计算机系统结构多处理机
计算机体系结构-第7章 多处理机
第7章 多处理机
主 CPU
主存
CIOP
高速系统总线 BIOP NIOP GIOP
ACOP
CIOP----字符处理机 BIOP----数组处理机 NIOP----网络处理机 GIOP----图形处理机 ACOP----向量加速处理机
图7.5 异构非对称式多处理机的一般结构
第7章 多处理机
2. 松耦合(loosely coupled)多处理机 松耦合多处理机是通过消息传递方式来实现处理机间的相互通 信的。 而每台处理机是由一个独立性较强的计算机模块组成，该模 块由处理器、较大容量的本地存储器(在运算时所需的绝大部分的 指 令 和 数 据 均 取 自 本 地 存 储 器 ) 、 I/O 设 备 以 及 与 消 息 传 递 系 统 (Message Transfer System，MTS)相连的接口组成。当不同模块上 运行的进程间需要通信时，可通过网络接口电路及消息传递系统 进行信息交换。由于这种相互间的耦合程度是很松散的，因此称 之为松耦合多处理机。 松耦合多处理机可分为非层次式和层次式两种结构。
第7章 多处理机
(5)合理地进行资源分配和任务调度。 在MIMD多处理机中，由于任务的大小不相同， 各处理机的速度也可能不相同(如异构型多处理机系统)， 互连网络的拓扑结构和通信延迟在不同的多处理机中 也有很大的差别，在执行并发任务时，并不是使用的 处理机个数越多，系统获得的性能就越高。因此需要 采用软件手段，合理地进行资源分配和任务调度，否 则系统性能将受较大影响。而在SIMD并行处理机中， 程序员只需用屏蔽的手段来设置部分处理单元为不活 跃状态，来控制实际参加并行操作的处理单元数目。
因此，Cm*是一个三层总线多处理机，三级的访 存时间分别为：计算机模块内3.5μs，计算机模块群内 9.3μs，而群间则为26μs。
计算机系统结构复习题(含参考答案)
02325计算机系统结构复习题一、单项选择题1．多处理机上两个程序段之间同时有先读后写和先写后读两种数据相关，则（C ）A．交换串行B．不能并行执行C．必须并行执行D．顺序串行2．输入输出系统硬件的功能对下面哪一类人员是透明的（A）A．应用程序员B．操作系统程序员C．机器语言程序设计员D．系统结构设计人员3．输入流水线的指令既无局部性相关也没有全局性相关，则（ B ）A．出现瓶颈B．可获得高的吞吐率和效率C．可靠性提高D．流水线的效率和吞吐率恶化4．相对较好的处理浮点数尾数的下溢的方法是（ D ）A．舍入法B．恒置1法C．截断法D．查表舍入法5．以下属于操作级并行SIMD计算机的是（ A ）A．阵列处理机B．多处理机C．超标量处理机D．超流水线处理机6．数据表示的含义是（ C ）A．程序中的数据格式B．数据结构C．硬件能直接识别引用的数据类型D．数据类型7．下面不是流水机器全局相关的处理方法的是（ B ）A．采取延迟转移B．堆栈法C．猜测法D．加快短循环程序的处理8．面向堆栈的寻址（ D ）A．能更好地支持向量的运算B．比面向寄存器的寻址访问速度快C．能更好地支持矩阵运算D．有利于子程序嵌套、递归调用参数、返回地址与现场的保存和恢复9．中断的优先级由高到低的是（ D ）A．程序性→I/O→机器校验B．外部→重新启动→程序性C．I/O→程序性→掉电D．通路错→程序性→I/O→重新启动10．多端口存储器适合于连接（ C ）A．机数很多的多处理机B．