多处理机____分布式共享存储器体系结构
完整版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)第2章指令集结构的分类 (6)第3章流水线技术 (8)第4章指令级并行 (21)第5章存储层次 (31)第6章输入输出系统 (38)第7章互连网络 (41)第8章多处理机 (45)第9章机群 (45)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。
2022年东北师范大学计算机科学与技术专业《计算机系统结构》科目期末试卷A(有答案)
2022年东北师范大学计算机科学与技术专业《计算机系统结构》科目期末试卷A（有答案）一、选择题1、下列关于虚拟存贮器的说法，比较正确的应当是( )A.访主存命中率随页面大小增大而提高B.访主存命中率随主存容量增加而提高C.更换替换算法能提高命中率D.在主存命中率低时，改用堆栈型替换算法，并增大主存容量，可提高命中率2、浮点数尾数基值rm=8，尾数数值部分长6位，可表示的规格化最小正尾数为( )A.0.5B.0.25C.0.125D.1/643、"一次重叠"中消除"指令相关"最好的方法是( )。
A.不准修改指令B.设相关专用通路C.推后分析下条指令D.推后执行下条指令4、“启动I/O”指令是主要的输入输出指令，是属于（）。
A.目态指令B.管态指令C.目态、管态都能用的指令D.编译程序只能用的指令5、对机器语言程序员透明的是（）A.中断字B.主存地址寄存器C.通用寄存器D.条件码6、除了分布处理、MPP和机群系统外，并行处理计算机按其基本结构特征可分为流水线计算机，阵列处理机，多处理机和（）四种不同的结构。
A.计算机网络B.控制流计算机C.机群系统D.数据流计算机7、计算机系统结构不包括( )。
A.主存速度B.机器工作状态C.信息保护D.数据8、在多用户机器上，应用程序员不能使用的指令是（）A.“执行”指令B.“访管”指令C.“启动IO”指令D“测试与置定”指令9、Cache存贮器常用的地址映象方式是( )。
A.全相联映象B.页表法映象C.组相联映象D.段页表映象10、从计算机系统结构上讲，机器语言程序员所看到的机器属性是（）A.计算机软件所要完成的功能B.计算机硬件的全部组成C.编程要用到的硬件组织D.计算机各部件的硬件实现。
11、传统机器语言机器级，是用（）来（）机器指令。
A.硬件，翻译B.编译程序，翻译C.微指令程序，解释D.微指令程序，翻译12、IBM360/91对指令中断的处理方法是（）A.不精确断点法B.精确断点法C.指令复执法D.对流水线重新调度13、输入输出系统硬件的功能对（）是透明的。
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。
第6章分布式共享存储-PPT文档资料
5
DSM的很多研究工作都受到了多处理机结构 发展的启发! 首先比较几种共享存储器（内存）的多处理机
6
芯片存储器
CPU与存储器连接模型
单片机 理想的共享存储器多处理机
7
Pentium D with 975X Chipset
Core 0 L2 Cache (for Core 0) Core 1 L2 Cache (for Core 1)
16
基于环的多处理机
没有集中式全局存储器 耦合得较松一些
CPU CPU CPU CPU
CPU (a)
CPU
有效位 互斥位 属主位 MMU 缓存 属主存 储器 中断位
块
定位位
CPU 私有存储器 (b)
0 1 2 3 4 ≈ (c) ≈
17
(a)Memnet环 (b)单一主机 (c)块表
交换式多处理机
8
6 USB 2.0 High-Definition Audio 6 PCI Express x1 Intel Pro 1000 LAN
基于总线的多处理机
1. 2.
