《并行处理与体系结构1》
计算机体系结构与并行处理
计算机体系结构与并行处理计算机体系结构与并行处理是计算机科学领域中的重要概念。
本文将介绍计算机体系结构的基本原理、并行处理的概念及其应用，并附带题库类型的相关问题及解析。
一、计算机体系结构基本原理计算机体系结构是指计算机系统中各个硬件组件之间的结构关系和工作原理。
它包括计算机的各个层次结构，以及指令系统设计、存储器层次结构和总线结构等内容。
1. 数据通路与控制单元计算机体系结构中，数据通路用于处理和传输数据，控制单元则负责指导和协调各个硬件组件的工作。
数据通路包括算术逻辑单元(ALU)、寄存器、数据缓冲器等，而控制单元则由指令寄存器(IR)、程序计数器(PC)和控制逻辑组成。
2. 存储器层次结构存储器层次结构包括寄存器、高速缓存、主存和辅助存储器等。
其中，寄存器是CPU内部用于保存数据和指令的最快速的存储器。
高速缓存则位于CPU与主存之间，用于加速数据的读写。
主存是计算机中用于存储程序和数据的主要存储设备。
而辅助存储器则用于长期存储数据和程序。
3. 指令系统设计指令系统是计算机体系结构的核心部分，它规定了计算机所能执行的指令集和执行方式。
指令集包括数据传输指令、算术逻辑指令、控制转移指令等。
指令系统设计的关键是平衡指令的功能和数量，以满足计算机的多样化需求。
4. 总线结构总线是计算机中用于数据传输的公共通道。
总线结构包括数据总线、地址总线和控制总线等。
数据总线用于传输数据，地址总线用于定位数据在存储器中的位置，而控制总线则用于传输控制信号。
二、并行处理的概念及应用并行处理是指多个处理器同时执行多个任务或同一任务的不同部分，以提高计算机系统的性能和效率。
它可以分为粗粒度并行和细粒度并行。
1. 粗粒度并行粗粒度并行是指将一个任务分成多个子任务，由多个处理器分别执行。
每个处理器独立地处理自己的子任务，最后将结果合并。
粗粒度并行适用于需要处理的数据量大、计算复杂度高的任务，如科学计算和大规模数据处理。
2. 细粒度并行细粒度并行是指将一个任务分成多个子任务，并行执行它们的不同部分。
计算机系统结构与并行处理
计算机系统结构与并行处理计算机系统结构是指计算机硬件和软件组成的总体结构，包括计算机的层次结构、功能单元的组织和连接方式、寄存器组织和指令集等。
并行处理则是指使用多个处理器同时处理任务，以提高计算机系统的性能和效率。
一、计算机系统结构的基本概念计算机系统结构是计算机硬件和软件相互配合的总体组织方式，它决定了计算机的性能、可靠性和可扩展性。
计算机系统结构的基本概念包括：1. 指令集体系结构（Instruction Set Architecture，ISA）：指导计算机硬件执行操作的规范，包括指令集合、寄存器、存储器和I/O设备等。
2. 存储器层次结构：计算机系统中不同速度和容量的存储器层次，包括高速缓存、主存储器和辅助存储器等。
3. 控制器结构：控制计算机硬件执行指令的组织方式，包括指令流水线、分支预测和异常处理等。
4. 总线结构：连接计算机硬件各个部件的通信介质，包括数据总线、地址总线和控制总线等。
二、并行处理的概念与分类并行处理是指将任务分解为多个子任务，由多个处理器同时执行，以提高计算机系统的性能和效率。
根据任务的分解方式，可以将并行处理分为以下几类：1. 任务并行：将任务分解为多个子任务，由多个处理器同时执行，每个处理器负责一个子任务的处理，最后将结果进行合并。
2. 数据并行：将数据分成多个部分，由多个处理器分别处理，最后将处理结果进行合并，适用于数据量较大的计算。
3. 流水线并行：将指令执行过程分为多个阶段，由多个处理器分别执行不同阶段的指令，以提高指令执行速度。
4. 任务流并行：将任务按照依赖关系划分为多个任务流，每个任务流由一个处理器执行，可以提高任务的并行度。
三、并行处理的应用领域并行处理广泛应用于科学计算、大数据处理和人工智能等领域，以满足对计算效率和性能的要求。
1. 科学计算：并行处理可用于模拟天气预测、地震模拟等科学计算，以提高计算速度和精度。
2. 大数据处理：并行处理可以对大规模数据进行分布式处理，包括数据存储、数据分析和数据挖掘等，以实现高效的大数据处理。
并行处理与体系结构
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其特点： 它有一个开放的体系结构以及与系统其他
部分衔接的标准接口。 它是市售产品，若它不具有版权则更好。 它有多家供应商，在公开市场大批量供应。 它相对成熟，已为许多人使用相当长时间，
且已完成必要的排错。
有效地利用更大并行性，即如何为扩大 的系统进行编程。
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（2）资源扩展
增加处理器数不是唯一方式。
保持处理器数不变；
通过增加更多存储容量、更大的芯 片外高速缓存以及更大容量磁盘等 方法来扩展系统。