机数可变的多处理机C．紧耦合多处理机D．松耦合多处理机11．关于归约机的描述正确的是（ B ）A．归约机不是基于数据流的计算模型B．归约机采用需求驱动，执行的操作序列取决于对数据的需求C．归约机不是以函数式语言为机器语言D．归约机采是Von Neumann型计算机12．关于静态流水线的描述正确的是（ A ）A．某一时间内各段只能按一种功能联接流水的多功能流水线B．功能固定的流水线C．各段之间的连接是固定不变D．某一时间内可执行多种功能13．多处理机机间互连采用总线形式的优点是（ A ）A．结构简单、造价低、可扩充性好B．适用于处理机机数较多的场合C．系统增减模块不方便D．没有访问公用总线的冲突14．位片处理是指计算机采用___________方式对数据进行处理。
计算机系统结构中多处理机技术
ｅ ｐｒ ｂｌｍ ａｓ ｈｅ ｓ ｅ ｏ ａｋ ｉ ｃ ｒ ｉ ｔｏｎ，ｅｔ ｒｒｌ ｅ ｕｎｄ ｎ ｒ ｅｓ ｒａ ｄ ｒ ｃ ｍ ｂ ｎ ｔ ｂｌｔ ｓｉ ｒｉｅ ｓ ｔｍ ａｉ ｅ ｅ － ｄ ｏ ｅ ｒｉｅ ｔ ｐｅ ｄ ｔ ｓ ｎ ｏｏ ｄｎａｉ ｉｈｅ ｅｙ ｏｎ ｒ ｄ ａ ｔｐ ｏｃ ｓｏ ｎ ｅ ｏ ｉ ａｅ ａ ｉｉ ｉ ｔ ａｓ ｙｓｅ ｔｃ ｄ ｐ ｎｄ ｙ ａ ｉｉ ，ａ ａ ａ ｉ ｔ ｎｄ ｃ ｎ ｓ ｎ ｏ ｐｅｅ ｔｔ ｃ ｍ ｅ ｂｌｔ ｙ ｄ ｐｔｂｌｙ ａ ａ ｐｅ ｄ ｃ ｍ ｔ ｎ ｏ ｏ ｉ ．Ｔｈ ｓｔｘ ｓｉ ｒ ｕｃ ｄ ｔ ｖｅｏ ｉ ｅ ｔｈａ ｎｔｏｄ ｅ ｈｅ ｄｅ ｌ ｐｍ ｅ ｆｔ ｉｒ ｐｒ ｃ ｓｏ ，ｃ ｍｍ ｕ ｃ ｔｏ ， ｎｔｏ ｈｅ ｍ ｃ ｏ ｏ ｅｓ ｒ ｏ ｎｉａｉ ｎ ｄ ｖ ｌｐｍ ｅ ｔｏ ｈ ｅ ｏ ｅ ｈｎｏｏｇ ｎｄ ｔ Ｏ ｋｎｄｓｏ ｃａ ｙ ｔｍ ａｉ ｔｕｃｕ ｅ ｏｆｍ ａ ｙ ｐｒ ｃ ｓｏ ｓｉ ｔ ｅ ｂ ｆｍ ａ ｙ ｐｒ ｃ ｓｏ ｓａ ｅ ｅｏ ｎ ｆｔ ｅ ｍ ｍ ｒ ｔ ｃ ｙ ｌ ｙ ａ Ｗ ｉ ｆｓ ｉｌｓ ｓｅ ｔ ｓｒ ｔ ｒ ｎ ｏ ｅｓ ｒ ｎ ｈ ｕｓｏ ｎ ｏ ｅｓ ｒ ｎｄ ｐｅ ｃ
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多处理机new
1. 二维数组的无冲突访问存储器 • 要求：一个n×n的二维数组，按行、列、对 角线和反对角线访问，并且在不同的变址位 移量情况下，都能实现无冲突访问。 • 顺序存储：按行、对角线访问没有冲突，但 按列访问每次冲突
0 号体 体内地址 0 1 2 3
2012年8月15日星期三
1 号体
2 号体
3 号体
16
3. 二维数组的无冲突访问存储方案(之二) • 规则：对于任意一个n×n的数组，如果能够 找到满足n＝22P关系的任意自然数p，则这个 二维数组就能够使用n个并行存储体实现按行、 列、对角线和反对角线的无冲突访问。 • 4×4数组用4个存储体的无访问冲突存储方案
0 号体 体内地址 0 1 2 3
或(SSM,Scalable Shared-Memory)
物理上分离的多个存储器可作为一个逻辑上共享的 存储空间进行编址.
• 通信机制:可利用Load和Store指令中的地址隐 含地进行数据通信. 2.多计算机(multicomputers)
整个地址空间由多个独立的地址空间构成,它们在逻 辑上是独立的,远程的处理器不能对其直接寻址.