多处理器结构 带缓存的多处理器结构 总线仲裁机制：集中式和非集中式
CPU 总线 (a)
CPU
CPU
CPU 缓存
CPU
CPU
缓存
缓存
11
缓存拥有权（ownership）协议
多个CPU可有读拥有权 只有一个CPU有写拥有权 当一个CPU写一个数据 – 取得对该数据的拥有权 – 其它CPU将该数据的缓存块置为“invalid” – 在本地缓存块中，写数据，并置为“dirty” – 适当时候，刷新存储区，或提供给其它CPU
年国家开放大学电大《操作系统》复习题2022
年国家开放大学电大《操作系统》复习题2022《操作系统网考期末复习题>>一、选择题（选择一个正确答案的代码填入括号中）1．A-按照所起的作用和需要的运行环境，操作系统属于()。
B．系统软件2.C-操作系统是通过()来对文件进行编排、增删、维护和检索。
A．按名存取3.C-存放在磁盘上的文件()。
A.既可随机访问，又可顺序访问4.C-采用SPOOLing技术的目的是()。
B．提高独占设备的利用率5．CPU的处理速度远远高于打印机的打印速度，为了解决这一矛盾，可采用()A.缓冲技术6．C-操作系统中利用信号量和P、V操作，()。
C．可实现进程的互斥和同步7.F-分布式操作系统与网络操作系统本质上的不同在于()。
D．系统中若干台计算机相互协作完成同一任务8．J-进程控制块是描述进程状态和特性的数据结构，一个进程()。
D．只能有唯一的进程控制块9．J-进程状态从就绪态到运行态的转化工作是由()。
D．程序是静态概念，进程是动态概念11．M-某进程由于需要从磁盘上读人数据而处于阻塞状态。
当系统完成了所需的读盘操作后，此时该进程的状态将()。
D．从阻塞变为就绪12.Q-嵌入式操作系统的最大特点是()。
C．可定制性13．R-如果信号量S的值是O，此时进程A执行P(S)操作，那么，进程A会()。
C．进入阻塞态，让出CPU14.S-数据库文件的逻辑结构形式是()。
B．记录式文件15.S-设备的打开、关闭、读、写等操作是由()完成的。
C．设备驱动程序16.S-设备独立性是指()。
C．用户程序使用的设备与实际使用哪台设备无关的一种特性17．S-实时操作系统追求的目标是()。
C．快速响应18.SPOOLing技术可以实现设备的()分配。
C．虚拟19．UNIX系统中进程调度算法采用()。
D．多级反馈队列法20．W-为用户分配主存空间，保护主存中的程序和数据不被破坏，提高主存空间的利用率。
这属于操作系统的( )功能。
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。
多处理机系统
量减少并行程序的执行时间。
2. 多处理机调度方式
确定性调度：在调度之前必须知道所有有关信息，例如每个任务的执行时间 和任务间的依赖关系，以便合理地把任务分派到处理机。 不确定性调度：根据任务运行的动态行为，将任务分配到特定的处理机上。
3. 调度性能评价
评价多处理机调度性能的参数有： 任务流时间 ：完成任务所需要的时间
2.独立监督式
独立监督式中，每一个处理机均有各自的管理程序(核心)。
3.浮动监督式
每次只有一台处理机作为执行全面管理功能的“主处理机”，但根 据需要，“主处理机”是可浮动的，即从一台切换到另一台处理机。
多处理机系统控制
多处理机调度
1.什么是多处理机调度
将作业或任务分配给指定的处理机，并要求在指定的时间内完成。调度算 法的一般目标是：使用最少的处理机、在最短的时间内完成并行程序的执 行任务。在处理机器数目固定时，要改进处理机分配和进程调度算法，尽
I／O操作
Cache中的内容可能与由I／O子系统输入输出形成的存储 器对应部分的内容不同。
共享数据
不同处理器的Cache都保存有对应存储器单元的内容。
存储器的一致性
如果对某个数据项的任何读操作均可得到其最新写入的值，
则认为这个存储系统是一致的 需满足以下条件 ① 处理器P对X进行一次写之后又对X进行读，读和写之间没有
存储器
I/O 系统
多个处理器共享一个存储器 当处理器规模较小时，这种机器十分经济 支持对共享数据和私有数据的cache缓存 私有数据供一个单独的处理器使用，而共享数据供多个处 理器使用
共享数据进入cache ，产生一个新的问题
Cache一致性问题！
多处理机cache的一致性
并行计算机系统结构
并⾏计算机系统结构
并⾏计算机系统结构
1. 并⾏计算机结构模型
1. 单指令流多数据流机SIMD(Single Instruction Multiple Data)；
2. 并⾏向量计算机PVP(Parallel Vector Processor)；
3. 对称多处理机SMP(Symmetric MultiProcessor)；
