并行加工
计算机系统具有可以同时进行运算或操作的特性,在同一时间完成两种或两种以上工作
并行性是指计算机系统具有可以同时进行运算或操作的特性,在同一时间完成两种或两种以上工作。并行加工是指计算机系统中多个组件或设备同时对一个产品不同生产过程进行加工。并行加工可以在一定程度上提高效率并提高资源利用率。
简介
并行加工是指计算机系统中多个组件或设备同时对一个产品不同生产过程进行加工。在现代生产制造过程中,为了追求最高的效率以适应市场的快速变化,使产品在竞争中获胜, 进行任务的并行、协同制造是有效的解决方式,即发生时间耦合关系的任务越多,执行的效率就越高。制约并行加工的因素有:资源冲突和数据冲突。并行加工一般通过流水线技术实现。
并行加工的级别
从处理数据的角度看,并行性等级从低到高可分为:
(1)字串位串:同时只对一个字的一位进行处理。这是最基本的串处理方式,不存在并行性。
(2)字串位并:同时对一个字的全部位进行处理,不同字之间是串行的。这里已开始出现并行性。
(3)字并位串:同时对许多字的一位进行处理。这种方式有较高的并行性。
(4)全并行:同时对许多字的全部位进行处理。这是最高一级的并行性。
从执行程序的角度看,并行性等级从低到高可分为:
(1)指令内部并行:一条指令执行时各微操作之间并行。
(2)指令级并行:并行执行两条或多条指令。
(3)任务级或过程级并行:并行执行两个以上过程或任务(程序段)。
(4)作业或程序级并行:并行执行两个以上作业或程序。
在单处理机系统中,这种并行性升到某一级别后(如任务级或过程级并行),需要通过软件(如操作系统中的进程管理、作业管理)来实现;而在多处理机系统中,已具备了完成各项任务或作业的处理机,其并行性是由硬件实现的。在一个计算机系统中,可以采取多种并行性措施,既可以有数据处理方面的并行性,也可以有执行程序方面的并行性。当并行性提高到一定级别时,称为进入并行处理领域。例如,处理数据的并行性达到字并位串级,或者执行程序的并行性达到任务或过程级,就可以认为进入并行处理领域。
实现方式
时间重叠
时间重叠即时间并行。在并行性概念中引入时间因素,即多个处理过程在时间上相互错开,轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分,以加快硬件周转时间而赢得速度。
资源重复
资源重复即空间并行。在并行性概念中引入空间因素,以数量取胜的原则,通过重复设置硬件资源,大幅度提高计算机系统的性能,随着硬件价格的降低,这种方式在单处理机中广泛使用,而多处理机本身就是实施“资源重复”原理的结果。
时间重叠+资源重复
在计算机系统中同时运用时间并行和空间并行技术,这种方式在计算机系统中得到广泛使用,成为并行性主流技术。
资源共享
这是一种软件方法。它使多个任务按一定时间顺序轮流使用同一套硬件设备。例如多道程序、分时系统就是遵循“资源共享”原理而产生的。资源共享既降低了成本,又提高了计算机设备的利用率。
资源冲突
并行执行任务在请求使用同一类型资源时,可能发生资源冲突, 称这些资源为冲突资源。由于网格中的设备具有独占性的特点,即在某一时间段内一台设备上只能执行一个任务,只有等这一任务执行完毕并释放资源后才能开始执行下一任务,而在网格中多个任务同时请求使用一台设备的情况是可能的而且普遍存在,所以在制造网格环境下 ,资源冲突问题显得更为突出和严重。 为此, 在进行冲突资源的分配时,应同时兼顾任务、资源、操作者三者的关系。 主要考虑两个因素:一是设备的实际加工能力要与任务对设备加工能力的需求相适应;二是考虑设备操作者的意愿。 设备操作者的选择倾向将直接影响他们执行任务的兴趣,从而影响产品的交货期、加工质量和售后服务等。 因此,下面的方法将在任务需求与资源能力进行匹配的基础上,适当考虑设备操作者的意愿,实现产品并行加工。
流水线技术
用于提高计算机运算速度和提高各个部件使用效率的一种技术,其实质是利用时间重叠的方式来实现并行处理。在具体实现上,把计算机的指令执行过程或一些费时的操作分解成若干个可独立执行的步,并设置一些执行部件(通常称为站)来分别完成这些步。这样,可在同一时间内重叠处理多条指令或多个操作的各个步。这种结构类似于工业生产中流水线的概念。20世纪纪六七十年代,流水线技术只用于昂贵的大型计算机或巨型计算机,例如CDC公司的6600计算机、IBM公司的360/91、Cray公司的Cray-1等。到80年代,由于微电子技术的飞速发展,逻辑元件的成本大幅度下降,集成度大幅度提高,流水线技术已推广到各类计算机中,甚至微型计算机中也采用了流水线技术。
计算机流水线主要分为指令流水线和运算流水线两类。指令流水线技术的实质是将指令执行过程分解为若干步,如取指令、指令译码、形成操作数有效地址、取操作数和执行指令。若将这五个步骤分配到能独立工作的站中去重叠执行,则可大大加快执行速度,缩短平均执行时间。采用运算流水线的目的也是为了加快计算机中的某些很费时间的运算的执行速度,例如浮点运算、乘法、除法等。浮点加法运算一般可分为四个步骤,即对阶、尾数相加、规格化和舍入及再规格化等。这四个步骤可用一条由小卜站构成的流水线重叠执行。流水线技术已广泛地应用在各类计算机中,80年代后期以来又得到了较大发展,出现了超标量、超流水线和超长指令字的体系结构,出现了多条流水线或多个功能部件的体系结构。
参考资料
最新修订时间:2022-08-25 13:02
目录
概述
简介
并行加工的级别
参考资料