习题作业-第一章并行计算机系统及其结构模型

计算机体系结构课后习题原版答案_张晨曦著

第1章计算机系统结构的基本概念1.1 解释下列术语层次机构：按照计算机语言从低级到高级的次序，把计算机系统按功能划分成多级层次结构，每一层以一种不同的语言为特征。

这些层次依次为：微程序机器级，传统机器语言机器级，汇编语言机器级，高级语言机器级，应用语言机器级等。

虚拟机：用软件实现的机器。

翻译：先用转换程序把高一级机器上的程序转换为低一级机器上等效的程序，然后再在这低一级机器上运行，实现程序的功能。

解释：对于高一级机器上的程序中的每一条语句或指令，都是转去执行低一级机器上的一段等效程序。

执行完后，再去高一级机器取下一条语句或指令，再进行解释执行，如此反复，直到解释执行完整个程序。

计算机系统结构：传统机器程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。

透明性：在计算机技术中，把这种本来存在的事物或属性，但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性。

计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现，包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。

计算机实现：计算机组成的物理实现，包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，模块、插件、底板的划分与连接，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。

系统加速比：对系统中某部分进行改进时，改进后系统性能提高的倍数。

Amdahl定律：当对一个系统中的某个部件进行改进后，所能获得的整个系统性能的提高，受限于该部件的执行时间占总执行时间的百分比。

程序的局部性原理：程序执行时所访问的存储器地址不是随机分布的，而是相对地簇聚。

包括时间局部性和空间局部性。

CPI：每条指令执行的平均时钟周期数。

测试程序套件：由各种不同的真实应用程序构成的一组测试程序，用来测试计算机在各个方面的处理性能。

存储程序计算机：冯·诺依曼结构计算机。

其基本点是指令驱动。

程序预先存放在计算机存储器中，机器一旦启动，就能按照程序指定的逻辑顺序执行这些程序，自动完成由程序所描述的处理工作。

系列机：由同一厂家生产的具有相同系统结构、但具有不同组成和实现的一系列不同型号的计算机。

计算机系统结构第一章(习题解答)

1. 如有一个经解释实现的计算机，可以按功能划分成4级。

每一级为了执行一条指令需要下一级的N条指令解释。

若执行第一级的一条指令需要K ns 时间，那么执行第2、3、4级的一条指令各需要用多少时间？解：可以分情况进行讨论●情况一执行第2级的一条指令需要NK纳秒，执行第3级的一条指令需要N2K纳秒，执行第4级的一条指令需要N3K纳秒。

●情况二执行第2级的一条指令需要K/N纳秒，执行第3级的一条指令需要K/N2纳秒，执行第4级的一条指令需要K/N3纳秒。

2. 实现软件移植的主要途径有哪些？它们存在什么问题？适用于什么场合？答：略3. 想在系列中发展一种新型号机器，你认为下列哪些设想是可以考虑的，哪些则是行不通的？为什么？⑴新增加字符数据类型和若干条字符处理指令，以支持事务处理程序的编译。

⑵ 为增强中断处理功能，将中断分析由原来的4级增加到5级，并重新调整中断响应的优先次序。

⑶ 在CPU 和主存之间增设Cache 存储器，以克服因主存访问速率过低而造成的系统性能瓶颈。

⑷ 为解决计算误差较大的问题，将机器中浮点数的下溢处理方法由原来的恒置“1”法，改为增设用只读存储器存放下溢处理结果的查表舍入法。

⑸ 为增加寻址灵活性和减少平均指令字长，将原来全部采用等长操作码的指令改成有3类不同码长的扩展操作码；并将源操作数寻址方式由原来的操作码指明改成增加一个如V AX-11那样的寻址方式位字段来指明。

