并行计算机体系结构课件目录CONTENTS•并行计算机体系结构概述•并行计算机体系结构分类•并行计算机硬件系统•并行计算机操作系统•并行算法设计•并行计算机性能评估与优化01并行计算机体系结构概述CHAPTER并行计算机是指具有多个处理单元（PU）的计算机系统，这些处理单元可以同时执行多个操作。并行计算机分为单指令多数据流（SIMD）和多指令多数据流（MIMD）两种类型。SIMD并行计算机在每个时钟周期内对一组数据进行相同的操作，而MIMD并行计算机则可以同时执行不同的指令。并行计算机的定义并行计算机的重要性01并行计算机可以提高计算速度和效率，特别是在处理大规模数据集和进行复杂计算时。02并行计算机可以解决许多科学、工程和其他领域的计算问题，如天气预报、物理模拟、图像处理等。03并行计算机在军事、航空航天、医学等领域也有广泛的应用。01早期的并行计算机采用共享内存架构，后来逐渐发展为分布式内存架构。随着技术的发展，并行计算机的规模和性能不断提高，目前已经出现了许多超级计算机和集群系统。未来的并行计算机将继续朝着更高性能、更低能耗和更易扩展的方向发展。并行计算机的历史可以追溯到20世纪60年代，当时人们开始研究如何将多个处理单元集成到一个系统中。020304并行计算机的历史与发展02并行计算机体系结构分类CHAPTER适用于大规模并行计算，如图像处理、科学计算等MIMD体系结构（MultipleInstruction,MultipleData）每个处理机执行不同的操作，处理不同的数据适用于多任务并行计算，如实时系统、搜索引擎等单一指令，多数据流体系结构（SingleInstruction,MultipleData）每个处理机执行相同的操作，处理不同的数据SIMD体系结构各个处理机之间通过消息传递进行通信共享内存模型适用于多处理器系统，如多核CPU、GPU等消息传递模型适用于分布式系统，如网格计算、云计算等各个处理机共享内存空间，通过内存进行数据交换010203040506MIMD体系结构01高性能计算集群02通过高速网络连接多个高性能计算机节点03适用于大规模科学计算、天气预报等应用04云计算平台05通过虚拟化技术将多个计算资源抽象为一个云平台06适用于弹性扩展、按需付费的计算需求，如Web服务、企业应用等分布式计算体系结构0102超立方体体系结构超立方体具有高连通性和低延迟的特点，适用于大规模并行计算和高性能计算领域超立方体是一种特殊的网络拓扑结构，每个节点与其它节点都有连接03并行计算机硬件系统CHAPTER并行处理单元是并行计算机的核心部件，它负责执行并行计算任务。并行处理单元通常采用多处理器结构，每个处理器都可以独立执行计算任务。并行处理单元可以通过共享内存或分布式内存来存储数据。并行处理单元还可以通过消息传递或共享内存来通信。01020304并行处理单元存储层次结构是并行计算机中不同类型存储器的组合方式。存储层次结构通常包括寄存器、高速缓存、主存和外部存储器。寄存器是速度最快的存储器，用于存储需要快速访问的数据。高速缓存是速度较快的存储器，用于存储经常访问的数据。主存是速度较慢的存储器，用于存储大量数据。外部存储器是速度最慢的存储器，用于存储大量需要长期保存的数据。存储层次结构高速缓存用于加速数据访问，通常分为一级高速缓存和二级高速缓存。内存管理负责分配和管理内存空间，以避免不同程序之间的干扰和冲突。内存管理可以通过分段、分页、虚拟内存等技术实现。高速缓存与内存管理I/O设备是并行计算机与外部设备进行通信的接口。I/O设备通常包括硬盘、光驱、键盘、鼠标等。网络连接是并行计算机之间进行通信的接口。网络连接通常包括以太网、光纤等通信协议。I/O设备与网络连接04并行计算机操作系统CHAPTER03并行操作系统结构并行操作系统通常由进程管理、资源管理和任务调度等几个核心部分组成。01并行操作系统定义并行操作系统是一种能够同时处理多个任务的计算机操作系统。02并行计算机分类根据并行程度的不同，并行计算机可分为多处理器计算机、多核处理器计算机和分布式计算网络。并行操作系统概述01进程是计算机中的程序关于某个数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的基本单位。进程定义与作用...
