else D = 2

endif

S1

S2 S3

S4

Trang 47

ĐẠI

+ Ví dụ: Các câu lệnh sau khi biến đổi

S2’: B = (B + C) * 3

S3: A = 2 * C

S4: P = B >= 0

if (P is true)S5: then D = 1

S6: else D = 2

endif

S2’ S3

S4

Trang 48

Trang 49

Trang 50

Trang 51

Trang 52

Trang 53

4.4.2 Thuật toán song song

ĐẠI

* Nguyên lý thiết kế thuật toán song song:

+ Xử lý song song Kiến trúc máy tính

Thuật toán song song

+ Chương trình song song

Thuật toán song songCấu trúc dữ liệu

+ Thuật toán song song: tập các tiến trình (hay tác vụ)

- Có thể trao đổi dữ liệu với nhau

- Có thể thực hiện đồng thời

Giải bài toán

Trang 54

4.4 Lập trình song song và các thuật toán song song4.4.2 Thuật toán song song

ĐẠI

+ Cần trả lời các câu hỏi:

- Việc phân chia dữ liệu cho các tác vụ như thế nào?

- Dữ liệu được truy cập như thế nào?

- Những dữ liệu nào cần chia sẻ?

- Phân các tác vụ cho các bộ xử lý như thế nào?

- Các tiến trình được đồng bộ ra sao?

Trang 55

ĐẠI

+ Năm nguyên lý chính trong thiết kế thuật toán song song:

- Các nguyên lý lập lịch (độ phức tạp thuật toán)

- Nguyên lý hình ống

- Nguyên lý chia để trị

- Nguyên lý đồ thị phụ thuộc dữ liệu

- Nguyên lý điều kiện tranh đua

Trang 56

ĐẠI

+ Một số điểm cần quan tâm:

- Yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến độ phức tạp tính toán là cấu hình tôpô liên kết mạng

- Thuật toán song song phải được thiết kế dựa trên:

 Kiến thức về kiến trúc máy tính

 Ngôn ngữ lập trình song song

 Các phương pháp tính toán

Trang 57

4.4.2 Thuật toán song song

ĐẠI

* Các thuật toán sắp xếp song song:

+ Thuật toán sắp xếp theo hạng:

Trang 58

ĐẠI

- Thuật toán tuần tự được viết như sau:

x := 0;

for j := 0 to n do

if (a[i] > a[j]) then

x := x + 1;b[x] := a[i];

end

Trang 59

ĐẠI

- Thuật toán song song được viết cho n bộ xử lý:

forall (i = 0; i < n; i ++) //n bộ xử lý thực hiện song song{ x = 0;

for (j = 0; j < n; j ++) //đếm số phần tử nhỏ hơn

if (a[i] > a[j]) x++;

b[x] = a[i]; //Sao sang bảng được sắp xếp}

Định dạng
Số trang	69
Dung lượng	2,84 MB