⑹ 将CPU 与主存之间的数据通路宽度由16位扩展到32位，以加快主机内部信息的传送。

⑺ 为了减少使用公用总线的冲突，将单总线改为双总线。

⑻ 把原来的0号通用寄存器改作为专用的堆栈指示器。

答：⑵、⑸、⑻不可以，其它都可以。

⑵ 不可以，对系列机可以增加新功能，但是不能改变原来的功能。

⑸ 不可以，改变了指令的格式和功能。

⑻ 不可以，0号通用寄存器变成堆栈指示器，0号通用寄存器不能用了。

4. 如果某一计算任务用向量方式求解比用标量方式求解要快20倍，称可用向量方式求解部分所花费时间占总时间的百分比为可向量化百分比。

并行计算第一章课后习题

第一章1.通过对本章所讲内容的理解，结合自身的认识论述学习并行计算及编程的重要性及意义.并行计算及编程是计算机专业本科生核心专业提升课程。

并行计算可以提高计算机的性能。

越来越多的研究和应用领域将需要使用并行计算技术，并行计算技术将对传统计算技术产生革命性的影响2.通过访问超级计算TOP500网站，了解最新的世界超级计算机排名，列出排名前10的超级计算机系统及其基本配置参数，试述你对超级计算机作用、意义的理解和认识.2019年11月①Summit;处理器：2,397,824 个；峰值速度：200795 TFlop/s②Sierra;处理器：1,572,480 个；峰值速度：125,712 TFlop/s③神威太湖之光；处理器：10,649,600 个；峰值速度： 125,436 TFlop/s④TH-2天河二号；处理器：4,981,760个；峰值速度：100,679 TFlop/s⑤Frontera；处理器：448,448 个；峰值速度：38746 TFlop/s⑥Piz Daint 代恩特峰；处理器：387,872 个；峰值速度：27154 TFlop/s⑦Trinity三一；处理器：979,968 个；峰值速度：41,461 TFlop/s⑧ABCI；处理器：391,680 个；峰值速度：32,576 TFlop/s⑨SuperMUC-NG；处理器：305,856个；峰值速度：26873 TFlop/s⑩Lassen;处理器：288,288 个；峰值速度：23047 TFlop/s 超级计算机：能够执行一般个人电脑无法处理的大资料量与高速运算的电脑。

其基本组成组件与个人电脑的概念无太大差异，但规格与性能则强大许多，是一种超大型电子计算机。

具有很强的计算和处理数据的能力，主要特点表现为高速度和大容量，配有多种外部和外围设备及丰富的、高功能的软件系统；超级计算机是计算机中功能最强、运算速度最快、存储容量最大的一类计算机，多用于国家高科技领域和尖端技术研究，是一个国家科研实力的体现，它对国家安全，经济和社会发展具有举足轻重的意义，是国家科技发展水平和综合国力的重要标志。

计算机系统结构作业答案

计算机系统结构计算机系统结构作业1第1章计算机系统结构的基本概念一、解释下列术语：计算机系统结构；计算机组成；计算机实现；透明性；系列机；软件兼容；兼容机；模拟；仿真；虚拟机；宿主机；Amdahl定律；CPI；MIPS；MFLOPS。

【答案】计算机系统结构、计算机组成和计算机实现是三个不同的概念。

系统结构定义为由程序设计者所看到的一个计算机系统的属性，即概念性结构和功能特性，这里的程序设计者所看到的计算机属性是指为机器语言或编译程序设计者所看到的计算机属性，是硬件子系统的概念性结构及其功能特性，它是计算机系统的软、硬件的界面。

计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器内部的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。

计算机实现是指计算机组成的物理实现。

透明性：在计算机技术中，一种本来是存在的事物或属性，但从某种角度看似乎不存在，成为透明性现象。

所谓系列机是指在一个厂家内生产的具有相同的系统结构，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。

不同公司厂家生产的具有相同系统结构的计算机称为兼容机。

软件兼容：在新的计算机系统出台后，原先已开发的软件仍能继续在升档换代的新型号机器上使用，这就是软件兼容。

系列机方法能够在具有相同系统结构的各种机器之间实现软件移植，为了实现软件在不同系统结构的机器之间的相互移植，可以采用模拟和仿真。

模拟方法是指用软件方法在一台现有的计算机上实现另一台计算机的指令系统。

仿真是指用微程序直接解释另一种机器指令系统的方法。

虚拟机是被模拟的机器；宿主机是进行模拟的机器。

Amdahl 定律：系统中某一部件由于采用某种更快的执行方式后整个系统性能的提高与这种执行方式的使用频率或占总执行时间的比例有关。

Fe=（改进前可改进部分占用的时间）/（改进前整个任务的执行时间） Se=（改进前可改进部分的执行时间）/（改进后改进部分的执行时间）则，改进后整个系统加速比为ee e n S F F s /)1(1+-=。