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例题：IBM SP2中的存储器需求
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POE特点：
支持一个并行程序无需任何修改就能在 由RS6000结点机构成的任何网络中运行
结点可以是一个低端PowerPC工作站，可 以是一个高端SP2宽结点。
这些结点能由任何普通互联网络，从慢 速以太网到SP2的高性能开关(HPS)，加 以连接。
MPI基于4个相互正交的主要概念：
数据类型 通信操作 通信子 虚拟拓扑
4者的任何组合均是有效的。
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完全的独立起到了事半功倍效果：
少数简单概念，组合在一起时能提供许 多功能。
为较早期的超立方体计算机而开发的许 多并行算法显式地使用超立方体的互连 拓扑，但在网络连接系统中，它们并不 适用。
体系结构的拥有者(通常是供应商)允许 用户或第3方了解体系结构；
用户可自己制造与体系结构兼容的组件， 甚至修改或重新加以设计；
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通信协议独立于通信硬件：如以太网 或HPS，都允许使用标准IP协议或IBM 专用用户空间协议。
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例题： MPI及超立方体计算机
消息传递接口(MPl)是使用少量独立(正交)语 言特征的佳例。
随着附加处理器的增多，系统性能会 有多大改进。
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例如，假定一个有n个处理器的系统， 作数据库服务器用
它拥有美国人口数据库，通常有100位 美国科学家查询，其性能为每秒1000个 事务处理(TPS)。
现在如果我们将处理器数加倍成2n，能 期望速度有多少改进?期望是多少？
所增加的资源中，处理器最为常见； 也可能是存储器容量和I／O容量。
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（2）问题规模可扩展性
是指系统在处理更大数据量和工作负载的 更大求解问题时其性能如何。
例如： 仍以上述的数据库服务器为例，如果该服
务器上装有中国人口的数据库，则此服务 器的服务质量将会如何? 注意到此数据库的大小已增至原来的5
实际系统总有一个最大存储器容量 的上限。例如：
IBM SP2中的每个结点最多可容纳2GB 存储器；
CrayT3D为64MB。
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（3）软件可扩展性
包括：
操作系统的一个新版本，它具有更多功 能性，如多线程，从而可支持更多的用 户进程，更大的地址空间以及更高效的 内核功能等。
哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院64哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院65哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院666419哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院67哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院68例如高位存储器扩充存储器和扩展存储器哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院69考虑到代的可扩展性ibmrs6000smp作了过度设计第一代的smp基于powerpc601处理器
哈工大博士研究生考试科目参考书目录
哈尔滨工业大学博士生入学考试科目参考书目录EDA技术[2217]半导体器件物理[2218]微波技术曼着；《小波分析与分数傅里叶变换及应用》，国防工业岀版社，冉启文，谭立英着；《分数傅里叶光学导论》，科学出版社，冉启文，谭立英着；[2216]《超大规模集成电路设计方法学导论》，清华大学岀版社，杨之廉；《数字专用集成电路的设计与验证》杨宗凯黄建杜旭编着电子工业出版社；《数字集成电路——电路、系统与设计（第二版）» Jan M. Rabaey, A. Chandrakasan, B. Nikolic ，周润德等译，电子工业岀版社； [2217]《半导体器件物理》，科学岀版社，王家骅；《现代半导体器件物理》，科学出版社， [2218]《微波技术》，哈工大岀版社，2006年版，吴群主编；《微波工程技术》，吴群主编，哈工大岀版社，2008年修订版。