2012年8月15日星期三 计算机系统结构 第九章 多处理机 18
7.2.1.2 多处理机的Cache一致性
1. Cache不一致性原因
• 在并行处理机和多处理机系统中，采用局部 Cache会引起Cache与共享存储器之间的一致 性问题。 • 出现不一致性问题的原因有三个： 共享可写的数据、进程迁移、I/O传输
第七章 多处理机
• 多处理机定义： 两个或两个以上处理机(包括PU和CU)，通 过高速互连网络连接起来，在统一的操作 系统管理下，实现指令以上级（任务级、 作业级）并行。 • 按照Flynn分类法，多处理机系统属于 MIMD计算机 • 研究多处理机的目的：提前10年得到性能 高100倍的高性能计算机系统。
超标量处理机和超流水线处理机——计算机系统结构
超标量处理机和超流⽔线处理机——计算机系统结构在表5.2中，基准标量处理机是⼀台普通的单流⽔线处理机。
为了便于进⾏⽐较，把基准标量处理机的机器流⽔线周期和指令发射等待时间都假设为1个时钟周期，同时发射的指令条数为⼀条，它的指令级并⾏度ILP（Instruction Level Parallelism）假设为1。
另外三种指令级并⾏处理机，即并⾏度为m的超标量处理机，并⾏度为n的超流⽔线处理机，以及并⾏度为（m，n）的超标量超流⽔线处理机，它们的性能都相对于基准标量处理机进⾏⽐较。
单流⽔线处理机只有⼀条指令流⽔线，只有⼀个多功能的操作部件，每个时钟周期"取指令"和"分析"完成⼀条指令。
在许多流⽔线处理机中，指令流⽔线的流⽔段数k＝4；它把⼀条指令的执⾏过程主要分解为"取指令"、"分析"、"执⾏"和"写结果"4个阶段。
指令所要执⾏的功能主要在多功能操作部件中，在"执⾏"这⼀流⽔段完成。
多数流⽔线处理机的多功能操作部件采⽤流⽔线结构。
有的简单指令，只要⼀个时钟周期就能够在"执⾏"流⽔段中完成，⽽⽐较复杂的指令往往需要多个时钟周期。
另外，还有条件转移等的影响；因此，⼀般流⽔线标量处理机每个时钟周期平均执⾏指令的条数⼩于1，即它的指令级并⾏度ILP＜1。
超标量、超流⽔线和超标量超流⽔线三种处理机在⼀个时钟周期内可以执⾏完成多条指令，即它们的指令级并⾏度ILP都⼤于1。
超标量处理机基本结构超标量处理机的典型结构是有多个操作部件，⼀个或⼏个⽐较⼤的通⽤寄存器堆，⼀个或两个⾼速Cache。
先进的超标量处理机⼀般都包含有三个处理单元，⼀个是定点处理单元，通常称为中央处理单元（CPU），它由⼀个或多个整数处理部件组成；第⼆个是浮点处理单元（FPU），它由浮点加减法部件和浮点乘除法部件等组成；第三个是图形加速部件，也称为图形处理单元（GPU），这是现代处理机中不可缺少的⼀个部分。
计算机系统结构课后答案uint7
第七章课后题1.多处理机在结构、程序并行性、算法、进程同步、资源分配和调试上与并行处理机有什么差别？答：多处理机与并行处理机的主要差别是并行性的等级不同。
（1）结构灵活性。
多处理机制结构灵活性高于并行处理机。
（2）程序并行性。
多处理是指令、任务、作业并行，并行性的识别较难;并行处理机是操作级并行，并行性的识别较易。
（3）并行任务派生。
并行处理机工作能否并行工作由指令决定，多处理机必须有专门指令指明程序能否并行执行，派生的任务数是动态变化的。
（4）进程同步。
并行处理机的进程同步是自然的，而多处理机必须采取同步措施。
（5）资源分配和任务调度。
多处理机的资源分配和任务调度比并行处理机复杂得多。
2.多处理机有哪些基本特点？发展这种系统的主要目的可能有哪些？多处理着重解决哪些技术问题？答：○多处理机的基本特点：多处理机具有两台以上的处理机,在操作系统控制下通过共享的主存或输入/输出子系统或高速通讯网络进行通讯.结构上多个处理机用多个指令部件分别控制,通过机间互连网络通讯;算法上不只限于处理向量数组,还要实现更多通用算法中的并行;系统管理上要更多地依靠软件手段,有效解决资源分配和管理,特别是任务分配,处理机调度,进程的同步和通讯等问题.○使用多处理机的目的:一是用多台处理进行多任务处理协同求解一个大而复杂的问题来提高速度,二是依靠冗余的处理机及其重组来提高系统的可靠性,适应性和可用性.○多处理着重要解决的技术问题:（1）硬件结构上，如何解决好处理机、存储器模块及I/O子系统间的互连。
（2）如何最大限度开发系统的并行性，以实现多处理要各级的全面并行。
（3）如何选择任务和子任务的大小，即任务的粒度，使并行度高，辅助开销小。
（4）如何协调好多处理机中各并行执行任务和进程间的同步问题。
（5）如何将任务分配到多处理机上，解决好处理机调度、任务调度、任务调度和资源分配，防止死锁。
（6）一旦某个处理发生故障，如何对系统进行重新组织，而不使其瘫痪。
《计算机组成与系统结构》课件第9章
2) 多级互连网络 另一种组织与控制更为有效的交换网络是基于a×b交换 开关构造而成的。2×2交换开关是一种最常用的二元开关， 如图9.13(a)所示，它有两个输入和两个输出，从任意输入 线到达的消息都可以交换到任意的输出线上。
图 9.13 2×2的交换开关
图 9.14 Omega网络
多级互连网络设计的关键是: (1) 选择何种交换开关; (2) 交换开关之间采用何种拓扑连接; (3) 对交换开关采用何种控制方式。
图 9.3 计算机分类
9.3 阵列处理机和向量处理机
9.3.1 阵列处理机 阵列处理机属于分布式内存SIMD(DM-SIMD)系统，它
由许多在不同数据集合上执行同样指令序列、完成同样功能 的完全相同的处理器组成。阵列处理机中的处理器共享一 个控制器(所以它不是通常意义上的独立CPU)，控制器发布 指令，指令由处理器阵列中的处理器执行。因为阵列机中的 所有处理器是以步调一致的方式工作的，所以处理器之间不 需要同步，这就大大简化了这种系统的设计。
向量-寄存器处理器的基本组成如图9.5所示，它是以 Cray-1为基础的一个模型，标量部分是MIPS，向量部分是 MIPS的逻辑向量扩展，其主要模块功能如下:
(1) 向量寄存器组。 (2) 向量功能单元。 (3) 向量Load-Store部件。 (4) 标量寄存器组。
图 9.5 基本的向量-寄存器体系结构
9.4 互 连 网 络
9.4.1 基本概念 互连网络(Interconnection Network)是一种由开关元件按
照一定的拓扑结构和控制方式构成的网络，用于实现计算机 系统中部件之间、处理器之间、部件与处理器之间甚至计 算机之间的相互连接，
根据连接的设备数和设备的接近程度，可以将互连网络 分为以下四类:
计算机系统结构08SIMD计算机(并行处理机)121106
B6700 内存
B6700 CPU
48
48 BIOM 128
CDC
...
