第 4 章指令级并行

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计算机组成原理第4章指令系统课件

4.2 指令的格式
4.2.1 指令的编码格式
操作码OC
AC1
AC2
（1）把保存操作前原来操作数的地址称为源点地址(SS)，把保存指令执行结果的地址称为终点地址或目的地址(DD)。
（2）将源点与终点操作数进行操作码规定的操作后，将结果存入终点地址。通常二地址指令又称为双操作数指令。
ADD R0，R1表示将R0寄存器的内容和R1寄存器的内容相加以
5 异或XOR
XOR指令对两个操作数进行按位异或运算。
4.4 指令的种类
4.4.4 移位、循环类指令
CF
位移指令SAL/SHL操作示意图
CF
SAR操作示意图
CF 0
SHR操作示意图
4.4 指令的种类
4.4.4 移位、循环类指令
不带进位标志的循环左移指令ROL MSB 操作数 LSB
CF
不带进位标志的循环右移指令ROR MSB 操作数 LSB
例如：在IBM-PC指令系统中
MOV
AX，05FFH
4.3 寻址方式
4.3.2 常用的寻址方式
2.直接寻址方式
（1）含义：是指地址字段直接指明操作数在存储器内的位置的寻址方法。即形式地址等于有效地址。（2）优缺点： A、优点：简单，不需要进行加法运算。 B、缺点：地址空间指令地址字段长度的限制。
4.2 指令的格式
4.2.3 指令助记符
通常采用一些符号来代表二进制数据，这些符号即指令助记符。
指令助记符 ADD SUB MUL DIV
助记符示例
含义
指令助记符
相加
AND
相减
OR
相乘
LOAD
相除
STORE

计算机组成原理第四五章答案

期末试卷（四、五、六章）一、选择题（每小题1分）1 单地址指令中为了完成两个数的算术运算，除地址码指明的一个操作数外，另一个常需采用（C ）。

A 堆栈寻址方式B 立即寻址方式C 隐含寻址方式D 间接寻址方式2 RISC访内指令中，操作数的物理位置一般安排在（ D ）。

A 栈顶和次栈顶B 两个主存单元C 一个主存单元和一个通用寄存器D 两个通用寄存器3寄存器间接寻址方式中，操作数在（B ）。

A 通用寄存器B 主存单元C 程序计数器 D 堆栈4 机器指令与微指令之间的关系是（A ）。

A 用若干条微指令实现一条机器指令B 用若干条机器指令实现一条微指令C 用一条微指令实现一条机器指令D 用一条机器指令实现一条微指令5描述多媒体CPU基本概念中，不正确的是（ D ）。

A 多媒体CPU是带有MMX技术的处理器B MMX是一种多媒体扩展结构C MMX指令集是一种多指令流多数据流的并行处理指令D 多媒体CPU是以超标量结构为基础的CISC机器6 流水线中造成控制相关的原因是执行（ A ）指令而引起。

A 条件转移B 访内C 算逻D 无条件转移7 PCI总线是一个高带宽且与处理器无关的标准总线。

下面描述中不正确的是（B ）。

A 采用同步定时协议B 采用分布式仲裁策略C 具有自动配置能力D 适合于低成本的小系统8 同步控制是（ C ）。

A 只适用于CPU控制的方式B 只适用于外围设备控制的方式C 由统一时序信号控制的方式D 所有指令执行时间都相同的方式9 描述PCI总线中基本概念不正确的句子是（CD ）。

A PCI总线是一个与处理器无关的高速外围设备B PCI总线的基本传输机制是猝发式传送C PCI设备一定是主设备D 系统中只允许有一条PCI总线10当前的CPU由（ B ）组成。

A 控制器B 控制器、运算器、cacheC 运算器、主存D 控制器、ALU、主存11流水CPU是由一系列叫做“段”的处理部件组成。

和具备m个并行部件的CPU相比，一个m段流水CPU的吞吐能力是（ D ）。

计算机组成原理(白中英)