025化工学院[2071]高分子化学与物理[2072]物理化学[2073]高等生物化学[2071]《高聚物的结构与性能》，科学岀版社，马德柱、何平笙；[2072]《物理化学》（上册，下册），高等教育出版社，南京大学物理化学教研室，傅献彩，沈文霞，姚天扬编；[2073]《生物化学》，清华大学岀版社，王希成。
027市政环境工程学院[2271]高等流体力学[2272]污染控制微生物学[2273]水分析化学[2274]水力学[2275]微生物学[2276]生物化学[2277]高等传热[2278]物理化学[2279]化工原理[2271]《流体力学基础》（上、下册），机械岀版社1982，潘文全主编；《流体力学》（第二版）上、下册、2000，高等教育岀版社，周光垧等编着；[2272]《污染控制微生物学》（第三版），哈工大岀版社2004 （2007.2重印），任南琪马放等编着；《环境污染防治中的生物技术》，北京化学工业出版社 2004，任南琪李建政主编；《环境工程微生物学》，北京化学工业出版社2004，李建政主编；[2273]《水分析化学》（第三版），中国建筑工业出版社，黄君礼[2274]《水力学》（上、下册），高等教育岀版社1995董曾南主编；《流体力学》（第二版）上、下册、2000，高等教育岀版社，周光垧等编着；[2275]《微生物学教程》（第2版），高等教育岀版社2002，周德瑞，《环境污染防治中的生物技术》，化学工业岀版社2004，任南琪，李建政主编；《污染控制微生物生态学》，哈尔滨工业大学出版社2005，李建政任南琪主编； [2276]《生物化学》（第三版）上、下册，高等教育出版社，王镜岩等；[2277]《高等传热学》（第二版），上海交通大学出版社，2004，杨强生等编着；，《工程传热传质学》，航空工业岀版社，1989，朱谷君主编；《工程传热传质学（上册）》，科学岀版社，1998，王补宣着；，《传热与传质分析》，科学岀版社， 1983，等着，航青译；《对流传热传质分析》，西安交通大学岀版社，1991，王启杰；《热传导理论》，高等教育出版社，1992，张洪济；《对流传热与传质》第四版中文版，高等教育岀版社，2007，凯斯等编着，赵镇南译；《对流换热》，高等教育出版社，1995，任泽霈。
并行处理与体系结构哈工大复习提纲
并行处理与体系结构哈工大复习提纲
一、并行处理
1.什么是并行处理
并行处理是指通过多台计算机、多个处理器、多核处理器等结构，在同一时间段内，同时完成多个任务，通过将任务分解成多个小任务分别在多个处理器上同时进行处理，从而大大加快处理速度，达到快速处理数据的目的。
2.并行处理的应用
并行处理可以应用在多种场景：
（1）由于实时数据处理的迅速处理，可以将其应用在实时视频、社交网络等环境中；
（2）可以将其应用在科学计算和模拟仿真等高计算量计算中，对一些巨大的数据进行处理；
（3）可以将其应用于大数据处理，比如通过大数据分析和挖掘，对市场动态进行分析；
（4）可以将其用于虚拟化技术，比如提高虚拟机的性能。
3.并行处理的技术
并行处理技术追求的是极致的性能
（1）多处理器技术：多处理器技术是指将多台处理器相互协调、协同工作，来实现对工作的并行处理；
（2）多核处理器技术：多核处理器技术是指在单个处理器的结构中，将多个处理单元连接在一起，由多个处理单元同时完成任务，实现并行处理；
（3）虚拟处理器技术：虚拟处理器技术是通过虚拟处理器分配多个
处理任务。
第11章并行计算机体系结构简介
11.3.3 集群机系统Cluster
1. Cluster简介
计算机体系结构的研究就是当时的超级计 算机的研究，超级计算机共经历了五代。第 一代为早期的单芯片系统，第二代为向量处 理系统，第三代为大规模并行处理系统，第 四代为共享内存处理系统，第五代为集群系 统，目前全球五百强超级计算机排名已经有 半数以上是集群式系统。
第三代计算机（MPP）与第五代计算机:
相同：（Cluster）在体系结构上是同构的，同属 于分布式内存处理方式（DMP—Distributed Memory Processing）
差别：是否采用物美价廉的普通商品组件。MPP 与Cluster从互连角度看，区别在于MPP使用专 用高性能互连网络，而Cluster使用商用网络。 从CPU角度看MPP要用单独设计的高性能处理 器，而Cluster采用高性能成品处理器，从价格 方面看，MPP比Cluster要贵的多。
• 多计算机系统特点：每个CPU都有自己的内存，即自 己独立的物理地址空间；执行自己的操作系统，再加 上对外通信的通信处理器。
• 图11－4a和图11－4b分别说明了多处理器系统与多计 算机系统的区别。
多处理器系统特点：软件设计简单，易 实现，硬件设计比较复杂。
多计算机系统特点：正好相反。
图11－4a 多处理器系统
MESI协议是一种比较常用的写回Cache一致性协议，它 是用协议中用到的四种状态的首字母（M、E、S、I） 来命名的。目前，Pentium 4和许多其他的CPU都使用了 MESI协议来监听总线。每个Cache项都处于下面四种状 态之一：
（1）无效（Invalid）——该Cache项包含的数据无效。