DFS
I/O 总线
256 1024
256
IOS
1024
16
实 时 装 置
1.阵列控制器 阵列控制器CU实际是一台小型计算机。 对阵列处理机单元实行控制和完成标量操作。 标量操作与各PE的数组操作可以重叠执行。 控制器的功能有以下五个方面： (1)对指令进行译码，并执行标量指令； (2)向各PE发出执行数组操作指令的控制信号； (3)产生地址,并向所有处理单元广播公共地址； (4)产生数据,并向所有处理单元广播公共数据； (5)接收和处理PE、I/O操作以及B6700产生的陷 阱中断信号。
25
3.文件存储器 (1)计算任务文件从系统管理机家载到文件 存储器，由控制处理机执行。 (2)文件存储器是在BSP直接控制下的唯一 外围设备。 (3)程序执行过程中所产生的暂存文件和输 出文件，在将它们送给系统管理机输出 给用户之前是存在文件存储器中的。 (4)文件存储器的数据传输率较高，大大地 缓解了I/O受限制问题。
14
8.3.1 lllialv并行处理机
(1)1963年，美国西屋电器公司提出“Slotnick,The SOLOMON Compuer,Simultaneous Operation linked Ordinal Modular Network”. (2)1966年美国国防远景研究规划局ARPR与伊利诺 依大学签定合同。原计划：256PE，运算速度为 1GFLOPS。 (3)Burroughs公司和伊利诺依大学于1972年共同设 计和生产，1975年实际投入运行。用了4倍的经 费，只达到1/20的速度。只实现了8*8=64个PE， 只达到50MFLOPS。 (3)llliaclv的影响非常大。它是并行处理机的典型代 表，也是分布存储器并行处理机的典型代表。 15
自考《计算机系统结构》第9章精讲
第九章并⾏处理技术 本章讲述的重点内容就是阵列处理机和多处理机，对阵列机的基本结构、主要特点、以及阵列机的互连络和并⾏存储器的⽆冲突访问等内容要加强理解。
本章应掌握的概念有：阵列处理机、络拓扑结构、单级⽴⽅体络、多级⽴⽅体等。
⼀、并⾏处理技术（识记）： 并⾏性主要是指同时性或并发性，并⾏处理是指对⼀种相对于串⾏处理的处理⽅式，它着重开发计算过程中存在的并发事件。
并⾏性通常划分为作业级、任务级、例⾏程序或⼦程序级、循环和迭代级以及语句和指令级。
作业级的层次⾼，并⾏处理粒度粗。
粗粒度开并⾏性开发主要采⽤MIMD⽅式，⽽细粒度并⾏性开发则主要采⽤SIMD⽅式。
开发计算机并⾏性的⽅法主要有：资源重复、时间重叠和资源共享三种⽅法。
⼆、SIMD并⾏计算机（阵列处理机） 阵列机也称并⾏处理机。
它将⼤量重复设置的处理单元按⼀定⽅式互连成阵列，在单⼀控制部件CU（Contrul Unit）控制下对各⾃所分配的不同数据并⾏执⾏同⼀指令规定的操作，是操作并⾏的SIMD计算机。
它采⽤资源重复的措施开发并⾏性。
是以SIMD（单指令流多数据流）⽅式⼯作的。
1、阵列机的基本结构（识记） 阵列机通常由⼀个控制器CU、N个处理器单元PE（Processing Element）、M个存储模块以及⼀个互连络部件（IN）组成。
根据其中存储器模块的分布⽅式，阵列机可分为两种基本结构：分布式存储器的阵列机和共享存储器的阵列机（理解⼆者不同之处）。
阵列机的主要特点： 它采⽤资源重复的⽅法引⼊空间因素，这与利⽤时间重叠的流⽔线处理机是不⼀样的。
它是利⽤并⾏性中的同时性⽽不是并发性，所有的处理单元必须同时进⾏相同操作（资源重复同时性）（我们想象⼀下亚运会的开幕式⼤型团体操表演，每个⼈就是⼀个PE，他们听从⼀个总指挥的指令，同时进⾏⾃⼰的操作，很快地就能"计算"出⼀个结果（队形）来。
） 它是以某类算法为背景的专⽤计算机，基本上是专⽤于向量处理的计算机（某类算法专⽤机）。
02325计算机系统结构复习题(含参考答案)
A．出现瓶颈B．可获得高的吞吐率和效率
C．可靠性提高D．流水线的效率和吞吐率恶化
4．相对较好的处理浮点数尾数的下溢的方法是（D）
A．舍入法B．恒置1法
C．截断法D．查表舍入法
5．以下属于操作级并行SIMD计算机的是（A）
A．阵列处理机B．多处理机
17．计算机系统的层次结构由高到低分别为（A）
A．高级语言机器级，汇编语言机器级，传统机器语言机器级，微程序机器级
B．高级语言机器级，应用语言机器级，汇编语言机器级，微程序机器级
C．应用语言机器级，传统机器语言机器级，汇编语言机器级，操作系统机器级
D．应用语言机器级，操作系统机器级，微程序机器级，传统机器语言机器级
三、填空题
