シングルプロセッサシステムでは何を並列化できますか?

シングルプロセッサ システムでは、「プロセッサとデバイス」、「プロセッサとチャネル」、「デバイスとデバイス」を並列化できます。最新のオペレーティング システムの形成はチャネルの結果です。チャネルは、CPU から独立して入出力を制御できるデバイスです。プロセッサが演算を実行しているとき、チャネルは同時に I/O 演算を実行できます。したがって、プロセッサプロセッサとチャネルは並列であり、プロセッサが動作しているとき、ペリフェラルは同時に入出力操作を実行できるため、プロセッサとデバイスを並列化でき、デバイスも当然並列化できます。

このチュートリアルの動作環境: Windows 7 システム、Dell G3 コンピューター。

コンピューティング プロセッサを 1 つだけ備えたコンピュータ システムは、シングル プロセッサ システムと呼ばれます。

シングルプロセッサ コンピュータ システムでは、最大 1 つの実行状態と少なくとも 0 の実行状態、最大 N の待機状態と少なくとも N-1 の待機状態、および最大 N-1 と少なくとも 0 の待機状態が存在します。準備完了状態。

シングルプロセッサ システムには、命令パイプラインが 1 つと多機能オペレーティング コンポーネントが 1 つだけあり、各クロック サイクルで「命令をフェッチ」し、1 つの命令を「分析」して完了します。多くのパイプライン プロセッサでは、命令パイプラインのパイプライン ステージ数は k=4 で、命令の実行プロセスは主に「命令の取得」、「解析」、「実行」、「結果の書き込み」の 4 つの段階に分解されます。命令によって実行される機能は主に多機能操作部品内で完結し、「実行」部分で完結します。ほとんどのパイプライン プロセッサの多機能演算コンポーネントはパイプライン構造を採用しています。一部の単純な命令は、「実行」パイプライン セグメントでわずか 1 クロック サイクルで完了できますが、より複雑な命令は多くの場合複数のクロック サイクルを必要とします。また、条件付き転送などの影響もあり、一般的なパイプラインスカラープロセッサの１クロックあたりの平均実行命令数は１未満、すなわち命令レベル並列度ＩＬＰ＜１となる。

#シングルプロセッサ システムでは、プロセッサとデバイス、プロセッサとチャネル、デバイスとデバイス が並列化できますが、プロセスは並列化できません。

• シングルプロセッサシステムでは、システムの効率を高めるために、状態の異なる複数のプロセスをメモリ上に保持し（これをプロセスの同時実行といいます）、同時にプロセッサを占有します。プロセスは 1 つだけなので、プロセスは並列ではありません。

• 現代のオペレーティング システムの形成はチャネルの結果です。チャネルは、CPU から独立して入出力を制御できるデバイスです。プロセッサが操作を実行しているとき、チャネルは同時に I/O 操作を実行できるため、2 つは並列でもあります。

• プロセッサが操作を実行しているとき、ペリフェラルは I/O 操作を実行できます。入力/出力を同時に実行するため、操作によって並列処理も行われます。

• 当然のことながら、デバイス間の並列処理も実現できます。

拡張知識: シングルプロセッサ システムとマルチプロセッサ システムの違い

初期のコンピュータ システムは、以下に基づく逐次処理マシンでした。単一のプロセッサ。プログラマーはシリアル実行用のコードを作成し、それを CPU 上でシリアルに実行させます。各命令の実行もシリアルです (命令のフェッチ、オペランドのフェッチ、演算の実行、結果の保存)。コンピュータの処理速度を向上させるために、まずLenovoメモリシステムとパイプラインシステムが開発され、前者はデータ駆動の考え方を提案し、後者は命令のシリアル実行の問題を解決しました。それらはコンピュータ並列処理の初期開発でした。ハードウェア技術の進歩に伴い、並列処理技術が急速に発展し、コンピュータシステムは単一プロセッサと単一データストリームに限定されなくなり、さまざまな並列構造が適用されるようになりました。

現在、コンピュータシステムは次の 4 つのカテゴリに分類できます。

(1) 単一命令ストリーム、単一データ ストリーム (SISD)。プロセッサは、メモリ内のデータに対して単一の命令ストリームを実行します。

(2) 単一命令ストリーム、複数データ ストリーム (SIMD)。単一の命令フローは、複数の処理ユニットの同時実行を制御します。各処理ユニットにはプロセッサと関連データ ストレージが含まれます。1 つの命令は、実際には異なるプロセッサを制御して、異なるデータを操作します。このタイプのコンピュータ システムの代表的なものとして、ベクター マシンとアレイ マシンがあります。

(3) 複数の命令ストリームの単一データ ストリーム (MISD)。データストリームはプロセッサのグループに送信され、このプロセッサのグループのさまざまな命令操作を通じて最終的に処理結果が得られます。このタイプのコンピュータ システムの研究はまだ実験室段階にあります。

(4) 複数の命令ストリーム、複数のデータ ストリーム (MIMD)。複数のプロセッサが、異なるデータ セットに対して異なる命令ストリームを同時に実行します。 MIMD システムは、共有メモリを備えた密結合 MIMD システムと、分散メモリを備えた疎結合 MIMD システムの 2 つのカテゴリに分類できます。

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