文章目录

一.多处理器系统
- （一）计算机体系结构分类
- - 1.单指令单数据流SISD
  - 2.单指令多数据流SIMD
  - 3.多指令单数据流MISD
  - 4.多指令多数据流MIMD
  - （1）(共享内存)多处理器系统/多核处理器
  - （2）多计算机系统
- （二）向量处理机
二.硬件多线程
- 1.细粒度多线程
- 2.粗粒度多线程
- 3.同时多线程SMT

一.多处理器系统

（一）计算机体系结构分类

基于指令流的数量和数据流的数量，将计算机体系结构分为SISD、SIMD、MISD和MIMD四类。常规的单处理器属于SISD，而常规的多处理器属于MIMD。

1.单指令单数据流SISD

Single instruction, Single data
SISD是传统的串行计算机结构，这种计算机通常仅包含一个处理器和一个存储器，处理器在一段时间内仅执行一条指令，按指令流规定的顺序串行执行指令流中的若干条指令。为了提高速度，有些SISD计算机采用流水线的方式，因此，SISD处理器有时会设置多个功能部件，并采用多模块交叉方式组织存储器。

各指令序列只能并发，不能并行，每条指令只能处理一两个数据，不支持数据级并行技术。

SISD由一个处理器和一个主存储器组成

2.单指令多数据流SIMD

Single Instruction Multiple Data
SIMD是指一个指令流同时对多个数据流进行处理，一般称为数据级并行技术。这种结构的计算机通常由一个指令控制部件、多个处理单元组成。每个处理单元虽然都执行的是同一条指令，但每个单元都有自己的地址寄存器，这样每个单元都有不同的数据地址，因此，不同处理单元执行的同一条指令所处理的数据是不同的。一个顺序应用程序编译后，可能按SISD组织并运行于串行硬件上，也可能按SIMD组织并运行于并行硬件上。

适合对结构类似的大量数据进行相同的处理。
如：将数据分块，将每块数据放入各个局部存储器处理，每个处理方式是相同的，CU只需发出相同的控制信号，使各个执行部件处理即可，通过并行的处理提高了效率。

SIMD在使用for循环处理数组时最有效。比如，一条分别对16对数据进行运算的SIMD指令，如果在16个ALU中同时运算，则仅需一次运算时间就能完成运算。SIMD在使用case或switch语句时效率最低，此时每个执行单元必须根据不同的数据执行不同的操作。

特点：各指令序列只能并发、不能并行，但每条指令可同时处理很多个具有相同特征的数据，是一种数据级并行技术。

硬件组成需要包含：一个指令控制器CU、多个处理单元/执行单元（如ALU）、多个局部存储器、一个主存储器。每个执行单元有各自的寄存器组、局部存储器、地址寄存器；不同执行单元执行同一条指令，处理不同的数据

3.多指令单数据流MISD

Multiple Instruction Single Data
MISD是指同时执行多条指令，处理同一个数据，实际上不存在这样的计算机。只是作为理论模型出现，没有投入到实际应用之中。

4.多指令多数据流MIMD

Multiple Instruction Multiple Data
MIMD是用于实现并行性的技术。在任何时钟周期内，不同的处理器可以在不同的数据片段上执行不同的指令（同时执行多个指令流），而这些指令流分别对不同数据流进行操作。

特点：各指令序列并行执行，分别处理多个不同的数据。是一种线程/进程级并行（线程级并行：每个核可以运行各自的线程，多个线程可以并行执行）

分类：

（1）(共享内存)多处理器系统/多核处理器

各处理器之间，可以通过LOAD/STORE指令，访问同一个主存储器，可通过主存相互传送数据。即多个处理器共享一个主存储器

共享内存多处理器的另一种命名方式为“多核处理器”，一个CPU芯片中包含多个处理器，即多个核。因此通常也称为片级多处理器CMP（一块芯片上集成了多个处理器）。所有核共享一个LLC（最低一级的Cache），并共享主存储器

硬件组成：多个处理器、一个主存储器。多个处理器共享单一物理地址空间

（2）多计算机系统

各计算机之间，不能通过LOAD/STORE指令直接访问对方的存储器，只能通过“消息传递”相互传送数据

硬件组成：多个计算机，即多个处理器+多个主存器。每台计算机拥有各自的私有存储器，物理地址空间相互独立。

（二）向量处理机

一条指令的处理对象是向量。擅长对向量型数据并行计算、浮点数运算，常被用于超级计算机中，处理科学研究中巨大运算量

硬件组成：多个处理单元、多组“向量寄存器”。主存储器应采用“多个端囗同时读取”的交叉多模块存储器。主存储器大小限定了机器的解题规模，因此要有大容量的、集中式的主存储器

二.硬件多线程

不支持多线程的处理器，同一时间段内，只能处理一个线程相关的代码。若有两个线程的代码需要运行，可以先将A通用寄存器和PC的值存入主存，再切换到B

支持硬件多线程的处理器。线程A放左边的寄存器组，线程B放右边的寄存器组，这样就不需要保存至主存

1.细粒度多线程

在第一个时钟周期内，将线程A的两条指令放入IR，两条指令并行运行。第二个时钟周期完成线程B的两条指令。即轮流发射各线程的指令（每个时钟周期切换一个线程）。指令级并行，线程间不并行。切换代价低。

2.粗粒度多线程

连续几个时钟周期，都发射同一线程的指令序列。流水线阻塞时，才切换另一个线程。因为需要重载流水线，所以切换代价高。同样，指令级并行，线程间不并行

3.同时多线程SMT

一个时钟周期内，同时发射多个线程的指令。指令级并行，线程级并行

总结

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