第一章计算机系统结构习题PPT

（2）如果3个部件改进前执行时间占整个系统执行时间的比例分别是30%、30%和20%，那么，3个部件都改进后系统的加速比是多少？未改进部件执行时间在改进后的系统执行时间中占的比例多少？
计算机系统结构习题
【例3】假设高速缓存Cache的工作速度为主存的5倍，且
Cache被访问命中的概率为90%，那么，采用Cache后能使整
假设4个程序都分别执行100*106条指令，计算这4个程序分别在计算机A、B、C上执行的MIPS。根据这些速率值，你能否直接评价这3台计算机相对性能的优劣？如果不能，你能否找到一种方法对3台计算机的相对性能进行排序？
计算机系统结构习题分析
• 1-6 【分析】所谓透明就是看不到，不属于其管理的部分。对计算机系统结构是否是透明，首先要弄清楚教材有关计算机系统结构的定义和所包含的属性内容。简单来说，凡是编写机器语言和汇编语言程序要用到的数据表示、指令系统、寻址方式、寄存器组织、机器级I/O结构、存贮容量及其编址方式、中断机构、系统管态和目态间的切换、信息保护方式和机构等对计算机系统结构都是不透明的。而全部由硬件实现，或是在机器语言、汇编语言编程中不会出现和不需要了解的部分，以及只影响机器的速度和价格的逻辑实现（计算机组成）和物理实现（计算机实现）的那些部分，对计算机系统结构都是透明的。
概论
• 2.目的 • 通过对本课程的学习，使我们能进一步树立和加深对计算机系统的整体概念，特别着眼于正确掌握有关计算机系统结构的基本概念、基本原理，了解目前采用的比较成熟的基本结构，掌握结构设计的基本思想和方法，提高分析问题和解决问题的能力。同时，通过对本课程的学习，了解到近20年里，在并行处理和系统结构技术上的一些重要进展及今后可能的发展趋势。

并行计算习题(全)

2.
根据表所给出的数据： ①分别计算 Berkeley Now、Intel Paragon 和 Cray C90 的性能/价格比； ②你能由此得出什么结论吗？三种机器求解某应用常微分方程时的运行一览表机器系统 Cray C90 Intel Paragon Now +Ethernet NOW+ATM+PIO+AM 处理器数 16 256 256(RS6000) 256(RS6000) 计算时通信时间（s）间（s） 7 12 4 4 4 24 23340 8 I/O 时总时间间（s）（s） 16 10 4030 10 27 46 27340 21 价格（s） 30 10 4 5
第四章习题例题：
1.
并行算法的设计基础
试证明 Brent 定理：令 W (n)是某并行算法 A 在运行时间 T(n)内所执行的运算数量，则 A 使用 p 台处理器可在 t(n)＝O(W(n)／p+T(n))时间内执行完毕。假定P i （1≤i≤n）开始时存有数据d i , 所谓累加求和指用 di 。算法 PRAM-EREW上累加求和算法输入： P i 中保存有d i , l≤ i ≤ n 输出： P i 中的内容为
第二章习题例题：
1.
当代并行计算机系统介绍
请尽可能访问以下有关高性能并行计算的网址： IEEE/CS ParaScope (/parascope/)，world-wide parallel computing sites High Performance Computing Lists (/homes/mcbryan/public_html/bb/2/summary.html) The Language List (http://cuiwww.unige.ch/langlist) enumerate programming languages TOP 500 (/benchmark/top500.html) World's TOP 500 most powerful computing sites (at Netlib，University of Tennessee) Myrinet () DSM bibliography (http://www.cs.ualberta.ca/~rasit/dsmbiblio.html) Berkeley Active Message page (/AM/active_messages.html) The Cray Research system page (/products/systems/) SGI/Cray Origin 2000 (/Products/hardware/servers/index.html) Cray T3E (/products/systems/crayt3e/) PetaFLOPS web site (/hpcc/) NASA HPCC Program (/hpcc/) Cray T3E (/products/systems/crayt3e/) IBM SP (/hardware/largescale/) Intel Paragon (/Services/ Consult/Paragon/paragon.html) Kai Li (/~li/) SP2 at MHPCC (/doc/SP2.general/SP2.general.html) MPI Standard site (/mpi/index.html) MIT Parallel and Distributed Operating Systems Group (/). National Center for Supercomputer Applications at UIUC (NCSA) (/) Cornell Theory Center (CTC) (/ctc.html) Argonne Natl Laboratory，Mathematics & Computer Science Div. (/) Army Research Lab (/) Lawrence Livermore National Laboratory (/comp/comp.html) Los Alamos Natl Laboratory (LANL) Advanced Computing Laboratory (/). Maui High Performance Computing Center (MHPCC) (/mhpcc.html) San Diego Supercomputer Center (/SDSCHome.html) Sandia National Laboratories (/) Massively Parallel Comp. Res. Lab. Parallel Processing in Japan (/papers/ppij.html) Cray Research (/) IBM High-Performance Computing (/) ParaSoft Corporation (/)