每个CPU都带有Cache，当同时操作内存中某 一块数据时，会出现Cache一致性问题。例如， CPU1与CPU2同时读取内存中一块数据到自己的 Cache中，CPU1先对Cache内容进行了修改，此 后CPU2读自己Cache中数据就已成为旧内容，因 为CPU1修改自己的Cache后还没有写回内存，而 CPU2读的数据相对CPU1来讲是旧数据。解决 Cache一致性问题有两种方法，一种是监听型的 Cache（本书不再详述，请查阅有关书籍），另 一种是“MESI”Cache一致性协议。
并行体系结构课后答案
第一章绪论什么是并行计算机答：简单地讲，并行计算机就是由多个处理单元组成的计算机系统，这些处理单元相互通信和协作，能快速高效求解大型的复杂的问题。
简述Flynn分类法：答：根据指令流和数据流的多重性将计算机分为：1）单指令单数据流SISD2）单指令多数据流SIMD3）多指令单数据流MISD4）多指令多数据流MIMD简述当代的并行机系统答：当代并行机系统主要有：1）并行向量机（PVP）2）对称多处理机（SMP）3）大规模并行处理机（MPP）4）分布式共享存储（DSM）处理机5）工作站机群（COW）为什么需要并行计算机答：1）加快计算速度2）提高计算精度3）满足快速时效要求4）进行无法替代的模拟计算简述处理器并行度的发展趋势答：1）位级并行2）指令级并行3）线程级并行简述SIMD阵列机的特点答：1）它是使用资源重复的方法来开拓计算问题空间的并行性。
2）所有的处理单元（PE）必须是同步的。
21m 3）阵列机的研究必须与并行算法紧密结合，这样才能提高效率。
4）阵列机是一种专用的计算机，用于处理一些专门的问题。
简述多计算机系统的演变答：分为三个阶段：1）1983-1987年为第一代，代表机器有：Ipsc/1、Ameteks/14等。
2）1988-1992年为第二代，代表机器有：Paragon 、Intel delta 等。
3）1993-1997年为第三代，代表机器有：MIT 的J-machine 。
简述并行计算机的访存模型答：1）均匀存储访问模型（UMA ）2）非均匀存储访问模型（NUMA ）3）全高速缓存存储访问模型（COMA ）4）高速缓存一致性非均匀访问模型（CC-NUMA ）简述均匀存储访问模型的特点答：1）物理存储器被所有处理器均匀共享。
2）所有处理器访问任何存储字的时间相同。
3）每台处理器可带私有高速缓存。
4）外围设备也可以一定的形式共享。
简述非均匀存储访问模型的特点答：1）被共享的存储器在物理上分布在所有的处理器中，其所有的本地存储器的集合构成了全局的地址空间。
计算机科学与技术学科硕士研究生培养方案
计算机科学与技术学科硕士研究生培养方案学科代号：0812学科专业名称：计算机科学与技术一、培养目标1．树立爱国主义和集体主义思想，掌握辩证唯物主义和历史唯物主义的基本原理，树立科学的世界观与方法论。
具有良好的敬业精神和科学道德。
品行优良、身心健康。
2．能够适应科学进步及社会发展的需要，在计算机学科上掌握坚实的基础理论、系统的专门知识，掌握本学科的现代实验方法和技能，具有从事科学研究或独立担负专门技术工作的能力。
有严谨的科研作风，良好的合作精神和较强的交流能力。
3．在科学研究或专门工程技术工作中具有一定的组织和管理能力。
4．具有良好的学术研究和社会活动素质，是可望成为学科带头人、技术负责人和政府领导人的后备人才。
二、研究方向1．高可靠计算与容错计算2．移动计算3．计算机网络与信息安全技术4．海量数据计算5．智能接口与人机交互6．自然语言计算技术7．企业计算与服务计算8．生物计算与生物信息技术9．多智能体机器人技术10．人工智能与模式识别11．空间计算技术及其应用三、课程学习及论文工作时间硕士研究生的培养年限原则上为二年。
对于学术研究型（以下简称系列1）的硕士生，重点培养其从事计算机科学研究工作的能力，为攻读博士学位打下良好的基础。
系列1硕士生原则上应以推荐攻博的方式取得攻读本学科博士学位的资格。
对于应用研究型（以下简称系列2）的硕士生，重点培养其计算机及应用工程实践和独立担负专门技术工作的能力，为毕业后从事技术应用型工作打下良好的基础。
要求系列2研究生能够独立完成一个完整的并具有一定难度的应用型研究、工程设计、技术开发课题，其学位论文阶段可以根据课题情况及学生意愿在相关企业中完成，并可根据实际情况适当延长毕业论文工作时间。
在延长期间，学校不收取学费，生活费由相关企业或导师及学生共同负担。
系列2的硕士研究生原则上可通过参加入学考试的方式取得攻读本学科博士学位的资格。
所有系列1研究生需在2年内在指定范围的学术期刊（见附录）上发表1篇学术论文，所有系列2研究生独立完成一个完整的并具有一定难度的应用型研究、工程技术开发课题，课题完成后须经学院指定的验收组验收。
计算机体系结构
一、计算机体系结构的基本概念计算机体系结构是指机器语言程序的设计者或是编译程序设计者所看到的计算机系统的概念性结构和功能特性。
