مقاله ارزیـابی کـارایی و بهره وری تکنیک های مـوازیسازی در پردازنده ها و بررسی چالش های موجود

توجه : به همراه فایل word این محصول فایل پاورپوینت (PowerPoint) و اسلاید های آن به صورت هدیه ارائه خواهد شد

  مقاله ارزیـابی کـارایی و بهره وری تکنیک های مـوازیسازی در پردازنده ها و بررسی چالش های موجود دارای ۱۰ صفحه می باشد و دارای تنظیمات در microsoft word می باشد و آماده پرینت یا چاپ است

فایل ورد مقاله ارزیـابی کـارایی و بهره وری تکنیک های مـوازیسازی در پردازنده ها و بررسی چالش های موجود  کاملا فرمت بندی و تنظیم شده در استاندارد دانشگاه  و مراکز دولتی می باشد.

توجه : در صورت  مشاهده  بهم ریختگی احتمالی در متون زیر ،دلیل ان کپی کردن این مطالب از داخل فایل ورد می باشد و در فایل اصلی مقاله ارزیـابی کـارایی و بهره وری تکنیک های مـوازیسازی در پردازنده ها و بررسی چالش های موجود،به هیچ وجه بهم ریختگی وجود ندارد

بخشی از متن مقاله ارزیـابی کـارایی و بهره وری تکنیک های مـوازیسازی در پردازنده ها و بررسی چالش های موجود :

مقدمه
پردازش موازی، به عنوان وسیله یا ابزاری ضروری برای حل مـسائل در بیشتر حوزه های علمی در طول ۲۰ ال گذشته پدیدار شد. روش هـای دستیابی به کارایی لازم در پردازنده های موازی، نسبت به آنچـه کـه در تـک پردازنـده ایهـا وجـود دارد، وسـیع تـر و بیـشتر اسـت .از آنجاییکـه پردازنده ها در ابتدای امر تک هسته ای بودند و به صورت سری کار مـی- کردند، و با وجود اینکه هدف بالا بردن کارایی و سرعت در سیستم های کامپیوتری بود، پردازند ها به سمت موازیسازی سـوق داده شـدند. بـا پیدایش تکنیک Pipeline، عملیات سـری بـه چنـد ریـزعمـل مـوازی تقسیم میشوند، بطوریکه هریک از این ریزعملیات ، در یک قسمت خط لوله ، همزمان با سایر ریزعملیات هایی که در قسمت های دیگـر در حـال اجرا هستند، اجرا میشوند، سپس با معرفی تکنیک SMT، موازیسازی در پردازنده های تک هسته ای پدیدار شد و این روند با ظهور چندهسته – ای ها و چندپردازنده ایها سیر تکاملی بهتری داشت [۵-۲۳،۱۱،۹،۳].
برای اولین بار شرکت اینتل در اوایل سال ۲۰۰۵، اولـین پردازشـگرهای دوهسته ای خود را به بازار عرضه کرد. پس از آن شرکت AMD اقـدام به عرضه پردازشگرهای چندهسته ای خود نمود[۱۵]. پیش از آنکـه بـه شرح و معرفی چندهسته ایها و چندپردازنده ایها بپردازیم ، لازم اسـت به این نکته اشاره کنیم که اصولاً و اساساً چرا ما بـه چنـین محـصولی نیاز داریم ؟ اصولاً، پردازشگرهای چندهسته ای، از چند هسته پـردازش کننده در یک پکیج یا بسته واحد تشکیل میشوند که درواقع قابلیـت – های یک کامپیوتر مجهز به چند پردازشگر را با هزینه کمتر فراهم می- سـازد، از طرفــی امکــان انجـام چنــدین فعالیــت همزمـان بــه کمــک پردازشگرهای دو یا چند هسته ای میسر میشود، البته این بـدان معنـا نیست که پردازشگرهای چندهسته ای قدرت اجرایی برنامه های واحد را افزایش میدهند [۲۲،۲۱،۱۳،۹،۲ . ما در این مقاله ، به ارزیابی کـارایی موازیسازی در پردازنده ها میپردازیم . سپس تکنیک هایی که پردازنده – ها را به سمت موازیسازی سوق میدهند، بررسی می نماییم . در ادامـه ، چالش هایی که ممکن است این تکنیک ها را تهدید کنند، مطرح نمـوده و راه حلهایی برای رفع این چالش ها بیان می نماییم .