D0
D1
D2
D3
A校验码 B校验码 C校验码 D校验码
系统结构
RAID4
I/O系统
❖ 专用奇偶校验独立存取盘阵列
❖ 数据以块（块大小可变）交叉的方式存于各盘，奇偶校验信息存在一台专用盘上
数据块
校验码产生器
A0
A1
A2
A3
B0
B1
B2
B3
C0
C1
C2
C3
D0
D1
D2
D3
A校验码 B校验码 C校验码 D校验码
❖ 只写一次光盘
只写一次光盘（Write Once Only）：可以由用户写入信息，不过只能写一次，写入后不能修改，可以多次读出，相当于PROM。在盘片上留有空白区，可以把要修改和重写的的数据追记在空白区内。
❖ 可檫写式光盘
可檫写式光盘（Rewriteable）：利用磁光效应存取信息，采纳特殊的磁性薄膜作记录介质，用激光束来记录、再现和删除信息，又称为磁光盘，类似于磁盘，可以重复读写。
RAID6
I/O系统
❖ 双维奇偶校验独立存取盘阵列
❖ 数据以块（块大小可变）交叉方式存于各盘，检、纠错信息均匀分布在全部磁盘上
系统结构
A0 A1 A2
3校验码 D校验码
B0 B1
2校验码 C校验码
B2
C0
1校验码 B校验码
C1 C2
0校验码 A校验码
D1 D2 D3
校验码产生器
7.7 光盘存储设备
– 正脉冲电流表示“1”，负脉冲电流表示“0”； – 不论记录“0”或“1”，在记录下一信息前，记录电流
恢复到零电流 – 简洁易行，记录密度低，改写磁层上的记录比较困难，

计算机体系结构知识点

第一章计算机体系结构得基本概念1 计算机系统结构得经典定义程序员所瞧到得计算机属性，即概念性结构与功能特性。

2 透明性在计算机技术中，把这种本来存在得事物或属性，但从某种角度瞧又好像不存在得概念称为透明性。

3 系列机由同一厂家生产得具有相同系统结构、但具有不同组成与实现得一系列不同型号得计算机。

4 常见得计算机系统结构分类法有两种：Flynn 分类法、冯氏分类法Flynn 分类法把计算机系统得结构分为4 类：单指令流单数据流(SISD)单指令流多数据流(SIMD)多指令流单数据流(MISD)多指令流多数据流(MIMD)5 改进后程序得总执行时间系统加速比为改进前与改进后总执行时间之比6CPI(Cycles Per Instruction ):每条指令执行得平均时钟周期数CPI = 执行程序所需得时钟周期数／IC7 存储程序原理得基本点：指令驱动8冯•诺依曼结构得主要特点1 以运算器为中心。

2 在存储器中，指令与数据同等对待。

指令与数据一样可以进行运算，即由指令组成得程序就是可以修改得。

3 存储器就是按地址访问、按顺序线性编址得一维结构，每个单元得位数就是固定得。

4 指令得执行就是顺序得5 指令由操作码与地址码组成。

6 指令与数据均以二进制编码表示，采用二进制运算。

9 软件得可移植性一个软件可以不经修改或者只需少量修改就可以由一台计算机移植到另一台计算机上正确地运行。

差别只就是执行时间得不同。

我们称这两台计算机就是软件兼容得。

实现可移植性得常用方法:采用系列机、模拟与仿真、统一高级语言。

软件兼容：向上（下）兼容：按某档机器编制得程序，不加修改就能运行于比它高（低）档得机器。

向前（后）兼容：按某个时期投入市场得某种型号机器编制得程序，不加修改地就能运行于在它之前（后）投入市场得机器。

向后兼容就是系列机得根本特征。

兼容机：由不同公司厂家生产得具有相同系统结构得计算机。

10 并行性：计算机系统在同一时刻或者同一时间间隔内进行多种运算或操作。

archit44

系统结构
4.3 动态分支预测技术

指令并行
处理器可达到的指令级并行度越高，控制相关的影响越大动态解决技术利用硬件对程序运行时分支的行为进行预测，提前对分支操作做出反应，加快分支处理的速度。分支预测的效果不仅取决于其准确性，而且与分支预测时的开销密切相关。分支转移的最终延迟取决于流水线的结构、预测的方法和预测错误后恢复所采取的策略动态分支预测技术要记录分支指令的历史、并据此决定预测的分支，还要尽快找到分支目标地址，从而避免控制相关造成流水线停顿
4.4 多指令流出技术

指令并行
将等于1的理想CPI减小，必须实现一个时钟周期流出（发射issue）多条指令
超标量(Superscalar)处理器：每个时钟周期流出多条指令（1～8），可以采用编译器进行静态调度顺序执行，也可以采用硬件动态调度乱序执行超长指令字(VLIW: Very Long Instruction Word)：通过编译器调度无关的多条指令（4～16）形成一条长指令，每个时钟周期流出一条长指令超级流水线(Super pipelining)：将每个功能部件进一步流水化，使得一个功能部件在一个时钟周期中可以处理多条指令（可以简单地理解为很长的流水线）

WAW 冲突（输出相关引起）如果在SUB.D写入F10 之前 ADD.D 执行结束，会出现问题
寄存器换名可以消除WAR和WAW冲突
指令并行
DIV.D F4,F0,F2 SUB.D F10,F4,F6 ADD.D F8,F12,F14