1．引起中断的各种事件称为__中断源___，中断源向中断系统发出请求中断的申请，称为___中断请求_____。
2．____逻辑地址____是程序员编程用的地址，___主存物理___是程序在主存中的实际地址。
3．输入输出系统包括输入输出设备、设备___控制器___及与输入输出操作有关的__硬、软__件。
5．多功能流水线指的是同一流水线的各个阶段之间可以有多种不同的_____连接方式____以实现多种不同的___运算和功能________。
6．集中式总线控制根据优先次序的不同可以有____串行连接_____、定时查询和___独立访问____三种不同方式。
7．页式虚拟存储器中，影响命中率的主要因素有页面大小__访问页地址流、替换算法_____和分配给该程序的__实页数_____。
B．功能固定的流水线
C．各段之间的连接是固定不变
D．某一时间内可执行多种功能
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。
计算机系统结构的组成
计算机系统结构的组成
计算机系统结构通常包括以下几个主要组成部分：
1. 处理器：处理器是计算机的核心部分，负责执行程序中的指令。
它从内存中获取指令并执行，然后处理数据，并将结果存储回内存中。
处理器的能力决定了计算机的速度和性能。
2. 内存：内存是计算机的临时存储设备，用于存储正在处理的程序和数据。
内存分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
RAM可以随时读写，而ROM只能读取不能写入。
3. 输入/输出设备：输入/输出设备是计算机与外部世界交互的工具。
常见的输入设备包括键盘、鼠标、触摸屏等，常见的输出设备包括显示器、打印机、音响等。
4. 存储器：存储器是计算机的永久性存储设备，用于长期存储数据和程序。
常见的存储器包括硬盘、闪存盘、光盘等。
5. 总线：总线是计算机中各个部分之间传输数据的通道。
总线带宽决定了数据传输的速度，总线类型决定了计算机各个部分之间的连接方式。
6. 操作系统：操作系统是计算机的管理和控制软件，
负责管理计算机的资源，控制程序的执行，并提供用户界面。
操作系统是计算机的重要组成部分，它使得计算机更易于使用和管理。
7. 应用软件：应用软件是为特定目的而编写的程序，例如办公软件、图像处理软件等。
应用软件使计算机具有各种功能和用途。
以上这些部分共同构成了计算机系统结构的主要组成部分。
在实际应用中，根据不同的需求和用途，还可以对计算机系统结构进行更详细或更概括的分类。
第7章-计算机系统结构(第五版)李学干
第7章 多处理机
图 7-4 通过消息传送系统连接的松耦合多处理机结构
第7章 多处理机
卡内基-梅隆大学设计的松耦合多处理机Cm*是层次型总 线式多处理机，其结构如图7 - 5所示。
第7章 多处理机
图 7-5 Cm*多处理机结构
第7章 多处理机
2. 多处理机机间互连的形式是决定多处理机性能的一个重 要因素。 1) 多个处理机、存储器模块和外围设备通过接口与公用总 线相连，采用分时或多路转接技术传送。
第7章 多处理机
图7 - 10给出了一个42×32的Delta网络，这种互连网络比 较适用于输入端数和输出端数不等或通信不规则的多处理机 中。
第7章 多处理机
图 7-10 42×32的Delta网络(榕树形互连网络的特例)
第7章 多处理机
4) 如果每个存储器模块都有多个访问端口，将分布在交叉 开关矩阵中的控制、转移和优先级仲裁逻辑分别移到相应存 储器模块的接口中，就构成了多端口存储器形式的结构。图 7- 11是一个四端口存储器形式的结构。
第7章 多处理机
图 7-25 嵌套并行进程的优先执行过程
第7章 多处理机
7.3.4
使用多处理机的主要目的是用多个处理机并发执行多 个任务来提高解题速度。
第7章 多处理机
7.4 多处理机的操作系统
7.4.1
在主从型操作系统中，管理程序只在一个指定的处理机 (主处理机)上运行。
1. 优点 2. 缺点 3. 适用场合
图 7-21 计算Z=E+A*B*C/D+F的并行程序数据相关图
第7章 多处理机
这条语句又派生出S4，分配给空闲的处理机1，而处理机 2接着执行S3。同样，等S4和S3都先后结束后，才满足JOIN语 句的汇合条件，经GOTO 50进入S5。
计算机系统结构自考笔记
计算机系统结构自考笔记一、计算机系统结构概述。
1. 计算机系统的层次结构。
- 从底层到高层：硬件、操作系统、系统软件、应用软件。
- 各层次的功能及相互关系。