4. ⼤规模并⾏处理机MPP(Massively Parallel Processor)；
5. 分布式共享存储DSM(Distributed Shared Memory)
6. 多处理机和⼯作站机群COW(Cluster Of Workstation)（现在常称之为机群）。
1. 并⾏计算机访存模型
1. UMA（Uniform Memory Access）模型是均匀存储访问模型的简称。
2. NUMA(Nonuniform Memory Access)模型是⾮均匀存储访问模型的简称。
3. COMA(Cache-Only Memory Access)模型是全⾼速缓存存储访问的简称。
4. CC-NUMA（Coherent-Cache Nonuniform Memory Access）模型是⾼速缓存⼀致性⾮均匀存储访问模型的简称。
5. NORMA（No-Remote Memory Access）模型是⾮远程存储访问模型的简称。
2335自考《网络操作系统》最完整的学习笔记详解
第一章网络操作系统引论1. ①操作系统的定义：操作系统是控制和管理计算机系统的硬件和软件资源、合理地组织工作流程以及方便用户的程序集合。
②现代操作系统的基本特征：1、并发性2、共享性3、虚拟性4、不确定性2.操作系统在计算机系统中处于何种地位：是硬件层的第一次扩充，是计算机系统软件的重要组成部分。
计算机系统的层次结构：硬件层—操作系统层—语言处理程序层—应用程序层。
操作系统的作用：提高计算机系统的效率，增强系统的处理能力，充分发挥系统资源的利用率，方便用户使用。
3.多道程序设计的硬件基础：①中断系统②通道技术③CPU与通道的通信4.①多道程序设计的基本原理：多道程序设计的主要目的是充分利用系统中所有资源且尽可能地让它们并行操作。
采用通道技术后使CPU从繁琐的I/O操作中解放出来，它不仅能实现CPU与通道并行工作，而且也能实现通道与通道之间、各通道与外设之间的并行。
②多道程序设计的主要特点：①多道②宏观上并行③微观上串行。
5.实现多道程序设计要解决的几个问题：①存储保护和地址重定位。
（几道程序共享同一主存）②处理机的管理和调度。
（共享同一处理机）③资源的管理与分配。
（共享系统资源）6. 虚拟处理机：逻辑上的处理机称为虚拟处理机。
虚拟计算机：在一台计算机上配置操作系统后，比原来的计算机的功能增强了。
这种是概念上的、逻辑上的计算机，而不是真正的物理计算机，这样的计算机称为虚拟计算机。
7.处理机的运行现场：就是指处理机在执行程序过程中任一时刻的状态信息的集合。
处理机运行现场包括的内容：①指令计数器（程序计数器）②程序状态寄存器③通用寄存器④特殊控制寄存器。
处理机的运行状态有两种：核心态（00）和用户态（11）。
程序分为系统程序和用户程序。
程序状态分为三种：①就绪②运行③阻塞。
程序状态的作用：程序状态可以互相转换，便于处理机按照某种规则进行调度。
8. 访管指令、特权指令、系统调用之间的区别和联系：9.①系统调用：用户在程序中能用访管指令调用的，由操作系统提供的子功能集合，其中每一个子功能称为一个系统调用命令。
体系结构试题及答案
一．名词解释计算机系统结构：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。
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。
同构型多处理机系统：由多个同类型或至少担负同等功能的处理机组成，它们同时处理同一作业中能并行执行的多个任务。
堆栈型机器：CPU 中存储操作数的单元是堆栈的机器。
累加器型机器：CPU 中存储操作数的单元是累加器的机器。
通用寄存器型机器：CPU 中存储操作数的单元是通用寄存器的机器。
数据相关：考虑两条指令i和j，i在j的前面，如果下述条件之一成立，则称指令j与指令i数据相关：（1）指令j使用指令i产生的结果；（2）指令j与指令k数据相关，而指令k又与指令i数据相关。
定向：用来解决写后读冲突的。
在发生写后读相关的情况下，在计算结果尚未出来之前，后面等待使用该结果的指令并不见得是马上就要用该结果。
如果能够将该计算结果从其产生的地方直接送到其它指令需要它的地方，那么就可以避免停顿。
向量处理机：指令级并行：简称ILP。
是指指令之间存在的一种并行性，利用它，计算机可以并行执行两条或两条以上的指令。
指令的动态调度：是指在保持数据流和异常行为的情况下，通过硬件对指令执行顺序进行重新安排，以提高流水线的利用率且减少停顿现象。
是由硬件在程序实际运行时实施的。
指令的静态调度：是指依靠编译器对代码进行静态调度，以减少相关和冲突。
它不是在程序执行的过程中、而是在编译期间进行代码调度和优化的。