Amdahl所定义的体现结构是指程序员面对的是硬件的系统。
所关心的是如何合理的进行软硬件功能的分配。
计算机系统结构是指机器语言级的程序员所了解的计算机的属性，即外特性。
可以包含数据表示，寄存器定义、数量、使用方式，指令系统，中断系统，存存储系统，IO系统等。
计算机组成是计算机结构的逻辑实现。
可以包含数据通路宽度，专用部件设置，缓冲技术，优化处理等。
计算机的实现是指其计算机组成的物理实现。
包括处理机，主存部件的物理结构，器件的集成度，速度的选择，模块、硬件、插件底板的划分和连接。
从使用语言的角度，可以把计算机系统按功能从高到低分为7级：0应用语言机器级、1高级程序语言机器级、2汇编语言机器级、3操作系统机器级、4传统机器语言机器级、5微程序机器级和6电子线路级。
3～6级为虚拟机，其语言功能均由软件实现。
硬件功能分配的基本原则：（1）功能要求。
首先是应用领域对应的功能要求，其次是对软件兼容性的要求；（2）性能要求。
如运算速度，存储容量，可靠性，可维护性和人机交互能力等；（3）成本要求。
体系结构设计的方法有三种：由上而下－从考虑如何满足应用要求开始设计；由下而上－基于硬件技术所具有的条件；由中间开始的方法。
体系设计的步骤：需求分析、需求说明、概念性设计、具体设计、优化和评价。
计算机体系结构的分类：（1）弗林FLYNN分类法：按指令流和数据流将计算机分为4类：①单指令流、单数据流－Single Instruction Stream Single Data Stream，SISD。
计算机，即传统的单处理机，通常用的计算机多为此类，如脉动阵列计算机systolic array；②单指令流、多数据流－Multiple，SIMD。
典型代表是并行处理机。
其并行性在于指令一级。
如ILLIAC、PEPE、STARAN、MPP等；③MISD计算机；④MIMD计算机。
计算机科学与技术学科博士研究生培养方案-哈工大计算机学院-哈尔滨
哈尔滨工业大学计算机科学与技术学科博士研究生培养方案计算机科学与技术学院2014年6月计算机科学与技术学科博士研究生培养方案说明一、培养目标1、树立爱国主义和集体主义思想，树立科学的世界观与方法论。
2、掌握本学科坚实宽广的基础理论和系统深入的专门知识；深入了解学科的发展现状、趋势及研究前沿，；熟练地掌握一门外国语，并具有一定的国际学术交流能力；具有独立从事科学研究的能力；能够在科学研究或专门技术上做出创新成果。
3、具有实事求是的科学精神、严谨务实的科研作风，具有良好的合作精神。
二、培养年限博士生培养年限一般为3-4年，硕博连读研究生培养年限一般为5年。
特殊情况下，经有关审批程序批准，一般博士生的培养年限最长可延至5年，硕博连读研究生的培养年限最长可延至6年。
三、研究方向为培养博士研究生独立地、创造性地从事科学研究的能力，本学科研究方向设置注重前沿性、基础性和交叉性，研究方向相对稳定。
计算机学院按照计算机科学与技术一级学科制定博士生培养方案，其主要研究方向为11个。
计算机科学与技术学科主要研究方向包括：（1）高可信高性能计算机体系结构（2）移动计算与嵌入式计算（3）计算机网络与信息安全（4）计算理论（5）海量数据计算（6）服务计算（7）生物计算与生物信息学（8）智能人机交互与数字媒体技术（9）人工智能与模式识别（10）自然语言计算与中文信息处理（11）社会计算四、培养方式博士生的培养实行博士生导师负责制。
可根据培养工作的需要确定副导师和协助指导教师。
为有利于在博士生培养中博采众长，提倡对同一研究方向的博士生成立博士生培养指导小组，对培养中的重要环节和博士学位论文中的重要学术问题进行集体讨论。
博士生培养指导小组名单应在学院备案。
五、课程设置博士生在校期间应至少修满14个学分，其中课程学习10学分，必修环节4学分。
六、学分分配1．公共课程（4学分）（1）政治理论课32学时2学分（2）博士生外语课（可以有条件免修）64学时2学分2．学科学位课程（不少于2学分）计算理论/数理统计/矩阵分析/现代数学基础/模糊数学/最优化方法6选1并行处理与体系结构（硕）机器学习（硕）3．选修课程（不少于4学分）（1）移动计算理论（2）可信计算理论（3）普适计算与移动计算（硕）（4）数据库系统原理（硕）（5）计算生物学（硕）（6）软件体系结构（含软件设计模式）（硕）（7）视频编码与传输（硕）（8）自然语言处理（硕）（9）分布式信息处理（10）先进模式识别技术（11）语音信号处理（12）多媒体技术（硕）（13）网络与信息安全（14）信息安全数学基础（15）应用与量子密码学（硕）（16）网络行为学（17）多媒体安全（硕）（18）生物特征识别（19）认知计算理论（20）社会计算（硕）（21）信息检索（硕）4．必修环节(4学分)（1）综合考评1学分（2）开题报告1学分（3）中期检查1学分（4）学术活动1学分（5）社会实践1学分注：（1）-（3）为必选环节，（4）、（5）可任选一注意关于博士课程：如若在硕士阶段修过博士培养方案中所列课程，可以选修本学科学术型硕士研究生培养方案中的其他重要学位课作为学位课，可以选修全校范围内开设的与学科有关的研究生课程作为选修课。