计算机系统结构第一章自考练习题答案

D.传统机器语言、应用语言、高级语言
4.可以直接执行微指令的是（C）。
A.编译程序B.微程序C.硬件D.汇编程序
5.计算机系统结构不包括（A）。
A.主存速度B.数据表示C.机器工作状态D.信息保护
6.对计算机系统结构透明的是（）。
A.是否使用通道型I/0处理机B.虚拟存储器C.字符行运算指令D. VLSI技术
12.进行仿真的机器称为（宿主机），被仿真的机器称为（目标机）。
13.（传统的单处理器）计算机是SISD计算机的典型代表。
14.弗林提出按（指令流）和（数据流）的多倍性对计算机系统的分类。
15.用实际存在的机器语言解释实现软件移植的方法称为（模拟）。
16.客观存在的事物或属性从某个角度看不到，称对他（透明）。
21.一般来说，计算机实现是指计算机组成的（物理实现），而器件技术在计算机实现中起着（主导）作用。
22.计算机应用可归纳为向上升级的四类。它们是数据处理、（信息）处理、（知识）处理和智能处理。
三．简答题。
1.简述提高计算机系统并行性的三个技术途径。（P20）
2.器件的发展对逻辑设计方法有哪些影响？
3.简述计算机系统“由中间开始”设计的基本思想.（P10）
4.为解决不同系统结构的机器之间的软件移植，通常采用何种路径？并简述其过程。（P13）
5.并行性有哪些不同的等级？（P19-20）
6.简要说明翻译和解释的区别和联系。（P2）
7.比较模拟和仿真。（P13-14）
8.为什么将计算机系统看成是多级机器构成的层次结构？（P2）
9.设计主存系统时，哪些属于计算机系统结构？哪些属于计算机组成？哪些属于计算机实现所要考虑的问题？
14.计算机系统在处理数据的并行上，可分为哪四个等级？简单解释并各举一例。（P19）

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。

第1章并行计算机系统及其结构模型(下)

分布式系统开发
计算机学院计算机科学与技术系主讲：主讲：陈蕾 E-mail: chenleijx@
1
第一章并行计算机连及其结构模型
1.2.1 系统互连 1.2.2 静态互联网络 1.2.3 标准互联网络 1.2.4 并行计算机系统模型
35属性pvpsmpmppdsmcow结构类型mimdmimdmimdmimdmimd处理器类专用定制商用商用商用商用互连网络定制交叉开关总线交叉开关定制网络定制网络商用网络以太atm通信机制共享变量共享变量消息传递共享变量消息传递地址空间单地址空间单地址空间多地址空间单地址空间多地址空间系统存储集中共享集中共享分布非共享分布共享分布非共享访存模型umaumanormanumanorma代表机器crayc90crayt90银河1号ibmr50sgipowerchallenge曙光1号intelparagonibmsp2曙光10002000stanforddashcray3dberkeleynowalphafarm
(a)3-立方
(b)4-立方
(c)顶点代之以环
(d)3-立方环
10
标准互联网络（）标准互联网络（1）
Myrinet:
Myrinet是由Myricom公司设计的千兆位包交换网络，其目的是为了构筑计算机机群，使系统互连成为一种商业产品。 Myrinet是基于加州理工学院开发的多计算机和VLSI技术以及在南加州大学开发的ATOMIC/LAN技术。Myrinet能假设任意拓扑结构，不必限定为开关网孔或任何规则的结构。 Myrinet网使用全双工网使用全双工SAN链路，最长可达米，峰值速率为链路，网使用全双工链路最长可达3米（1.28＋1.28）Gbps（目前有＋）（目前有2.56+2.56) Myrinet主机接口 : 32位的称作LANai芯片的用户定制的VLSI处理器，它带有Myrinet接口、包接口、DMA引擎和快速静态随机存取存储器SRAM。 140 of the November 2002 TOP500 use Myrinet, including 15 of the top 100