失效率：CPU访存时，在一级存储器中找不到所需信息的概率。
失效开销：CPU向二级存储器发出访问请求到把这个数据调入一级存储器所需的时间。
强制性失效：当第一次访问一个块时，该块不在Cache中，需要从下一级存储器中调入Cache，这就是强制性失效。
容量失效：如果程序在执行时，所需要的块不能全部调入Cache中，则当某些块被替换后又重新被访问，就会产生失效，这种失效就称作容量失效。
体系结构试题及答案
一．名词解释2:1Cache经验规则：大小为N的直接印象Cache的失效率约等于大小为N/2的两路组相联Cache的失效率。
通道处理机：通道的专用处理机，来专门负责整个计算机体系的输入/输出工作。
通道处理机只能执行有限的一组输入/输出指令。
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。
向量处理机：设置了向量数据表示和相应的向量指令的流水线处理机称为向量处理机。
虚拟Cache：直接用虚拟地址进行访问的Cache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。
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。
同构型多处理机系统：由多个同类型或至少担负同等功能的处理机组成，它们同时处理同一作业中能并行执行的多个任务。
堆栈型机器：CPU 中存储操作数的单元是堆栈的机器。
累加器型机器：CPU 中存储操作数的单元是累加器的机器。
通用寄存器型机器：CPU 中存储操作数的单元是通用寄存器的机器。
数据相关：考虑两条指令i和j，i在j的前面，如果下述条件之一成立，则称指令j与指令i数据相关：（1）指令j使用指令i产生的结果；（2）指令j与指令k数据相关，而指令k又与指令i数据相关。
定向：用来解决写后读冲突的。
在发生写后读相关的情况下，在计算结果尚未出来之前，后面等待使用该结果的指令并不见得是马上就要用该结果。
如果能够将该计算结果从其产生的地方直接送到其它指令需要它的地方，那么就可以避免停顿。
指令级并行：简称ILP。
是指指令之间存在的一种并行性，利用它，计算机可以并行执行两条或两条以上的指令。
指令的动态调度：是指在保持数据流和异常行为的情况下，通过硬件对指令执行顺序进行重新安排，以提高流水线的利用率且减少停顿现象。
是由硬件在程序实际运行时实施的。
指令的静态调度：是指依靠编译器对代码进行静态调度，以减少相关和冲突。
计算机体系结构第七章 多处理机
一、多处理机的特点
1、多处理机的定义 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。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。 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。
K1
若采用平均分配策略：
RETCT2(11) N 2N N
五、多处理机操作系统
主从型(Master-slave Supervisor) 各自独立型(Separate Supervisor) 浮动型(Floating Supervisor)
主从型
管理程序只在主处理机运行 硬件结构管理控制简单，对主处理机要
求高 适用于工作负荷固定，从处理机能力明
显低的紧耦合、异构型、非对称多处理 机系统 实现简单，经济方便，但不够灵活。
各自独立型
每个处理机有独立的管理程序在运行 管理程序可再入，可靠性高，系统表格
少，系统效率高，实现复杂，访存冲突 解决和负载较困难 适合于松耦合多处理机
浮动型
管理程序在多个处理机间浮动 管理程序可再入，实现复杂，负载平衡
当机数由N台增加到N+1台时，总运行 时间的减少量为：
E(T 1 1 )C ETC N N1 N(N1)
令其>=0，有 N ET
临界值
C
3、额外开销与计算工作重叠
假定额外工作被计算工作完全覆盖，则 总运行时间为：
Rma E*x m {IaK)xC 2 ,(K N 1IK(TIK)}
平均分配
RETCT2 CT2 N 2 2N
简单起见，设T是N的整数倍
《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
计算机系统结构术语解释和简答题