例如，硬件为软件提供运行平台，软件控制硬件资源的使用等。
2. 计算机系统结构的定义。
- 经典定义：程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。
- 包括指令系统、数据类型、寻址技术、I/O机制等方面的属性。
3. 计算机系统结构的分类。
- 按指令流和数据流的多倍性分类。
- 单指令流单数据流（SISD）：传统的单处理器计算机。
- 单指令流多数据流（SIMD）：如阵列处理机，适合进行数据并行处理。
- 多指令流单数据流（MISD）：较少见的结构。
- 多指令流多数据流（MIMD）：多处理器系统，如对称多处理机（SMP）。
- 按存储程序原理分类。
- 冯·诺依曼结构：程序和数据存储在同一存储器中，按地址访问。
- 哈佛结构：程序存储器和数据存储器分开，有各自独立的地址空间。
二、数据表示与指令系统。
1. 数据表示。
- 数据类型。
- 数值型数据（整数、浮点数）：不同的表示格式，如定点数的原码、反码、补码表示；浮点数的IEEE 754标准表示。
- 非数值型数据（字符、字符串、逻辑数据等）。
- 数据的存储方式。
- 大端存储与小端存储：大端存储是高位字节存于低地址，小端存储是低位字节存于低地址。
2. 指令系统。
- 指令格式。
- 操作码：表示指令的操作类型，如加法、减法等操作。
- 地址码：指出操作数的地址或操作数本身。
有零地址、一地址、二地址、三地址等指令格式，每种格式的特点及适用场景。
- 指令类型。
- 数据传送指令：在寄存器、存储器等之间传送数据。
- 算术运算指令：加、减、乘、除等运算。
- 逻辑运算指令：与、或、非等逻辑操作。
- 控制转移指令：如无条件转移、条件转移、子程序调用与返回等，用于改变程序的执行顺序。
三、存储系统。
1. 存储器层次结构。
- 高速缓冲存储器（Cache） - 主存储器 - 辅助存储器的层次结构。
(完整word版)计算机系统结构
完成以下带队号的题√. 各章所占试题的比例第一章 30％第二章 10% 第三章 30%第五章10％第六章10% 第七章10％所用教材计算机系统结构张晨曦第一章计算机体系结构的基本概念√1. 解释下列术语：层次结构翻译解释体系结构透明性系列机软件兼容兼容机计算机组成计算机实现并行性时间重迭资源重复资源共享同构型多处理机异构型多处理机紧密耦合响应时间测试程序大概率事件优先系统加速比Amdahl 定律程序的局部性原理CPI√2。
传统的存储程序计算机的主要特征是什么?存在的主要问题是什么?我们目前的计算机系统是如何改进的？√3。
假设在某程序的执行过程中，浮点操作时间占整个执行时间的10% ，现希望对浮点操作加速. （1）设对浮点操作的加速比为Sf。
画出程序总加速比Sp和Sf之间的关系曲线;（2)请问程序的最大加速比可达多少?√4。
计算机系统中有三个部件可以改进方法，这三个部件的部件加速比如下：部件加速比1 = 30部件加速比2 = 20部件加速比3 = 10（1）如果部件1和部件2的可改进比例均为30％,那么当部件3的可改进比例为多少时，系统加速比才可以达到10?（2）如果三个部件的可改进比例分别为30%、30％和20%，三个部件同时改进，那么系统中不可加速部分的执行时间在总执行时间中占的比例是多少?(3）如果相对某个测试程序三个部件的可改进比例分别为20％、20%和70％，要达到最好改进效果，仅对一个部件改进时,要选择那个部件?如果允许改进两个部件，又如何选择？第二章计算机指令集结构设计1. 解释下列术语堆栈型机器累加器型机器通用寄存器型机器有效地址√CISC√RISC指令集结构的正交特性2。
堆栈型机器、累加器型机器和通用寄存器型机器各自有什么优缺点？3。
常见的三种类型的通用寄存器型机器的优缺点有哪些？4. 指令集结构设计所涉及的内容有哪些？√ 5. 简述CISC指令集结构功能设计的主要目标。
从当前的计算机技术观点来看，CISC 指令集结构的计算机有什么缺点?√6。
计算机系统结构课件：第五章 并行处理技术
并行处理技术发展
时间重叠
先行控制 高速缓存
指令操作 宏流水线
异构型多处理机系 统
高级语言数据库处 理机
松散耦合系统、专用外 围处理机
功能专用化
计算机系统结构
Computer Architecture
第五章 并行处理机和多处理机
并行处理中需研究的课题：
（1）在处理机数目很多的情况下，要把任何一个问题分成足够多的并行 过程（即任务分配）非常困难，并且也不是所有问题都能做到这一点。
第五章 并行处理机和多处理机