中国科技大学并行计算算法实践课程精讲PDF讲义合辑(共523页)

分布共享存储DSM－Distributed Shared Memory 将物理上分布的存储系统，通过硬件和软件的办法，向用户提供一个单一的全局地址空间易于编程易于扩展
国家高性能计算中心（合肥）
2013/7/24 Wednesday
12
并行计算机体系结构
单指令多数据流机SIMD（Single-Instruction MultipleData）；并行向量处理机PVP（Parallel Vector Processor）；对称多处理机SMP（Symmetric Multiprocessor）；大规模并行处理机MPP(Massively Parallel Processor)；工作站机群COW(Cluster of Workstation) 分布式共享存储DSM(Distributed Shared Memory)多处理机。
国家高性能计算中心（合肥）
2013/7/24 Wednesday
13
并行计算机体系结构模型
MB VP VP
MB P/C LM NIC
…
SM
VP
P/C
P/C
…
SM
P/C P/C LM NIC I/O
…
交叉开关 SM SM SM
总线或交叉开关
(a)PVP
(b)SMP
定制网络
(c)MPP
MB MB MB P/C M Bridge LD IOB NIC 定制网络 MB P/C M Bridge LD IOB NIC
19
工作站机群COW
分布式存储，MIMD，工作站+商用互连网络，每个节点是一个完整的计算机，有自己的磁盘和操作系统，而MPP中只有微内核优点：

计算机体系结构课后习题原版答案-张晨曦著

第1章计算机系统结构的基本概念1.1 解释下列术语层次机构：按照计算机语言从低级到高级的次序，把计算机系统按功能划分成多级层次结构，每一层以一种不同的语言为特征。

这些层次依次为：微程序机器级，传统机器语言机器级，汇编语言机器级，高级语言机器级，应用语言机器级等。

虚拟机：用软件实现的机器。

翻译：先用转换程序把高一级机器上的程序转换为低一级机器上等效的程序，然后再在这低一级机器上运行，实现程序的功能。

解释：对于高一级机器上的程序中的每一条语句或指令，都是转去执行低一级机器上的一段等效程序。

执行完后，再去高一级机器取下一条语句或指令，再进行解释执行，如此反复，直到解释执行完整个程序。

计算机系统结构：传统机器程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。

在计算机技术中，把这种本来存在的事物或属性，但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性。

计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现，包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。

计算机实现：计算机组成的物理实现，包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，模块、插件、底板的划分与连接，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。

系统加速比：对系统中某部分进行改进时，改进后系统性能提高的倍数。

Amdahl定律：当对一个系统中的某个部件进行改进后，所能获得的整个系统性能的提高，受限于该部件的执行时间占总执行时间的百分比。

程序的局部性原理：程序执行时所访问的存储器地址不是随机分布的，而是相对地簇聚。

包括时间局部性和空间局部性。

CPI：每条指令执行的平均时钟周期数。

测试程序套件：由各种不同的真实应用程序构成的一组测试程序，用来测试计算机在各个方面的处理性能。

存储程序计算机：冯·诺依曼结构计算机。

其基本点是指令驱动。

程序预先存放在计算机存储器中，机器一旦启动，就能按照程序指定的逻辑顺序执行这些程序，自动完成由程序所描述的处理工作。

系列机：由同一厂家生产的具有相同系统结构、但具有不同组成和实现的一系列不同型号的计算机。

第一章第二章习题及答案

第一章第二章习题及答案计算机体系结构习题及答案第一章基础知识1．名词解释翻译解释模拟仿真透明性程序访问局部性[答案]略翻译：先用转换程序将高一级机器上的程序整个地变换成为低一级机器上可运行的等效程序，然后再在低一级机器级上去实现的技术。