一．名词解释1）虚拟机：指通过软件模拟具有完整硬件系统功能的，运行在一个完全隔离环境中的完整计算机系统2）系统加速比：同一个任务在系统改进前花费总时间和在系统改进后花费总时间的比率3）Amdahl定律：计算计算机系统中某个部件改进后能获得多少总性能提高的定律15）顺序流水线：输入端任务流入的顺序和输出端任务流出的顺序相同的流水线16）乱序流水线：输入端任务流入的顺序和输出端任务流出的顺序不同的流水线17）流水线吞吐率：单位时间内流水线完成任务的数量18）流水线加速比：完成同样一批任务，使用流水线花费的时间和不使用流水线花费的时间之比19）流水线的效率：流水线中设备的实际使用时间和整个运行时间的比值20）数据相关：此次运算需要前一次运算的结果作为数据21）名相关：两个操作使用了相同的寄存器或者存储器22）控制相关：根据分支指令的执行结果确定后面程序的运行23）反相关：名相关的一种，指令i读的名和指令j写的名相同，简称i读j写24）结构冲突：硬件资源不足引起的冲突25）数据冲突：当指令在流水线中重叠执行时，因需要晕倒前面的指令的执行结果引起的冲突26）控制冲突：流水线遇到的分支指令或者其他会改变pc值的指令所引起的冲突27）定向技术：把计算结果从产生位置直接放到需要的位置28）多级存储层次：采用多种存储器技术的存储器结构29）命中时间：cpu访问存储系统时，找到所需数据花费的时间30）不命中率：cpu访问存储系统时，没有找到所需数据的比率31）不命中开销：cpu访问存储系统时，没有找到所需数据花费的时间32）全相连映像：主存中的任意一块对应Caceh中的任意一个位置33）直接映像：主存中的任意一块对应Caceh中的唯一一个位置34）组相连映像：主存中的任意一块对应Caceh中的一组位置35）写直达法：写入cache之后，直接写入下一级存储器36）写回法：只写入caceh中，只有该块被替换时，才写入下一级存储器37）强制性不命中：第一次访问时，Cache中没有该程序的任何数据而产生的不命中38）容量不命中：因为Cache容量限制导致某些块被替换出去之后又再次访问该块而放到不到的不命中39）冲突不命中：被替换出去的块又要访问而产生的不命中（不是因为Caceh容量）40）2：1Caceh经验规则：大小为N的直接映像Cache的失效率约等于大小为N/2的两路组相连Cache的失效率41）相连度：42）牺牲Cache：指在Cache和其下一级存储器的数据通路上的一个全相连的小Cache 43）系统响应时间：指计算机对用户的请求做出反映的时间44）可靠性：规定条件下完成预定功能的能力45）可用性：考察某个时间，系统正常运行的概率期望46）RAID：独立冗余磁盘阵列47）互连网络：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48）互连函数：表示输入端号和输出端号连接关系的函数49）网络规模：网络中结点个数50）网络直径：网络中任意两点间的最大距离51）静态互连网络：各结点间有固定连接通路且在运行中不能改变的网络52）动态互连网络：由交换开关构成可以按照程序的要求动态改变连接状态的网络53）集中式共享多处理机：多个处理器共享一个存储器的多处理机系统54）分布式共享多处理机：多个处理器共享多个存储器的多处理机系统55）多Caceh一致性：多个Cache中的同一个数据要求保持一致的特性56）写作废协议：通知其他保留该数据副本的Cache作废副本数据的协议57）写更新协议：通知其他暴力该数据副本的Cache更新该副本数据的协议二．简答题1.什么是软件兼容？软件兼容有哪几种？其中哪一种是软件兼容的根本特征？软件兼容：一个软件可以不经修改或者只经过少量修改就可以由一台计算机移植到另外一台计算机上，差别只是时间不同软件兼容的种类：向上（下）兼容：按某档计算机编制的程序，不加修改就能运行于比他高（低）挡的计算机向后（前）兼容：按某个时期投入市场的某种型号的计算机，不加修改就能运行于在他之后（前）投入市场的计算机根本特征：向后兼容2.试以系列机为例，说明计算机系统结构，计算机组成，计算机实现三者之间的关系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系统结构可以有多种组成，一种组成可以有多种实现，同一系列计算机中各型号的计算机具有相同的系统结构，但采用不同的组成和实现技术，因而就有不同的价格和性能3.计算机系统结构的设计和分析中最经常使用的三条基本原则是什么？1）大概率事件优先原则（对于大概率常见事件，赋予他优先的处理权和资源使用权，以获得全局最优结果2）Amdahl定律（加快某部件执行速度所获得的系统性能加速比，受限于该部件在系统中所占的重要性3）程序局部性原理（程序的执行时所访问的地址不是随机的，而是相对簇聚4. 根据Amdahl定律，系统的加速比由那两个因素决定？可改进比例和部件加速比5. 计算机系统中提高并行性的技术途径有哪三种？