时延（TC ）——机器各子系统间通信开销的时间量度。如：存贮时延 是处理机访问存贮器所需时间；同步时延是两台处理机互相同步所需的 时间。
通信时延问题：计算机中不同的时延是由机器内部系统结构，实现技术和 通信方式决定。系统结构和实现技术将会影响子系统间容许时延的选择。 可以用平衡粒度和时延的办法来求得较好的计算机系统性能。
分布存贮器阵列处理机结构
CU CUM
SC
I/O
D
接口
PEM0 PEM1
PE0
PE1
ICN
PEMN-1 PEN-1
计算机系统结构
Computer Architecture
第五章 并行处理机和多处理机
ILLIAC-IV 结构 （分布存贮器并行处理机结构）
•处理单元阵列
由64个结构完全相同的处理单元PEi 构成，每个处理单元PEi字长 64位，PEMi为隶属于PEi的局部存储器，每个存储器有2K字，全部 PEi由CU统一管理，PEi都有一根方式位线，用来向CU传送每个PEi 的方式寄存器D中的方式位，使CU能了解各PEi的状态是否活动，作 为控制它们工作的依据。
计算机系统结构 总复习
∑ 而且设置有足够地缓冲寄存器，若以最快的方式用该流水计算： AiBi i =1
① 画出时空图；（9 分） ② 计算实际的吞吐率、加速比和效率。（6 分） 15. 静态多功能流水线由 6 个功能段组成，如图 E_3 所示。其中，s1、s4、s5、s6 组
成乘法流水线，s1、s2、s3、s6 组成加法流水线，各个功能段时间均为△t，假设 该流水线的输出结果可以直接返回输入端，而且设置有足够地缓冲寄存器，若以 最快的方式用该流水计算：∏（Ai＋Bi）（其中 i＝1..4，∏为连乘符号） ① 画出时空图；（9 分） ② 计算实际的吞吐率、加速比和效率。（6 分） 16. （20 分）设指令流水线由取指令、分析指令和执行指令 3 个部件构成，每个部件 经过的时间为△t，连续流入 12 条指令。分别画出标量流水处理机以及 ILP 均为 4 的超标量处理机、超长指令字处理机、超流水处理机的时空图，并分别计算它们 相对于标量流水处理机的加速比。 17. （15 分）给定以下的假设，试计算直接映象 Cache 和两路组相联 Cache 的平均访 问时间以及 CPU 时间。 ① 理想 Cache（命中率为 100%）情况下的 CPI 为 2.0，时钟周期为 2ns，平均每条指 令访存 1.2 次。 ② 两种 Cache 容量均为 64KB，块大小都是 32 字节。 ③ 组相联 Cache 中的多路选择器使 CPU 的时钟周期增加了 10%。 ④ 这两种 Cache 的失效开销都是 80 ns。 ⑤ 命中时间为 1 个时钟周期。 ⑥ 64 KB 直接映象 Cache 的失效率为 1.4%，64 KB 两路组相联 Cache 的失效率为 1.0%。
① 画出处理过程的时空图。（9 分） ② 计算其吞吐率、加速比和效率。（6 分） 12. 有一条动态多功能流水线由 5 段组成（如图 E_2 所示），加法用 1、3、4、5 段，
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并行性在很大程度上依赖于R/C比值 其中：R: 程序执行时间，C: 通信开销 R/C小，并行度低。R/C大，并行性高。 把作业分解成较大的块，能得到较大的R/C， 但所得到的并行性小 R/C是衡量任务粒度(Granularity)的尺度 粗粒度(Coarsegrain)并行：R/C大，通信开销小 细粒度(Finegrain)并行：R/C小，通信开销大 细粒度并行性是程序尽可能地分解成小任务， 在极端情况下，一个小任务只完成一个操作
紧密偶合方式要求有很高通信频带。 可以采用如下措施： (1)采用高速互连网络 (2)增加存储模块个数，一般nm，取1～2倍 之间。 (3)每个存储模块再分成多个小模块，并采用 流水线方式工作。 (4)每个CPU都有自己的局部存储器LM。 (5)每个CPU设置一个Cache。
CPU0 MAP
CPU1 MAP …
第9章 多处理机
9.1 多处理机结构
9.2 多处理机性能模型 9.3 多处理机的Cache一致性 9.4 大规模并行处理机 9.5 对称多处理机 9.6 机群系统
多处理机定义： 两个或两个以上处理机(包括PU和CU)，通 过高速互连网络连接起来，在统一的操作 系统管理下，实现指令以上级（任务级、 作业级）并行。 按照Flynn分类法，多处理机系统属于MIMD 计算机 研究多处理机的目的：提前10年得到性能高 100倍的高性能计算机系统。