DIV.D F4,F0,F2 SUB.D F10,F4,F6 ADD.D F8,F6,F14
① 根据历史记录（预测位状态）进行分支预测 ② 根据实际分支情况修改预测位

计算机系统结构--《张晨曦、王志英》课后习题参考答案

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。

计算机系统结构(张晨曦)基本概念

在同一时刻或是同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不相同的工作。只要时间上互相重叠，就存在并行性。同时性两个或多个事件在同一时刻发生的并行性。并发性两个或多个事件在同一时间间隔内发生的并行性。字串位串每次只对一个字的一位进行处理。这是最基本的串行处理方式。字串位并同时对一个字的全部位进行处理，不同字之间是串行的。字并位串同时对许多字的同一位（称为位片）进行处理。全并行同时对许多字的全部位或部分位进行处理。指令内部并行单条指令中各微操作之间的并行。指令级并行并行执行两条或两条以上的指令。线程级并行并行执行两个或两个以上的线程，通常是以一个进程内派生的多个线程为调度单位。任务级或过程级并行并行执行两个或两个以上的过程或任务（程序段），以子程序或进程为调度单元。作业或程序级并行并行执行两个或两个以上的作业或程序。时间重叠多个处理过程在时间上相互错开，轮流使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转而赢得速度。资源重复通过重复设置资源，尤其是硬件资源，大幅度提高计算机系统的性能。资源共享是一种软件方法，它使多个任务按一定时间顺序轮流使用同一套硬件设备。同构型（对称型）多处理机由多个同类型，至少担负同等功能的处理机组成，同时处理同一作业中能并行执行的多个任务。异构型（非对称型）多处理机由多个不同类型，至少担负不同功能的处理机组成，按照作业要求的顺序，利用时间重叠原理，依次对它们的多个任务进行加工，各自完成规定的功能动作。分布处理系统把若干台具有独立功能的处理机（或计算机）相互连接起来，在操作系统的全盘控制下，统一协调地工作，而最少依赖集中的程序、数据或硬件。耦合度反映多机系统各机器之间物理连接的紧密程度和交互作用能力的强弱。松散耦合通过通道或通信线路实现计算机间互连，共享某些外围设备，机间的相互作用是在文件或数

计算机体系结构名词解释大全

名词解释：（1）静态流水线——同一时间内，流水线的各段只能按同一种功能的连接方式工作。

（2）分段开采——当向量的长度大于向量寄存器的长度时，必须把长向量分成长度固定的段，然后循环分段处理，每一次循环只处理一个向量段。

（3）计算机体系结构——程序员所看到的计算机的属性，即概念性结构与功能特性（4）时间重叠——在并行性中引入时间因素，即多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转而赢得速度。

（5）TLB——个专用高速存储器，用于存放近期经常使用的页表项，其内容是页表部分内容的一个副本（6）结构冲突——指某种指令组合因为资源冲突而不能正常执行（7）程序的局部性原理——程序在执行时所访问的地址不是随机的，而是相对簇聚；这种簇聚包括指令和数据两部分。

（8）2：1Cache经验规则——大小为N的直接映象Cache的失效率约等于大小为N /2的两路组相联Cache的实效率。

（9）组相联映象——主存中的每一块可以放置到Cache中唯一的一组中任何一个地方（10）数据相关——当指令在流水线中重叠执行时，流水线有可能改变指令读/写操作的顺序，使得读/写操作顺序不同于它们非流水实现时的顺序，将导致数据相关。

