《多处理机》课件2

多处理机课件课程安排课程时间安排课程内容安排答疑时间安排多处理机概述多处理机系统是指在一个系统中包含多个处理器，这些处理器可以同时执行多个任务多处理机系统可以提高系统的性能、可靠性和可用性多处理机系统根据处理器的数量和结构可以分为多种类型，例如双核处理器、多核处理器、对称多处理机和非对称多处理机等多处理机系统在现代计算机系统中应用广泛，例如服务器、工作站和超级计算机等多处理机发展历史早期1年代，大型机采用多个实现并行计算1960CPU多核时代2年代，单芯片多核处理器成为主流2000云计算3现代云计算平台，利用大量服务器集群实现高并发处理多处理机拓扑结构总线型树型星型网格型所有处理器通过一根总线连接多个处理器通过层次结构连接所有处理器通过一个中心节点处理器通过矩阵形式连接，扩到内存，结构简单，成本低，到内存，比总线型更灵活，扩连接到内存，可实现高效通展性强，但通信复杂度高，成但扩展性差展性好，但成本高信，但中心节点容易成为瓶本高颈多处理机的基本组成内存CPU12处理机核心，负责执行指令和存储程序和数据，供访CPU处理数据问设备总线I/O34与外部世界交互，例如键盘、连接、内存和设备，CPU I/O鼠标、显示器等实现数据传输的结构和工作原理CPU是计算机的核心部件，负责执行程序指令它的结构主要包括运算器、控CPU制器、寄存器组、高速缓存等运算器负责执行算术和逻辑运算，控制器负责控制程序的执行流程，寄存器组用于存放数据和指令，高速缓存用于提高的访问速度CPU总线结构的性能指标带宽传输速率总线周期总线宽度总线单位时间内可以传输的数总线一次传输的数据量，单位总线完成一次数据传输所需要总线一次传输的数据位数，单据量，单位是字节每秒是字节（）的时间，单位是纳秒（）位是位（）B nsbit（）B/s总线接口的技术实现逻辑接口逻辑接口定义了总线信号的类型和功能，例如数据线、地址线和控制线物理接口物理接口定义了总线信号的电气特性，例如电压、电流和阻抗协议总线协议规定了总线信号的传输顺序和时序关系，确保不同设备之间正常通信总线仲裁机制竞争共享资源仲裁目的多个设备同时访问总线，需要一个机制来协调访问，防止冲突公平地分配总线使用权，提高系统效率，避免数据传输错误总线仲裁算法固定优先级算法轮询算法每个设备固定分配一个优先级，设备按照循环顺序轮流获得总线优先级高的设备优先获得总线控控制权，适用于多个设备同时访制权问总线的情况链式请求算法竞争算法设备发出请求后，将请求信号传多个设备同时请求总线控制权，递给下一个设备，直到最后一个使用竞争机制来决定哪个设备获设备或总线控制器发出响应，适得控制权，例如使用总线请求信用于设备数量较少的情况号线中断机制中断机制是计算机系统中的一种重要机制，它允许在执行当前程序时，能CPU够及时处理来自外部设备或内部事件的请求当一个中断事件发生时，会CPU暂停当前正在执行的程序，转而执行与中断事件相关的处理程序，处理完后，再返回到原来程序执行的断点继续执行中断机制在现代计算机系统中扮演着重要的角色，它可以提高系统的效率，使系统能够及时响应各种事件，并实现系统与外界的交互中断处理流程中断发生1识别到中断请求CPU保存上下文2保存当前状态CPU中断处理3执行中断处理程序恢复上下文4恢复中断前的状态返回执行5继续执行被中断程序多处理器间通信多处理器间通信是多处理器系统中至关重要的部分，它允许不同的处理器协同工作，共享数据和资源常见的通信方式包括共享内存和消息传递共享内存允许处理器直接访问同一物理内存空间，实现数据共享消息传递则通过发送和接收消息来传递数据，例如使用管道、队列等通信机制通信协议共享内存消息传递远程过程调用不同处理器通过共享内存进行数据交处理器通过发送和接收消息进行通信，一个处理器上的程序可以调用另一个处换使用消息队列进行数据传递理器上的过程，通过网络进行远程调用任务分配算法将任务分配给特定处理器，以最大程平衡处理器负载，避免过载或闲置度地利用资源和提高效率考虑处理器间通信成本，优化任务分配策略任务调度策略先来先服务（）最短作业优先（）优先级调度时间片轮转FCFS