解释：在低一级机器上用它的一串语句或指令来仿真高一级机器级上的一条语句或指令的功能，通过对高一级机器语言程序中的每条语句或指令逐条解释来实现的技术。

模拟：指用软件的方法在一台计算机(宿主机A)上，实现另一台计算机(虚拟机B)的指令系统。

仿真：用微程序的方法在一台计算机(宿主机A)上实现另一台计算机(目标机B)的指令系统。

透明性：一种本来是存在的事务或属性, 但从某种角度看却好像不存在。

程序访问的局部性原理：是指程序执行过程中，呈现出频繁重新使用那些最近已被使用过的数据和指令的规律。

程序访问的局部性包括时间局部性和空间局部性。

2. 一个经解释实现的计算机可以按功能划分为四级. 每一级为了执行一条指令需要下一级的N条指令. 若执行第一级的一条指令需要的时间为K ns, 那么执行第二、三、四级的一条指令各需要多少时间?[答案] NK ns; N2K ns; N3K ns3. 计算机系统按功能划分层次结构的好处主要体现在哪些方面?[答案] (1) 有利于理解软件, 硬件和固件在系统中的地位和作用;(2) 有利于理解各种语言的实质和实现途径;(3) 有利于推动计算机系统结构的发展;(4) 有利于理解计算机系统结构的定义.4. 什么是透明性? 对计算机系统结构, 下列哪些是透明的? 哪些是不透明的?1)存储器的模m交叉存取; 2)浮点数据表示; 3) I/O系统是采用通道方式还是I/O处理机方式; 4) 阵列运算部件; 5) 数据总线宽度; 6) 通道是采用结合型的还是独立型的; 7) 访问方式保护; 8) 程序性中断; 9) 串行、重叠还是流水控制方式; 10) 堆栈指令; 11) 存储器的最小编址单位; 12) Cache存储器.[答案] 一种本来是存在的事务或属性, 但从某种角度看却好像不存在, 称为透明性.对计算机系统结构来说透明的是: 1), 4), 5), 6), 9), 12)对计算机系统结构来说不透明的是:2), 3), 7), 8), 10), 11)5. 什么是计算机体系结构? 什么是计算机组成? 什么是计算机实现? 并说明三者的关系和相互影响?[答案] 计算机系统结构是计算机系统的软, 硬件分界面, 是机器语言程序员或是编译程序员所需了解的计算机属性;计算机组成是计算机系统结构的逻辑事项;计算机实现是计算机组成的物理实现.三者的关系和互相影响为:(1) 具有相同系统结构的计算机可以采用不同的组成; (2) 一种计算机组成可以采用多种不同的计算机实现;(3) 计算机组成、计算机实现对计算机系统结构有着很大的影响;(4) 计算机系统结构的设计不应限制计算机组成和实现技术，应能用于高档机，也可用于低挡机;(5) 在不同时期, 计算机系统结构,、组成和实现所包含的内容会有所变化，三者之间的界线常常很模糊.6. 从机器(汇编)语言程序员角度看, 以下哪些是透明的? 1) 指令地址存储器; 2) 指令缓冲器; 3) 时标发生器; 4) 条件码寄存器; 5) 乘法器;6) 主存地址寄存器; 7) 磁盘外设; 8) 先行进位链; 10) 通用寄存器; 11) 中断字寄存器. [答案] 对机器(汇编)语言程序员来说透明的有: 2), 3), 5),6), 8), 9) 对机器(汇编)语言程序员来说不透明的有: 1), 4), 7), 10), 11)7. 假设在一台40 MHz 处理机上运行200 000条指令的目标代码, 程序主要由四种类型的指令所组成. 根据程序跟踪实验结果, 各类指令的混合比和每类指令的CPI 值如表1.9所示.表1.9 各类指令的指令混合比及每类指令的CPI 值指令类型指令混合比CPI算术和逻辑60% 1 高速缓存命中的加载/存储18% 2 转移12% 3 高速缓存缺失的存储器访问10% 4(1) 试计算在单处理机上执行上述该程序时的平均CPI;(2) 根据(1)所得到的CPI, 计算相应的MIPS 速率及程序的执行时间. [答案] (1) 2.24 CPI (2) 17.86 MPIS; 0.0112 s8. 某工作站采用时钟频率为15 MHz 、处理速率为10 MIPS 的处理机来执行一个程序，假定每次存储器存取为1周期延迟, 试问:(1) 此计算机的有效CPI 是多少?(2) 假定将处理机的时钟频率提高到30 MHz, 但存储器子系统速率不变, 这样, 每次存储器存取需要两个时钟周期. 如果30%的指令每条只需要一次存储存取, 而另外5%的指令每条需要两次存储存取, 还假定已知混合程序的指令数不变, 并与原工作站兼容, 试求改进后的处理机性能（计算MIPS ）.[答案] (1) 5.1=10×1010×15=10×=666MIPS f CPI ;(2) 改造以后处理机的CPI 发生变化，30%的指令每条只需要一次存储存取, 由于时钟周期缩短，这类以前需要1个时钟周期用于存储，而现在需要增加1个时钟周期用于存储。