计算机体系结构第5章_并行处理技术
第5章 并行处理技术
3.累加和并行算法
对于累加和这样的递归操作，为了加快并行计算，常采用递归折叠方法。
一般而言，对于在P个处理单元上实现P个元素累加求和，需要折叠 log2 P 次，并行相加 log2 P 次，并行传送数据的次数根据各PE间互连网络的拓扑结构 不同而有很大差异。设加法1次所需的时间为t加，并行相加的总次数为n，数据 在两个相邻处理单元之间传送一次所需的时间为t传，并行传送数据的总次数为 x，则并行处理所需的总的时间为：nt加+ xt传 。
在设计互连网络时应考虑以下的四个特征： 1.通信工作方式 通信工作方式可分为同步和异步两种。 2.控制策略 控制策略分为集中和分散两种。 3.交换方式 交换方式分为线路交换和分组交换两种。 4.网络拓扑 网络拓扑分为静态和动态两种。
第5章 并行处理技术
5.3.2 互连函数的表示 互连函数----互连函数描述的是各处理单元之间或处理单元与共享主存
(1)若处理单元的个数P＜n2
第5章 并行处理技术
第5章 并行处理技术
下面分析这种并行算法的计算时间和通信时间。 ①计算时间 用Pij计算Cij时，需要对(n/m×n/m)阶子矩阵中的每个元素cij进行n次乘法 和n次加法 ，故Pij的运行时间为： n/m×n/m×n×(t乘+t加)=n3/m2×(t乘+t加)
(3)∵ t乘、t加和tw 均为一个指令周期，ts忽略不计，n=64，m=8 ∴ 整个矩阵乘算法所需的总的运行时间为： TP =n3/m2×(t乘+t加)+ 2(mts + n2/m×tw) =643/82×(1+1)+2(0+642/8×1) =9216(指令周期)
第5章 并行处理技术
《计算机体系结构设计》第07章 并行处理与普适计算
多核CPU，每个处理器核内部有多级指令流水线。 资源共享（Resource Sharing）：
是一种软件方式，利用软件让多个用户按一定时间顺序 轮流地使用同一套资源，以提高其利用率，这样相应地提高 整个系统的性能。例如多道程序分时系统。
7.3.2 多处理机系统中的存储器管理
（1）集中共享（共享存储）的并行处理机
每个PE没有局部存触器，存储模块以集中形式为所有
PE共享。
CU
SC
PE0 PE1
… PEN-1
ICN
MM0 MM1
… MMN-1
I/O-CH I/O … SM 图7.15 集中共享存储器结构
（2）分布共享（分布存储）的并行处理机
7.1 并行计算机系统结构 7.2 单处理机系统中的并行机制 7.3 多处理机系统的组织结构 7.4 多处理机操作系统和算法 7.5 从计算机到网络 7.6 普适计算和移动计算 习题7
7.1.1 指令级并行和机器并行
1 并行性（Parallelism）
并行计算机系统最主要的特性就是并行性 （Parallelism），并行性是指计算机系统具有的同时运算或 同时操作的特性，它包括同时性与并发性两种含义。 同时性（Simultaneity）：指两个或多个事件在同一时刻
发线程级并行和指令级并行的技术，使用的是线程级并行 性（Thread Level Parallelism，简称TLP）。
实现多线程有两种主要的方法： 细粒度（Fine-Grained）多线程 粗粒度（Coarse-Grained）多线程
7.2.2 单片多核处理器CMP
单芯片多处理器(Chip Multiprocessors，CMP)与同时 多线程处理器(Simultaneous Multithreading，SMT)，这
软件设计师-计算机系统组成与体系结构(一)_真题-无答案
软件设计师-计算机系统组成与体系结构(一)(总分46,考试时间90分钟)1. 设∪表示集合的并运算，∩表示集合的交运算，A表示集合A的绝对补，A-B表示集合A 与B的差，则A-B=______ 。
A．A∪(A∩B) B．A∪B C．A∩(A∪B) D．A∩B2. ______不是RISC的特点。
A．指令的操作种类比较少 B．指令长度固定且指令格式较少C．寻址方式比较少 D．访问内存需要的机器周期比较少3. 三个可靠性R均为0.8的部件串联构成一个系统，如图1-20所示则该系统的可靠性为______ 。
A．0.240 B．0.512 C．0.800 D．0.9924. 集合A=d，b，c上的二元关系R为：R=＜a，a＞，＜c，c＞，＜a，b＞，则二元关系R 是______。
A．自反的 B．反自反的 C．对称的 D．传递的相对于DES算法而言，RSA算法的 (102) ，因此，RSA (103) 。
5. A．加密密钥和解密密钥是不相同的B．加密密钥和解密密钥是相同的C．加密速度比DES要高 D．解密速度比DES要高6. A．更适用于对文件加密 B．保密性不如DESC．可用于对不同长度的消息生成消息摘要 D．可以用于数字签名常规的数据加密标准DES采用 (115) 位有效密钥对 (116) 位的数据块进行加密。