1）时间重叠：在并行性概念中引入时间因素，即多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠的使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转时间而赢得速度，比如流水线技术2）资源重复：在并行性概念中引入空间因素，以数量取胜的原则，通过重复设置硬件资源，大幅度提高计算机系统性能，比如多处理机系统3）资源共享：软件方法，使多个任务按照一定的时间顺序轮流使用同一套硬件设备，比如多道程序和分时系统6. 从当前计算机技术观点来看，CISC结构有什么缺点？1）各种指令的使用频率相差悬殊2）CISC的复杂性带来了计算机系统结构的复杂性，增加了研制的时间和成本，还容易造成设计错误3）CISC中许多指令需要复杂的操作，运行速度慢4）CISC中指令功能的不均衡性，不利于采用先进的计算机系统结构技术来提高系统性能7. RISC的设计原则是什么？1）选取使用频率最高的指令，并补充一些最有用的指令2）每条指令的功能应尽可能简单，并且在一个周期内完成3）所有指令长度均相同4）只有load指令和store指令才访问存储器，其他指令均在寄存器之间进行5）以简单有效的方式支持高级语言8.MIPS采用哪几种寻址方式？答：寄存器寻址，立即数寻址，偏移寻址9.流水线技术有哪些特点？1）流水线把一个处理过程分解为若干个子过程，每个子过程由一个专门的功能部件来实现，因此流水线实际上是把一个大的功能部件分解为多个独立的功能部件，并依靠他们的并行工作来提高效率2）流水线中各段的时间应尽可能相同，否则会引起流水线的堵塞和断流3）流水线每一个功能部件前面都有一个缓冲寄存器，称为流水寄存器4）流水线技术适合于大量重复的时序过程，只有在输入端不断的提供服务，才能充分发挥流水线的效率5）流水线需要有通过时间和排空时间，在这两个时间段中，流水线都不是满负荷工作10.在5段流水线中，一条指令的执行需要几个时钟周期？他们分别是什么？5个时钟周期1）取指令周期2）指令译码周期/读存储器周期3）执行周期/有效地址计算周期4）存储访问周期/分支完成周期5）写回周期11.评价流水线的性能指标是什么？吞吐率和加速比吞吐率：单位时间内流水线所完成的任务数量加速比：使用流水线和1不使用流水线花费时间的比值12.什么叫相关？流水线中有哪几种相关？1）数据相关（此次运算需要前一次运算的结果作为数据）2）名相关（指令所访问的寄存器或存储器单元相同）3）控制相关（分支指令引起的相关）13.单级存储器的主要矛盾是什么？主要采用什么方法解决？主要矛盾：1）速度越快，价格就越高2）容量越大，价格就越低3）容量越大，速度越慢解决方法：采用多级存储层次结构14.在存储层次中应解决那四个问题？1）映像规则问题：当把一个块调入高一级存储器时，可以放到哪些位置上2）查找算法问题：当所要访问的块在高一级存储器时，任何找到改块？3）替换算法问题：当发生失效时，应该替换哪一块？4）写策略问题：当进行写访问时，应进行哪些操作？15.地址映像方法有哪几种？他们各有什么优缺点？1）全相连映像（主存中的任意一块可以放在Cache中的任何位置）缺点；查找复杂，代价高，速度慢优点：Cache空间利用率高，块冲突概率低，Caceh的失效率低2）直接映像：（主存中的任意一块都只对应Cache中的唯一一个位置）缺点：Cache空间利用率低，块冲突概率高，Cache失效率高优点：查找简单，快速3）组相连映像（主存中的任意一块对应Cache中的一组位置）直接映像和全相连映像折中的办法16.写策略主要有哪两种？他们各有什么优点？1）写直达法：容易实现，而且存储器中下一级的数据总是最新的，但是速度慢2）写回法：速度块，写操作能以Cache存储器的速度进行，而且对于同一个单元的多个写最后只需一次写回下一级存储器（不直接写回下一级存储器，而是交给写缓冲器去做）17.伪相连的基本思想是什么？采用这种方法时，在命中情况下，访问Caceh的过程和直接映像访问Cache的过程相同，而且发生失效时，在访问下一级存储器之前，会先检查Caceh另一个位置，看是否匹配，确定这个另一块的简单方法是将索引字段的最高位取反，然后按照新索引去寻找伪相连中对应的块，如果这一块的标识匹配，则称发生了伪命中，否则就只好访问下一级存储器18.采用二级Caceh的基本思想是什么？通过在原有的Cache和存储器中间增加一层Cache，构成两级Cache，把第一级Cache做得足够小，使其速度和快速cpu的时钟周期相匹配，，而把第二级Cache做得足够大，使得他能捕获更多需要1到主存去的访问，从而降低实际失效开销19.采用容量小且结构简单的Cache有什么好处？