۲ – مفاهیم و مبانی تحقیق
۲- ۱- پردازنده های تک هسته ای و چندهسته ای
CPU، واحد پردازشگر مرکزی است که وظیفه اصلی آن انجام محاسبات می باشد. پردازنده ها، شامل بخش های مختلفی می باشند که مهمترین بخش آنها، واحد محاسبه و منطق (ALU) می باشد. پردازنده – ها را میتوان به دو دسته تک هسته ای و چندهسته ای تقسیم بندی نمود. پردازنده های تک هسته ای، شامل یک هسته در داخل یک بسته می باشند که درآن واحد فقط یک عمل را می توانند انجام دهند، درحالیکه پردازنده های چندهسته ای ، از ۲ یا چند هسته در داخل یک بسته یا پکیج تشکیل میشوند که درآن واحد، میتوانند ۲ یا چند عمل را بطور همزمان انجام دهند. شکل ۱، نمونه ای از پردازنده های تک – هسته ای و چندهسته ای میباشد [۱۳،۹،۸،۲].

۲-۲ مفهوم همروندی
این مفهوم ، در CPU های تک هسته ای وجود دار همروندی به این معناست که در هر لحظه از زمان ، پردازنده فقط قادر به انجام یک کار می باشد [۱۳،۲۱].

۲-۳- مفهوم همزمانی
همزمانی در پردازنده ها، بدین معناست که پردازنده چندین کار را می – تواند به طور همزمان و با هم انجام دهد. این ، همان مفهوم موازی سازی در پردازنده هاست که افزایش سرعت پردازش اطلاعات را به ارمغان می آورد [۲۱،۱۳،۶].

۲-۴- پردازش موازی
اصولاً پردازش موازی به روش هایی اتلاق میشود که امکان پردازش چندین کار یا وظیفه به طور همزمان فراهم شود، که درنتیجه آن ، سرعت اجرای محاسبات در یک سیستم کامپیوتری افزایش می یابد .
پردازش موازی، بکارگیری تکنیک هایی برای پردازش همزمان داده ها به منظور افزایش سرعت محاسبات سیستمی میباشد، به عنوان مثال ، زمانی که یک دستورالعمل در حال اجراست ، دستور بعدی می تواند از حافظه خوانده شود. البته یک سیستم کامپیوتری میتواند دارای چندین دستگاه ریاضی و منطقی باشد که بطور موازی با هم کار کنند.
هدف پردازش موازی، بالا بردن سرعت عملیاتی کامپیوتر، یا به عبارت دیگر، بالابردن حجم عملیات انجام شده در یک واحد زمان میباشد.
بدیهی است که سیستم ، برای رسیدن به این هدف ، متحمل افزونگی – های سخت افزاری و نرم افزاری می شود و درنتیجه هزینه سخت افزاری و نرم افزاری سیستم افزایش مییابد، ولی با توسعه تکنولوژی، امروزه پردازش موازی از نظر اقتصادی قابل توجیه است [۱۰-۱۹،۲۰،۲۲،۱۳].
برای درک بهتر مفهوم سری و موازی ، این مثال را درنظر میگیریم : اطلاعات یک کلمه می توانند بصورت سری(یک بیت ، یک بیت ) وارد یک ثبات شیفت دهنده شوند، و یا اینکه بطور موازی و یکباره همه بیت های یک کلمه داخل ثبات ، بار شوند. در سطوح بالاتر، پردازش موازی ، داشتن چند واحد عملیاتی است که بطور همزمان و موازی، یک کار واحد یا چند عملیات مختلف را انجام می دهند. به عنوان مثال ، عملیات محاسباتی، منطقی و شیفت می توانند در سه سیکل مجزا انجام شوند و عملوندها تحت نظارت یک واحد کنترل به آنها داده شوند. سیستمهای پردازش موازی به روشهای گوناگونی دسته بندی میشوند، به عنوان مثال ، میتوان این سیستم ها را از نظر تشکیلات داخلی پروسسورها، یا از طریق اتصال پروسسورها و یا درنهایت از نظر نحوه جریان اطلاعات ، دسته بندی نمود. سری دستوراتی که از حافظه خوانده می شوند، رشته دستورات نامیده می شوند. پردازش موازی، ممکن است روی رشته دستورات ، یا داده ها و یا بر روی هر دو آنها انجام شود. بر اساس دسته بندی Flayyn کامپیوترها به چهار گروه تقسیم میشوند:
۱- یک دستوری و یک داده ای (SISD)
– یک دستوری و چندین داده ای (SIMD)
۳- چندین دستوری و یک داده ای (MISD)
۴- چندین دستوری و چندین داده ای (MIMD)
در حقیقـت ، سیـستم SISD ، یـک کـامپیوتر معمـولی بـا یـک واحـد محاسباتی، حافظه و کنترل است ، که در آن ، دسـتورات بطـور سـری و یک به یک ، اجرا میشوند و سیستم ممکن است امکانات داخلی پردازش موازی را نیز داشته باشد. در این حالت ، پردازش موازی ممکن است بـا خط لوله و یا چند واحد عملیاتی انجام شود. سیـستم هـای کـامپیوتری یک دستوری و چندین داده ای SIMD ، شامل تـشکیلاتی مـیباشـند که دارای چندین واحد عملیاتی است که تحت نظارت یک واحد کنترل کار میکنند. تمام این واحدها یک دسـتور یکـسان را از واحـد کنتـرل دریافت میکنند و روی داده های مختلف ، این دستور را اجرا مـیکننـد.
روش چندین دستوری و چنـدین داده ای MIMD، در کامپیوترهـایی اجرا میشود که قادر به اجرای چندین برنامه بطور همزمان باشند. اکثر سیستم های چند پردازنده ای یا چندکامپیوتری ، جزء این دسـته مـی- باشند. سیستم هایMISD ، فقط از نظر تئوری حـائـز اهمیـت بـود و نمونه عملی برای آنها وجود ندارد [۲۲،۱۹،۱۶،۱۱،۵].
در ادامه ، انواع پردازنده ها را معرفی مینماییم و به بررسـی جنبـه هـای اصلی ارزیابی و کارایی در پردازنده ها می پردازیم .