7. A．56 B．64 C．112 D．1288. A．32 B．64 C．128 D．2569. 从基本的CPU工作原理来看，若CPU执行MOV R1，R0指令(即将寄存器R0的内容传送到寄存器R1中)，则CPU首先要完成的操作是______ (其中，PC是程序计数器；M为主存储器；DR为数据寄存器；IR为指令寄存器：AR为地址寄存器)。
A．R0→R1 B．PC→AR C．M→DR D．DR→IR10. 中央处理器CPU中的控制器是由一些基本的硬件部件构成的，______ 不是构成控制器的部件。
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传
应用程序
检查点管理与与作业自动恢复 资源管理
缓解了大规模系统固有可靠性低对用
户应用运行的影响，使用户作业的运行 成功率得到很大提高，提升了系统可用 性与吞吐率。 ①操作系统内核实现用户透明的进程 检查点支持； ②MPI运行库进行并行任务检查点的协
并行任务协同通道重建
包括
“天河一号”处理器
5120个AMD Radeon HD 4870 X2显卡
基本信息---数字5：互联通信速率
1
“天河一号”互联结构
互联通信网络的单根线传输速率为１０Ｇｂｐｓ 目前国际上最快的速率 一条信息高速公路
基本信息---数字6：速度
1
“天河一号”造价
“天河一号”目前投资为６亿人民币
使用寿命预计为１０年
《并行处理与体系结构》
计算机学院 计算机体系结构教研室 嵌入式系统研究中心
张老师
--- Super Computer超级计算机
“天河一号”超级计算 机
2011.11.8
“天河一号”超级计算机
“天河一号”计算机排名世界第五
天河一号”计算机排名“亚洲第一”
基本信息---数字1：速度
1
“天河一号”计算一天
①高带宽可扩展互联网络技术； ②用户级低延迟通信协议；
③链路自检测和自管理；
④单线速率10Gbps的互联； ⑤高吞吐高密度背板互联结构 ⑥光电混合传输。
技术---关键技术3/7:高效异构协同计算技术
3/7:高效异构协同计算技术
速度，却降低了功耗和成本。
3
使用CPU+GPU的体系结构，GPU扮演加速器的作用，它加快了计算机的运行
天河 一号 典型 系统 配置
√ 点点通信带宽40Gbps
√ 共享磁盘总容量为1PB.
H
硬件系统
由计算阵列、加速阵列、服务阵列，以及互联通信子系统、I/o存储子系统和 监控诊断子系统等构成。
①计算阵列
2560个计算结点； 每个计算结点集成2个Intel CPU，配32GB内存；
②加速阵列
2560个加速结点； 每个加速结点含2个AMD GPU、2GB显存；
①高可靠异构计算结点平衡设计技术； ②高层任务抽象和管理技术； ③多阵列可配置高速互联技术； ④动态任务分布和调度技术； ⑤全局共享并行I/O技术； ⑥动态计算域构建技术； ⑦异构协同的资源管理技术。
技术---关键技术2/7:高速率可扩展互联通信技术
2/7：高速率扩展互联通信技术
的关键技术，提高了系统效率，简化系统维护。
全系统峰值性能为每秒１２０６万亿次
实测性能为每秒５６３．１万亿次
１６０年
基本信息---数字2：共享存储总容量
1
“天河一号”共享存储总容量
共享存储总容量为１ＰＢ
4个国家图书馆
基本信息---数字3：大小与重量
1
“天河一号”重量
相当于
…
19个神舟飞船
基本信息---数字4：处理器
1
6144个Intel Xeon E5540/E5450处理器
9
2011年6月20日，国际TOP500组织对外公布了世界超级计算机最新排行榜： 日本“京”超级计算机超越了我国“天河一号”，排名世界第一。
日本理化学研究所20日宣布，与富士通共同研发中的超级计算机“京”以每秒8612万亿次 的运算速度在最新全球超级计算机500强排名中位列第一。
争锋---―超越只是一瞬间”---不进则退
①应用能耗特征识别； ②基于PMU事件和QoS的能耗状态监控； ③能耗感知的资源分配； ④能耗感知的作业调度；
⑤能耗感知的分布式设备状态管理；
⑥面向能效优化的编译。
应用---典型应用1/N:用数值方法预报台风
4
用数值方法预报台风
应用---典型应用2/N:辅助设计飞机气动外形
4
通过天河一号辅助设计飞机气动外形
①面向对象的组件化系统结构； ②动态服务发现技术；
③友好的人机界面设计技术；
④一体化图形集成开发框架； ⑤高效能、低开销的虚拟域技术； ⑥用户环境的动态构建迁移技术； ⑦系统资源远程探测技术。
技术---关键技术6/7:多层次的大规模系统容错技术
6/7:多层次的大规模系统容错技术
采用多层容错技术，通过操作系统级 的检查点功能、资源管理级的任务和作 业的自动容错技术，以及并行应用级的 容错并行算法和断点续传功能，有效提 高了系统的可靠性。
技术---关键技术4/7:基于隔离的安全控制技术
4/7:基于隔离的安全控制技术
针对超级计算中心的高信息安全需求， 系统创新地采用了基于隔离的安全控制技 术，在不增加系统开销的前提下，有效提