SJF按任务到达的顺序进行调度，选择下一个运行时间最短的任根据任务优先级进行调度，可将时间划分为时间片，轮CPU简单易实现，但对短任务不务，可提高系统吞吐量，但需满足特定任务的优先级需求，流分配给各任务，可实现公平利预知任务运行时间但需合理设置优先级调度，但可能造成时间片过短的效率低下同步机制互斥1确保一次只有一个进程或线程可以访问共享资源同步2协调多个进程或线程之间的执行顺序，确保它们按照预定的顺序访问共享资源同步原语信号量互斥量12信号量是一种计数器，用于控互斥量是一种锁，用于确保一制对共享资源的访问次只有一个线程可以访问共享资源条件变量监视器34条件变量允许线程等待特定条监视器是一种抽象数据类型，件发生，例如资源可用它提供了一种简单的同步机制死锁概念和特征相互等待持有和等待不可剥夺循环等待多个进程互相等待对方释放资进程持有至少一个资源，同时进程持有的资源只能由进程主多个进程形成一个循环等待源，导致所有进程都无法继续等待另一个资源，而该资源被动释放，不能被其他进程强行链，每个进程都等待链中下一执行其他进程持有夺取个进程所持有的资源死锁预防策略互斥条件占有并等待资源不能被多个进程共享，必须独占进程已经获得了一些资源，但又请求使用其他资源，而这些资源已被其他进程占有，处于阻塞状态循环等待多个进程形成一个环形等待链，每个进程都等待着链中下一个进程所持有的资源死锁检测与解除检测监控系统资源的使用情况，以识别死锁情况，例如通过检测循环等待资源的进程解除一旦检测到死锁，采取措施将其解除，例如撤销一个或多个进程、抢占资源、回滚进程缓存一致性数据一致性问题缓存一致性保证12多个处理器共享同一块内存，缓存一致性协议通过一定机每个处理器都有自己的缓存，制，保证共享内存数据的一致当多个处理器同时访问同一数性，即使多个处理器同时对同据时，可能会出现数据不一致一数据进行读写操作问题提高性能3缓存一致性协议保证了多处理器系统的数据一致性，同时也提高了系统性能，因为处理器可以从自己的缓存中快速访问数据，减少了访问主内存的次数缓存一致性协议协议协议协议MSI MESIMOESI协议是比较简单的缓存一致性协议协议在协议的基础上增加了协议是在协议基础上增加了MSI MESIMSI MOESIMESI它将缓存块的状态分为三种、状态当一个缓存块只被一个处状态状态用于表示一个Modified ExclusiveOwned Owned、，分别代表修改、共享理器拥有时，它处于状态，不需处理器修改了缓存块，但还没有写入主内Shared InvalidExclusive和失效要与其他处理器共享数据存内存一致性模型顺序一致性弱一致性所有处理器看到的内存操作顺序处理器可能看到不同顺序的内存与程序中指定的顺序相同操作，但最终结果一致松散一致性允许处理器看到不同的内存视图，但最终结果必须在某个时间点一致内存一致性协议缓存一致性协议缓存一致性模型确保多个处理器之间对共享内存的访问保持一致性定义处理器访问共享内存的规则，并保证数据的一致性多处理机性能评价指标描述吞吐量单位时间内处理的数据量响应时间从请求开始到响应结束的时间利用率处理器实际工作时间占总时间的比例性能优化方法硬件优化软件优化系统优化123选择更高性能的处理器、内存和存储通过改进算法、数据结构和代码编写调整操作系统参数、优化网络配置和设备可以提升系统整体性能方式，可以提高程序的执行效率管理磁盘空间可以提升系统性能实验环节本课程将设置一系列实验，帮助学生加深对多处理机理论和技术的理解，并培养实践能力实验内容包括但不限于以下几个方面•多处理器系统架构搭建与配置•多处理器间通信编程•同步机制实现与验证•缓存一致性测试•多处理机性能分析与优化课程小结多处理机概述总线与内存任务管理与同步讲解多处理机概念、历史和基本组成分析总线结构、仲裁机制和内存一致性介绍任务分配、调度、同步和死锁问题复习与讨论本课程涵盖了多处理机的基本概念、体系结构、硬件实现、软件设计和性能优化等方面通过学习本课程，您将能够理解多处理机的工作原理，并能够针对特定应用场景设计和优化多处理机系统课后请复习课堂内容，并积极参与讨论欢迎提出问题和分享您的见解让我们共同探讨多处理机的奥秘，并运用所学知识解决现实世界中的挑战。