9.1.2 松散偶合多处理机
处理机之间的连接频带比较低 处理机之间互为外围设备进行连接。 通过并行口或串行口把多台计算机连接起来。 多台计算机之间的连接需要有多个接口。 通过Ethernet网络接口连接多台计算机。 速度达10Mb、100Mb、1Gb，Mynet已经达到1.28Gb 和2.56Gb。 当通信速度要求更高时，可以通过一个通道和仲裁开 关CAS (Channel and Arbiter Switch)直接载存储器总 线之间建立连接。
9.2 多处理机性能模型
引起峰值性能下降的原因： (1)由于处理机之间通信而产生的延迟。 (2)一台处理机与其它处理机同步所需的开销。 (3)当没有足够多任务时，一台或多台处理机处 于空闲状态。
(4)由于一台或多台处理机执行无用的工作。
(5)系统控制和操作调度所需的开销。
研究多处理机的目的：
单处理机的速度提高很快， 为什么还要研究多处理机？
阵列处理机把同种操作集中，由指令直接启动各 PE同时工作。 多处理机用专门的指令来表示并发关系，一个任 务执行时能够派生出与它并行的另一些任务 如果没有空闲处理机，任务进入排队器等待
4. 进程同步
阵列处理机仅一个CU，自然是同步的。 多处理机中，各处理机执行不同的指令，工作进 度不会也不必保持相同。先做完的要停下等待。 有数据相关和控制相关也要停下等待。
• 按照PE与IOP之间互连方式： 对称型：每个IOP能够连接到所有PE上 非对称型：每个IOP只与一个PE连接。 冗余对称型：一个PE与多个IOP连接。 • 按照存储器的访问方式： 均均存储器，UMA模型 非均均存储器，NUMA模型 只有Cache，COMA模型 • 另外，多向量处理机，机群系统等也称为多处 理机系统。
处理机之间共享主存储器，通过高速总线或高 速开关连接。 每个CPU能够访问任意一个存储器模块 通过映象部件把全局逻辑地址变换成局部物理 地址 通过互连网络寻找合适的路径，并分解访问存 储器的冲突 多个输入输出处理机IOP也连接在互连网络上， 输入输出设备与CPU共享主存储器。 处理机个数不能太多，一般几个到几十个。
CPU-MM 互连网络 MM0，0 MM0，n-1 MM1，0 MM1，n-1 … MMm-1，0 … MMm-1，n-1
带有二维共享存储器和局部 Cache 及存储器的多处理机
9.1.4 多处理机系统的特点
1. 结构灵活
阵列处理机：专用，PE数多，固定有限通信 多处理机： 通用，PE数少，高速灵活通信
9.1 多处理机结构 9.1.1 多处理机分类 9.1.2 松散偶合多处理机 9.1.3 紧密偶合多处理机 9.1.4 多处理机系统的特点
9.1.1 多处理机分类
多处理机系统由多个独立的处理机组成，每个 处理机都能够独立执行自己的程序。 按照处理机之间的连接程度：紧密偶合和松散 偶合多处理机 按照是否共享主存储器：共享存储器和分布存 储器多处理机 按照处理机类型：同构型和异构型多处理机 按照处理机的个数：大规模并行处理机MPP和 对称多处理机SMP
CPUn-1 MAP IOP0
CPU-MM-IOP 互连网络
IOP1
IOPd-1 MM0 MM1 … MMm-1
紧密偶合多处理机模型
IOP0
IOP1
…
IOPd-1
CPU-IOP 互连网络 …
CPU0 MAP Cache LM
CPU1 MAP Cache
CPUp -1 MAP Cache LM
LM
2. 程序并行性
阵列处理机的并行性存在于指令内部，识别 比较容易。多处理机的并行性存在于指令外 部，在多个任务之间，识别难度较大。 一个简单的例子： Y = A+B*C*D/E+F，用两个处理机计算： CPU1：B*C， A+F， A+B*C*D/E+F CPU2：D/E， B*C*D/E，
3. 并行任务派生
要采取同步措施来保持程序要求的正确顺序
5. 资源分配和进程调度
阵列处理机的PE是固定的，用屏蔽来改变实际 参加操作的PE数目。 多处理机执行并发任务，需用处理机的数目不 固定，各处理机进出任务的时刻不相同，所 需共享资源的品种、数量随时变化。 资源分配和进程调度问题，对整个系统的效率 有很大的影响。
CPU0 LM0 IOP0
CPU1 LM1 IOP1 互连网络
…
CPUn-1 LMn-1 IOPn-1
通过输入输出接口连接的多处理机
CPU0
LM0
IOP0 …CPUn-1 NhomakorabeaLMn-1
IOPn-1
CAS
模块 0
CAS
模块 n-1
互连网络 通过消息传送系统连接的松散偶合多处理机
9.1.3 紧密偶合多处理机