Bài giảng Hệ thống máy tính - Chương 5: Kiến trúc máy tính tiên tiến - Nguyễn Kim Khánh

Bài giảng Hệ thống máy tính
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 1
8 September 2009 1
NKK-HUT
Hệ thống máy tính
Chương 5
KIẾN TRÚC MÁY TÍNH TIÊN TIẾN
Nguyễn Kim Khánh
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
8 September 2009 2
NKK-HUT
Nội dung học phần
„ Chương 1. Giới thiệu chung 
„ Chương 2. Kiến trúc bộ nhớ 
„ Chương 3. Kiến trúc vào-ra 
„ Chương 4. Kiến trúc bộ xử lý 
„ Chương 5. Kiến trúc máy tính tiên tiến 
8 September 2009 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 3
NKK-HUT
„ 5.1. Phân loại kiến trúc máy tính 
„ 5.2. Máy tính vector và bộ xử lý mảng
„ 5.3. Một số kiến trúc MIMD thông dụng
„ 5.4. Bộ xử lý đa lõi
Nội dung
8 September 2009 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 4
NKK-HUT
5.1. Phân loại kiến trúc máy tính
„ Phân loại của Michael Flynn (1966)
„ SISD - Single Instruction Stream, Single Data Stream
„ SIMD - Single Instruction Stream, Multiple Data Stream
„ MISD - Multiple Instruction Stream, Single Data Stream
„ MIMD - Multiple Instruction Stream, Multiple Data Stream
Bài giảng Hệ thống máy tính
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 2
8 September 2009 5
NKK-HUT
SISD
„ CU: Control Unit
„ PU: Processing Unit
„ MU: Memory Unit
„ Một bộ xử lý
„ Đơn dòng lệnh
„ Dữ liệu được lưu trữ trong một bộ nhớ
„ Chính là Kiến trúc von Neumann
8 September 2009 6
NKK-HUT
SIMD
8 September 2009 7
NKK-HUT
SIMD (tiếp)
„ Đơn dòng lệnh điều khiển đồng thời các 
phần tử xử lý PE (processing elements)
„ Mỗi phần tử xử lý có một bộ nhớ dữ liệu 
riêng LM (local memory)
„ Mỗi lệnh được thực hiện trên một tập 
các dữ liệu khác nhau
„ Các mô hình SIMD
„ Vector Computer 
„ Array processor
8 September 2009 8
NKK-HUT
MISD
„ Một luồng dữ liệu cùng được truyền đến 
một tập các bộ xử lý
„ Mỗi bộ xử lý thực hiện một dãy lệnh 
khác nhau.
„ Chưa tồn tại máy tính thực tế
„ Có thể có trong tương lai
Bài giảng Hệ thống máy tính
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 3
8 September 2009 9
NKK-HUT
MIMD 
„ Tập các bộ xử lý
„ Các bộ xử lý đồng thời thực hiện các 
dãy lệnh khác nhau trên các dữ liệu 
khác nhau
„ Các mô hình MIMD
„ Multiprocessors (Shared Memory)
„ Multicomputers (Distributed Memory)
8 September 2009 10
NKK-HUT
MIMD - Shared Memory
8 September 2009 11
NKK-HUT
MIMD - Distributed Memory
8 September 2009 12
NKK-HUT
5.2. Máy tính vector và bộ xử lý mảng
„ Thuộc loại SIMD
„ Data parallelism in time = vector processing
„ Data parallelism in space = array processing
Bài giảng Hệ thống máy tính
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 4
8 September 2009 13
NKK-HUT
Phép toán trên vector
Bộ xử lý tuần tự:
for i = 0 to 63 do 
P[i] := W[i] × D[i]
endfor
Bộ xử lý vector:
load W
load D
P := W × D
store P
for i = 0 to 63 do 
X[i+1] := X[i] + Z[i] 
Y[i+1] := X[i+1]+Y[i] 
endfor
Không xử lý song 
song được
8 September 2009 14
NKK-HUT
Thực hiện bộ xử lý vector
Function unit 1 pipeline 
T
o
a
n
d
f
r
o
m
m
e
m
o
r
y
u
n
i
t
From scalar registers 
Vector 
register 
file 
Function unit 2 pipeline 
Function unit 3 pipeline 
Forwarding muxes 
Load 
unit A 
Load 
unit B 
Store 
unit 
8 September 2009 15
NKK-HUT
Ví dụ bộ xử lý mảng
Control 
broadcast Parallel 
I/O 
Processor array Control 
Switches 
8 September 2009 16
NKK-HUT
5.3. Một số kiến trúc MIMD thông dụng
1.SMP (Symmetric Multiprocessors)
Bài giảng Hệ thống máy tính
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 5
8 September 2009 17