1）可以有效提高Cache的访问速度，因为硬件越简单速度就越快，小容量Cache可以实现快速标识检测，对减少命中时间有益2）Cache足够小，可以与处理权做在同一芯片上，以避免因芯片外访问而增加时间开销3）保持Cache简单结构可采用直接映像Cache，直接映像Cache的主要优点就是可以让标识检测和数据传送重叠进行，这样可以有效减少命中时间20.“虚拟索引+物理标识”Cache的基本思想是什么？答：直接用虚地址中的页内位移（页内位移在虚拟地址的转换中保持不变），作为访问Cache 的索引，但标识确实物理地址，Cpu发出访存请求后，在进行虚地址转换的同时，可并行进行标识的读取，在完成地址变换后，再把得到的物理地址和标识进行比较21.在分布式存储结构的机器中，将存储器分布到各节点有什么好处？1）如果大多数的访问是针对本结点的局部存储器，则可降低对存储器和互连网络的带宽要求2）对局部存储器的访问延迟低，分布式存储器结构的主要缺点就是处理器之间的通信较为复杂，且各处理器之间访问延迟大22.在分布式存储器结构的机器中，目前有哪两种存储地址空间的组织方案？1）物理上分离的多个存储器作为一个逻辑上共享的存储空间进行编址2）整个地址空间由多个独立的地址空间构成，他们在逻辑上也是独立的，远程的处理器不能对其直接寻找23.在分布式存储器结构的机器中，对应于两种地址空间的组织方案，分别有哪两种通信机制？它们是怎么实现的？1）共享地址空间的机器：理由load和store中的地址隐含的进行数据通信2）多个地址空间的机器：根据简单的网络协议，通过传递消息来请求某些服务或传输数据，从而完成通信24.实现Cache一致性协议时，有哪两种跟踪共享数据状态的技术？1）目录协议：物理存储器中共享数据库的状态及其相关消息被保存在一个叫做目录的地方2）监听协议：每个Cache除了包含物理存储器中块的数据副本以外，也保存着共享状态信息，Cache通常连接在共享存储器的总线上，各个Cache控制器通过监听总线来判断是否由总线上请求的数据块25.目录协议中，Cache块有哪三种状态1）共享：在一个或多个处理器上有这个块的副本，且主存中的值是最新的（所有Cache均相同）2）未缓冲：所有处理器的Cache都没有此块的副本3）专有：仅有一个处理器上有该块的副本，且已对此块进行了写操作，而主存的副本仍是旧的。
计算机系统结构名词解释汇总八
计算机系统结构名词解释汇总八1．计算机体系结构：计算机体系结构包括指令集结构、计算机组成和计算机实现三个方面的内容。
2．透明性：在计算机技术中，对这种本来是存在的事物或属性，但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性(transparency)。
3．程序访问的局部性原理：程序总是倾向于访问最近刚访问过的信息，或和当前所访问的信息相近的信息，程序对信息的这一访问特性就称之为程序访问的局部性原理。
4. RISC精简指令集计算机。
5. CP 指令时钟数(Cycles per Instructiorj)。
6．Amdahl 定律——加快某部件执行速度所获得的系统性能加速比，受限于该部件在系统中的所占的重要性。
7.系列机：在一个厂家内生产的具有相同的指令集结构，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。
8.软件兼容：同一个软件可以不加修改地运行于体系结构相同的各档机器，而且它们所获得的结果一样，差别只在于有不同的运行时间。
9．基准程序：选择一组各个方面有代表性的测试程序，组成的一个通用测试程序集合，用以测试计算机系统的性能10．合成测试程序：首先对大量的应用程序中的操作进行统计，得到各种操作的比例，再按照这个比例人为制造出的测试程序。
11. Benchmarks：测试程序包，选择一组各个方面有代表性的测试程序，组成的一个通用测试程序集合。
12.核心程序：从真实程序提取出来的用于评价计算机性能的小的关键部分。
13.通用寄存器型机器：指令集结构中存储操作数的存储单元为通用寄存器的机器，称之为通用寄存器型机器14．Load/Store 型指令集结构：在指令集结构中，除了Load/Store 指令访问存储器之外，其它所有指令的操作均是在寄存器之间进行，这种指令集结构称之为Load/Store 型指令集结构。
15.虚拟机器：(virtual machine),由软件实现的机器16．操作系统虚拟机：直接管理传统机器中软硬件资源的机器抽象，提供了传统机器所没有的某些基本操作和数据结构，如文件系统、虚拟存储系统、多道程序系统和多线程管理等。
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，
第6章多计算机系统
5、开关枢纽形式