第一章并行计算机系统及结构模型.

原著版权：陈国良改编：李建华
2018/9/21
4
科学计算的需要
原著版权：陈国良改编：李建华
2018/9/21
5
Intel（Option Red)： 1Tflops,1997,Pentium Pro SGI(Option Blue Mountain): 3Tflops,1998,MIPS10000 IBM(Option White): 7Tflops,Top4,2001,Power3 日本Earth Simulator: 35Tflops,Top1,2002,VP Hewlett-Packard ASCI Q： 7Tflops ,Top2,3,2002, Alpha Server 中国联想： 1Tflops,Top43,2002
第一章并行计算机系统及结构模型
1.1 并行计算
1.1.1 并行计算与计算科学 1.1.2 当代科学与工程问题的计算需求
1.2 并行计算机系统互连
1.2.1 系统互连 1.2.2 静态互联网络 1.2.3 动态互连网络 1.2.4 标准互联网络
1.3 并行计算机系统结构
剖平面上通过所有连线的最大信息位（或字节）数
如果从任一节点观看网络都一样，则称网络为对称的（Symmetry）
原著版权：陈国良改编：李建华
2018/9/21
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静态互连网络与动态互连网络
静态互连网络：处理单元间有着固定连接的一类网络，在程序执行期间，这种点到点的链接保持不变；典型的静态网络有一维线性阵列、二维网孔、树连接、超立方网络、立方环、洗牌交换网、蝶形网络等动态网络：用交换开关构成的，可按应用程序的要求动态地改变连接组态；典型的动态网络包括总线、交叉开关和多级互连网络等。

计算机系统结构第一章作业及答案

计算机系统结构第⼀章作业及答案1.2 试⽤实例说明计算机系统结构、计算机组成与计算机实现之间的相互关系。

答：如在设计主存系统时，确定主存容量、编址⽅式、寻址范围等属于计算机系统结构。

确定主存周期、逻辑上是否采⽤并⾏主存、逻辑设计等属于计算机组成。

选择存储芯⽚类型、微组装技术、线路设计等属于计算机实现。

计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现。

计算机实现是计算机组成的物理实现。

⼀种体系结构可以有多种组成。

⼀种组成可以有多种实现。

1.3 计算机系统结构的 Flynn 分类法是按什么来分类的？共分为哪⼏类？答：Flynn 分类法是按照指令流和数据流的多倍性进⾏分类。

分为：（1）单指令流单数据流 SISD （2）单指令流多数据流 SIMD （3）多指令流单数据流 MISD （4）多指令流多数据流 MIMD 1,5实现软件可移植性的常⽤⽅法有哪⼏种？并简述其含义1,采⽤系列机:由同⼀⼚家⽣产的具有相同的系统结构，但具有不同组成和实现的⼀系列不同型号的机器。

2,模拟与仿真:要使软件能在具有不同系统结构的机器之间相互移植，就要求：能在⼀种系统结构上实现另⼀种系统结构。

从指令集的⾓度来看，就是要在⼀种机器上实现另⼀种机器的指令集。

1.6 某台主频为400MHz 的计算机执⾏标准测试程序，程序中指令类型、执⾏数量和平均时钟周期数如下：求该计算机的有效CPI 、MIPS 和程序执⾏时间。

解：（1）CPI ＝(45000×1＋75000×2＋8000×4＋1500×2) / 129500＝1.776（2）MIPS 速率＝f/ CPI ＝400/1.776 ＝225.225MIPS（3）程序执⾏时间= (45000×1＋75000×2＋8000×4＋1500×2)／400=575s1.9 假设某应⽤程序中有4类操作，通过改进，各操作获得不同的性能提⾼。