3
面向虚拟域的作用管理 资源管理 分配模块 环境 监测设置模块
高了用户运行信息和数据的安全性。
充分发挥了系统的各项性能，在保证系 统数据、用户数据安全的前提下，最大限 度地提升了系统的服务能力，为每个用户 提供了安全、高效、灵活、符合用户习惯 的计算环境。 ①低开销的用户容器技术；
9
今年，日本超级计算机“京”夺走Top500榜首之位，中国的“天河一号”仅保持半年的优势
针对多阵列可配置协同并行体系结构中的异构混合计算资源，采用混合语言编
程技术，突破了传统混合计算模式效率低的问题，为提高系统的整体性能起到关 键作用。 高效发挥CPU与GPU的协同计算能力，把GPU的计算效率从优化前的20%提高 到70%。 ①自使用动态任务划分，自动平衡CPU和GPU的工作负载； ②流式数据存储，减少GPU数据传输对CPU计算的干扰； ③软件流水，重叠GPU计算与主存和GPU之间的数据传输； ④亲和调度，优化计算结点间的进程调度和计算结点内的线程调度，减少数据、 指令迁移和通信开销； ⑤多层缓冲区双向异步数据传输，通过PCI-E数据缓冲区优化CPU与GPU之间的 数据传输，减少带宽压力； ⑥高级循环优化，通过编译器自动进行数据交换、循环变换和循环分块，增大 Cache重用，改善多线程运行时的带宽受限问题； ⑦OpenMP与MPI混合并行支持，针对并行粒度的不同分别进行优化。
资源管理视图、友好的系统管理使用界面、一体化的并行应用集成开发环境和虚拟化的 网络计算环境。
AT
应用领域
“天河一号”可广泛应用于：石油勘探数据处理、生物医药研究、航空航天装备研制
资源勘测和卫星遥感数据处理、金融工程数据分析、气象预报和气候预测、海洋环境数 值模拟、短临地震预报、新材料开发和设计、土木工程设计、基础科学理论计算等。
技术---关键技术7/7:系统能耗综合控制技术
7/7:系统能耗综合控制技术
3
操作系统、资源管理系统和编译系统相结合，通过系统动态重构技术，结点ACP 能耗状态动态管理技术和动态调频技术，根据用户资源需求和系统工作状态，动态 调整系统资源配置，调节结点功耗状态和CPU、GPU、内存的工作频率，实现最佳 的系统能效，并有效提高系统的可靠性。 通过一体化的能耗控制技术，使系统的空闲结点能耗降低比例大于80%；并行计算 系统综合能耗降低比例大于20%；能耗管理系统对应用运行时间影响低于5%。
③服务阵列
512个服务结点 每个服务结点含2个Intel EP CPU、32GB内存
④互联通信子系统
采用两级Infiniband QDR互联； 单个通信链路的通信带宽为40Gbps，延迟1.2微妙；
⑤I/O存储子系统
采用全局分布共享并行I/O系统结构； 磁盘总容量1PB
⑥监控子系统
采用分布式集中管理结构，实现全系统的实时安全检测、系统控制和调试诊断功能
用户透明的进程检查点技术
MPI运行库 OS内核
用户界面
统筹作业管理
同与通信通道重建；
③资源管理提供作业检查点的管理与自 动故障恢复； ④应用容错并行算法和断点续传； ⑤资源管理控制进程的双机备份技术； ⑥并行存储的Failover技术；
检查点插件
资源管理系统
作业进程
故障检测模块
检查点库
并行存储系统 自动作业容错流程
面向虚拟域的 服务质量保证模块
虚拟计算域构建 模块 服务结点虚拟计算域
安全控制系统的结构图
技术---关键技术5/7:虚拟化的网络计算支撑技术
5/7:虚拟化的网络计算支撑技术
网络化使用和云计算。
3
针对网络化计算需求，通过高性能虚拟域技术，支持根据用户需求动态构造 虚拟化的用户运行环境，并结合远程虚拟终端技术，屏蔽系统细节，高效支撑 虚拟化网络计算支撑技术有效屏蔽了系统细节，简化了用户使用，提高应用 开发效率，提供了有别于传统高性能计算机的使用方式，可以进一步扩展并满 足未来云计算的需求。
S
软件系统
由操作系统、编译系统、资源管理系统和并行程序开发环境等四部分组成。
①操作系统 操作系统采用64位Linux； 面向高性能并行环境、支持能耗管理、虚拟化和安全隔离等进行了针对性设计。 ②编译系统 支持C、C++、Fortran77/90/95、JAVA语言 支持OpenMP、MPI并行编程； 提供异构协同编程框架，高效发挥CPU和GPU的协同计算能力； ③资源管理 提供全系统资源统一视图，实现多策略资源分配与作业调度，有效提高资源利用 率和系统吞吐率； ④并行程序开发环境 并行程序开发环境提供一体化图形用户界面，支持应用程序的调试和性能分析。
６亿人民币
基本信息---结构特点
研制 背景
制”课题成果
1
√ 863―高效能计算机及网格服务环境”重大项目“千万亿次高效能计算机系统研
√ 国家超级计算天津中心的业务主机，部署于天津市滨海新区
√ 中国国家网格计算主结点 √ 6144个通用处理器 √ 5120个加速处理器 √ 内存总容量98TB
同比---超级计算机排名1/5:美洲豹
5
美洲豹（ 2009年的世界第一名美国“美洲豹” ）