NKK-HUT
SMP (tiếp)
„ Một máy tính có n >= 2 bộ xử lý giống nhau
„ Các bộ xử lý dùng chung bộ nhớ và hệ thống 
vào-ra 
„ Thời gian truy cập bộ nhớ là bằng nhau với 
các bộ xử lý 
„ Tất cả các bộ xử lý chia sẻ truy nhập vào-ra 
„ Các bộ xử lý có thể thực hiện chức năng 
giống nhau 
„ Hệ thống được điều khiển bởi một hệ điều 
hành phân tán
8 September 2009 18
NKK-HUT
Ưu điểm của SMP
„ Hiệu năng
„ Các công việc có thể thực hiện song song
„ Tính sẵn dùng
„ Các bộ xử lý có thể thực hiện các chức 
năng giống nhau, vì vậy lỗi của một bộ xử
lý sẽ không làm dừng hệ thống 
„ Khả năng mở rộng
„ Người sử dụng có thể tăng hiệu năng bằng 
cách thêm bộ xử lý
8 September 2009 19
NKK-HUT
2. Cluster
„ Nhiều máy tính được kết nối với nhau 
bằng mạng liên kết tốc độ cao (~ Gbps)
„ Mỗi máy tính có thể làm việc độc lập 
„ Mỗi máy tính được gọi là một node
„ Các máy tính có thể được quản lý làm 
việc song song theo nhóm (cluster) 
„ Toàn bộ hệ thống có thể coi như là một 
máy tính song song
8 September 2009 20
NKK-HUT
Cluster (tiếp)
„ Dễ dàng xây dựng và mở rộng
„ Tính sẵn sàng cao
„ Khả năng chịu lỗi 
„ Giá thành rẻ với hiệu năng cao
Bài giảng Hệ thống máy tính
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 6
8 September 2009 21
NKK-HUT
Cluster of PCs
8 September 2009 22
NKK-HUT
Cluster of SMPs
8 September 2009 23
NKK-HUT
Ví dụ: Hệ thống máy chủ Google (12/ 2000)
„ Cluster of PCs
„ Hơn 6.000 bộ xử lý
„ Hệ thống lưu trữ dùng RAID: có 12.000 
đĩa cứng ~ 1petabyte (1triệu GB)
„ 2 site ở Silicon Valley, 1site ở Virginia
„ Mỗi site được kết nối với Internet qua 
OC48 (2488Mbps)
8 September 2009 24
NKK-HUT
5.4. Bộ xử lý đa lõi (multicores)
„ Thay đổi của bộ
xử lý:
„ Tuần tự
„ Pipeline
„ Siêu vô hướng
„ Đa luồng
„ Đa lõi
Bài giảng Hệ thống máy tính
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 7
8 September 2009 25
NKK-HUT
Các dạng tổ chức bộ xử lý đa lõi
8 September 2009 26
NKK-HUT
Intel - Core Duo (1)
„ 2006
„ Two x86 superscalar, shared L2 cache
„ Dedicated L1 cache per core
„ 32KB instruction and 32KB data
„ Thermal control unit per core
„ Manages chip heat dissipation
„ Maximize performance within constraints
„ Improved ergonomics
„ Advanced Programmable Interrupt Controlled 
(APIC)
„ Inter-process interrupts between cores
„ Routes interrupts to appropriate core
„ Includes timer so OS can interrupt core
8 September 2009 27
NKK-HUT
Intel - Core Duo (2)
„ Power Management Logic
„ Monitors thermal conditions and CPU activity
„ Adjusts voltage and power consumption
„ Can switch individual logic subsystems
„ 2MB shared L2 cache
„ Dynamic allocation
„ MESI support for L1 caches
„ Extended to support multiple Core Duo in SMP
„ L2 data shared between local cores or external
„ Bus interface
8 September 2009 28
NKK-HUT
Intel Core Duo (3)
Bài giảng Hệ thống máy tính
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 8
8 September 2009 29
NKK-HUT
Intel x86 Multicore Organization - Core i7
„ November 2008
„ Four x86 SMT processors
„ Dedicated L2, shared L3 cache
„ Speculative pre-fetch for caches
„ On chip DDR3 memory controller
„ Three 8 byte channels (192 bits) giving 32GB/s
„ No front side bus
„ QuickPath Interconnection
„ Cache coherent point-to-point link
„ High speed communications between processor chips
„ 6.4G transfers per second, 16 bits per transfer
„ Dedicated bi-directional pairs
„ Total bandwidth 25.6GB/s
8 September 2009 30
NKK-HUT
Intel Core i7
8 September 2009 31
NKK-HUTARM11 
MPCore 
Block 
Diagram
8 September 2009 32
NKK-HUT
Hết chương 5