• 将互连结构设置在PE或其接口内部，组成分布 结构(松耦合)。 • 开关枢纽：由仲裁单元和开关单元组成，端口 数不能多。 • 结构：由开关枢纽组成各种结构，如树形结构。 • 开关枢纽网络适宜于PE数较多的系统。
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6.2 多机系统中的并行性分析
互连网络
P/C LM NIC …
P/C LM NIC
SM
SM … SM
互连网络
大规模并行处理机(MPP)
并行向量处理机(PVP)
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多处理机系统结构（二）
结点 结点
P/C P/C P/C … P/C 互连网络 LM DIR NIC …
P/C LM DIR NIC
SM
SM … SM
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3、并行程序设计语言
• 开发方式 设计全新的并行程序语言，难度非常大； 扩充原来的串行语言的语法成份，使它支持并行 特征 不改变串行语言，仅为串行语言提供可调用的并 行库 • 扩展语言的并行结构 FORK－JOIN(在不同的机器上有不同的表现形式） 块结构语言：cobegin-coend(或parbeginparend)
•第1章 •第2章 •第3章 •第4章 •第5章 •第6章 •第7章
计算机系统设计基础 数据表示与指令系统性能分析 通道处理机 流水技术和向量处理 阵列计算机 多处理机系统 其它计算机结构
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第6章 多处理机系统
6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 基本概念与机间互连形式 多处理机系统中并行性分析 共享存储器体系结构 消息传递体系结构 MPI并行程序设计基础
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7.3 分布式共享存储器体系结构
缺点： (1) 实现透明的软件Cache一致性的编译机制能力 有限。 (2) 没有Cache一致性，机器就不能利用取出同一 块中的多个字的开销接近于取一个字的开销 这个优点，这是因为共享数据是以Cache块为 单位进行管理的。当每次访问要从远程存储 器取一个字时，不能有效利用共享数据的空 间局部性。 (3) 诸如预取等延迟隐藏技术对于多个字的存取 更为有效，比如针对一个Cache块的预取。
对基于目录的Cache一致性的多种改进 有限映射目录 链式结构目录
基于目录的Cache一致性协议是完全由硬件实现的。 此外，还可以用软硬结合的办法实现。
虚拟存储器的特点
知识回顾 Knowledge Review
第７章，所有的结点通过网络互 连。访问可以是本地的，也可是远程的。 可以不支持Cache一致性：规定共享数据不进入Cache，
仅私有数据才能保存在Cache中。 优点： 所需的硬件支持很少
(因为远程访问存取量仅是一个字(或双字)而 不是一个Cache块)
虚拟存储器的特点
7.3 分布式共享存储器体系结构
解决Cache一致性问题的关键： 寻找替代监听协议的一致性协议。。
目录协议 在每个结点增加目录存储器，用于存放目录
对每个结点增加目录表后的分布式存储器的系统结构
虚拟存储器的特点
7.3 分布式共享存储器体系结构
7.3.1 基于目录的Cache一致性及其实现
所有处理器的Cache 专有
仅有一个处理器上有该块的副本，且已对该块 进行了写操作，而主存的拷贝仍是旧的。这个处理器 称为该块的拥有者。
虚拟存储器的特点
7.3 分布式共享存储器体系结构
(3) 由于写作废操作的需要，还必须记录哪些处理器 有该块的拷贝 方法：对每个主存块设置一个位向量 当该块被共享时，每个位指出与之对应的处 理器是否有该块的拷贝。 当该块为专有时，可根据位向量来寻找其拥
虚拟存储器的特点
虚拟存储器的特点
7.3 分布式共享存储器体系结构
结点之间发送的消息 及其作用
虚拟存储器的特点
虚拟存储器的特点
虚拟存储器的特点
目录状态转换图
虚拟存储器的特点
虚拟存储器的特点
虚拟存储器的特点
虚拟存储器的特点
虚拟存储器的特点
虚拟存储器的特点
虚拟存储器的特点
7.3 分布式共享存储器体系结构
目录协议必须实现两种基本操作 处理读失效 处理对共享、干净块的写 对共享块写失效的处理是这两个操作的简单组合
(2) 目录必须跟踪记录每个存储块的状态 存储块的状态有三种：
虚拟存储器的特点
7.3 分布式共享存储器体系结构
共享 在一个或多个处理器上具有这个块的副本，
且主存中的值是最新值（所有Cache 未缓冲