计算机体系系统答案(第一章)

第1章计算机系统结构的基本概念1、有一个计算机系统可按功能分成4级，每级的指令互不相同，每一级的指令都比其下一级的指令在效能上强M倍，即第i级的一条指令能完成第i-1级的M条指令的计算量。

现若需第i级的N条指令解释第i+1级的一条指令，而有一段第1级的程序需要运行Ks，问在第2、3和4级上一段等效程序各需要运行多长时间？答：第2级上等效程序需运行：(N/M)*Ks。

第3级上等效程序需运行：(N/M)*(N/M)*Ks。

第4级上等效程序需运行：(N/M)*(N/M)*(N/M)*Ks。

2、硬件和软件在什么意义上是等效的？在什么意义上又是不等效的？试举例说明。

答：软件和硬件在逻辑功能上是等效的，原理上，软件的功能可用硬件或固件完成，硬件的功能也可用软件模拟完成。

只是反映在速度、价格、实现的难易程度上这两者不同。

3、试以实例说明计算机系统结构、计算机组成与计算机实现之间的相互关系与影响。

答：计算机系统结构、计算机组成、计算机实现互不相同，但又相互影响。

（1）计算机的系统结构相同，但可采用不同的组成。

如IBM370系列有115、125、135、158、168等由低档到高档的多种型号机器。

从汇编语言、机器语言程序设计者看到的概念性结构相同，均是由中央处理机/主存，通道、设备控制器，外设4级构成。

其中，中央处理机都有相同的机器指令和汇编指令系统，只是指令的分析、执行在低档机上采用顺序进行，在高档机上采用重叠、流水或其它并行处理方式。

（2）相同的组成可有多种不同的实现。

如主存器件可用双极型的，也可用MOS型的；可用VLSI单片，也可用多片小规模集成电路组搭。

（3）计算机的系统结构不同，会使采用的组成技术不同，反之组成也会影响结构。

如为实现A:=B+CD:=E*F,可采用面向寄存器的系统结构，也可采用面向主存的三地址寻址方式的系统结构。

要提高运行速度，可让相加与相乘并行，为此这两种结构在组成上都要求设置独立的加法器和乘法器。

计算机系统结构第1章部分习题参考答案

第1章部分习题参考答案1.1 解释下列术语⏹翻译：先用转换程序将上一级机器级上的程序整个地变换成下一级机器级上可运行的等效程序，然后再在下一级机器级上去实现的技术。

⏹解释：在下一级机器级上用它的一串语句或指令来仿真上一级机器级上的一条语句或指令的功能，通过对上一级机器语言程序中的每条语句或指令逐条解释来实现的技术。

⏹层次结构：将计算机系统由上往下依次划分为应用语言机器级、高级语言机器级、汇编语言机器级、操作系统机器级、传统机器级和微程序机器级。

对于一个具体的计算机系统，层次的多少会有所不同。

⏹计算机系统结构：传统机器级的程序员所看到计算机的基本属性，即计算机的概念性结构和功能特性。

简称为计算机的外特性。

⏹计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现，也常称为计算机组织。

该组织包括机器级内的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。

⏹计算机实现：计算机组成的物理实现。

它包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度、速度和信号，器件、模块、插件、底板的划分与连接，专用器件的设计，电源、冷却、装配等技术。

⏹透明性：本来存在的事物或属性，但从某个角度看似乎不存在，称为透明性现象。

⏹固件：是一种具有软件功能的硬件。

如将软件固化在ROM中，就是一种固件。

⏹由上往下设计：先考虑如何满足应用要求，确定好面对使用者那级机器应有什么基本功能和特性，然后再逐级往下设计，每级都考虑怎样优化上一级实现。

这种方法适合于专用机设计。

⏹由下往上设计：根据现有的部件，并参照或吸收已有各种机器的特点，先设计出微程序机器级（如果采用微程序控制）及传统机器级，然后再为不同应用配置多种操作系统和编译系统软件，采用合适的算法来满足相应的应用。

这是20世纪60-70年代前常用的通用机设计思路。

⏹系列机：同一厂家生产的具有相同系统结构，但具有不同组成和实现的一系列的机器。

⏹软件兼容：同一软件可以不加修改地运行于系统结构相同的不同档次的机器上，而且它们所获得的结果一样，差别只是运行时间不同。