۲-۵- جنبه های اصلی ارزیابی
ارزیابی بدین معناست که سیستم عملکرد خود را به چه صـورت انجـام می ارزیابی یک سیستم [۲۳،۱۳،۱]، دارای جنبـه هـای مختلفـی دهد .
است که به معرفی این جنبه ها می پردازیم :
– وظیفه مندی: یعنی، سیستم مطابق با وظیفه اش رفتار کند.
– کارایی: کارایی یعنی اینکه سیستم چقدر منابع را به صورت کمینه استفاده می کند.
– اتکاپذیری: به مطالعه جنبه هایی از سیستم میپردازد که صرفاً به رخداد و تصحیح خطا در سیستم باز می گردد.
– کاراپذیری : ارزیابی کارایی سیستم در حضور رخداد خطا را کارا- پذیری می نامند .
– کاهش پذیری: اگر برای سیستم خطایی بوجود آید، ولی از کار نیفتد.
در این حالت ، کارایی کاهش می یابد .دراین حالت ، سیستم را کاهش – پذیر می گویند.

۲-۶- جنبه های کارایی
کارایی به دو عامل تخصیص منابع و زمان پاسخ ، بستگی دارد. هرچه این دو عامل افزایش یابند، کارایی کاهش می یابد[۱۳،۴،۳].

۲-۷- تکنیک SMT
تکنیک SMT یا Simultaneous Multi Threading، اجازه میدهد تا threadهای مستقل چندگانه ، بطور همزمان در یک هسته انجام شوند، برای مثال ، اگر یک thread در انتظار تکمیل عملیات اعشاری است ، فرآیند دیگر میتواند واحدهای صحیح را بکار ببرد. اما اجازه اجرای همزمان دو عمل مشابه و از یک نوع را در یک هسته نمی دهد.
با وجود اینکه SMT یک پردازنده موازی واقعی نیست ، میتوان گفت که SMT، موازیسازی را در تک پردازنده ایها به ارمغان می آورد.
شکل ۲ نمونه ای از تکنیک SMT میباشد[۱۳،۴،۳].

۳ – ارزیابی کارایی موازیسازی در پردازنده ها
۳-۱- ارزیابی کارایی پردازنده های تک هسته ای بدون تکنیک SMT