（1）动态流水线——同一时间内，当某些段正在实现某种运算时，另一些段却在实现另一种运算。

（2）透明性——指在计算机技术中，把本来存在的事物或属性，但从某种角度看又好像不存在的特性。

（3）层次结构——计算机系统可以按语言的功能划分为多级层次结构，每一层以不同的语言为特征。

（4）资源共享——是一种软件方法，它使多个任务按一定的时间顺序轮流使用同一套硬件设备。

（5）快表——个专用高速存储器，用于存放近期经常使用的页表项，其内容是页表部分内容的一个副本。

（6）控制相关——指由分支指令引起的相关，它需要根据分支指令的执行结果来确定后续指令是否执行。

（7）存储层次——采用不同的技术实现的存储器，处在离CPU不同距离的层次上，目标是达到离CPU最近的存储器的速度，最远的存储器的容量。

现在微处理机-指令级并行-记分牌算法

循环展开（2/3) • Example:A,B,C,D distinct & nonoverlapping
• for (i=1; i<=100; i=i+1) { A[i] = A[i] + B[i]; /* S1 */ B[i+1] = C[i] + D[i];} /* S2 */ 1. S1和S2没有相关，S1和S2互换不会影响程序的正确性 2. 在第一次循环中，S1依赖于前一次循环的B[i].
– Itanium & Transmeta: Crusoe
一个循环的例子 for (i = 1; i <= 1000; i++) x(i) = x(i) + y(i);
• 特征
– 计算x(i)时没有相关
• 并行方式
– 最简单的方法，循环展开。 – 采用向量的方式 X=X+Y 60年代开始 Cray HITACHI NEC Fujitsu 目前均采用向量加速部件的形式 GPU DSP
} B[101] = C[100] + D[100];
4.2 硬件调度方案:
• 为什么要使用硬件调度方案?
– 在编译时无法确定的相关，可以通过硬件调度来优化 – 简化了编译器的设计 – 代码在不同组织结构的机器上，同样可以有效的运行
Rewrite loop to minimize stalls?
名相关如何解决
15 + 4 x (1+2) + 1 = 28 cycles, or 7 per iteration Assumes R1 is multiple of 4
Stalls数最小的循环展开
1 Loop: 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 LD LD LD LD ADDD ADDD ADDD ADDD SD SD SUBI SD BNEZ SD F0,0(R1) F6,-8(R1) F10,-16(R1) F14,-24(R1) F4,F0,F2 F8,F6,F2 F12,F10,F2 F16,F14,F2 0(R1),F4 -8(R1),F8 R1,R1,#32 16(R1),F12 R1,LOOP 8(R1),F16

并行计算(陈国良版)课后答案解析

第三章互连网络3.1 对于一颗K级二叉树（根为0级，叶为k-1级），共有N=2^k-1个节点，当推广至m-元树时（即每个非叶节点有m个子节点）时，试写出总节点数N的表达式。

答：推广至M元树时，k级M元树总结点数N的表达式为：N=1+m^1+m^2+...+m^（k-1）=(1-m^k)*1/(1-m);3.2二元胖树如图3.46所示，此时所有非根节点均有2个父节点。

如果将图中的每个椭圆均视为单个节点，并且成对节点间的多条边视为一条边，则他实际上就是一个二叉树。

试问：如果不管椭圆，只把小方块视为节点，则他从叶到根形成什么样的多级互联网络？答：8输入的完全混洗三级互联网络。

3.3 四元胖树如图3.47所示，试问：每个内节点有几个子节点和几个父节点？你知道那个机器使用了此种形式的胖树？答：每个内节点有4个子节点，2个父节点。

CM-5使用了此类胖树结构。

3.4 试构造一个N=64的立方环网络，并将其直径和节点度与N=64的超立方比较之，你的结论是什么？答：A N=64的立方环网络,为4立方环（将4维超立方每个顶点以4面体替代得到），直径d=9，节点度n=4B N=64的超立方网络，为六维超立方（将一个立方体分为8个小立方，以每个小立方作为简单立方体的节点，互联成6维超立方），直径d=6，节点度n=63.5 一个N=2^k个节点的de Bruijin 网络如图3.48。

试问：该网络的直径和对剖宽度是多少？答：N=2^k个节点的de Bruijin网络直径d=k 对剖宽带w=2^(k-1)3.6 一个N=2^n个节点的洗牌交换网络如图3.49所示。

试问：此网络节点度==？网络直径==？网络对剖宽度==？答：N=2^n个节点的洗牌交换网络，网络节点度为=2 ，网络直径=n-1 ，网络对剖宽度=43.7 一个N=（k+1）2^k个节点的蝶形网络如图3.50所示。

试问：此网络节点度=？网络直径=？网络对剖宽度=？答：N=（k+1）2^k个节点的蝶形网络，网络节点度=4 ，网络直径=2*k ，网络对剖宽度=2^k3.9 对于如下列举的网络技术，用体系结构描述，速率范围，电缆长度等填充下表中的各项。

指令级并行

指令级并行我们知道,要从系统结构上提高计算机的性能,就必须设法以各种方式挖掘计算机工作的并行性。

并行性又有粗粒度并行性(coarse-grained parallelism)和细粒度并行性(fine-grained parallelism)之分。

所谓粗粒度并行性是在多处理机上分别运行多个进程,由多台处理机合作完成一个程序。

所谓细粒度并行性是在一个进程中进行操作一级或指令一级的并行处理。

这两种粒度的并行性在一个计算机系统中可以同时采用,在单处理机上则用细粒度并行性。

指令级并行概念指令级并行（Instruction-Level Parallelism, ILP），是细粒度并行，主要是相对于粗粒度而言的。

顾名思义，指令级并行是指存在于指令一级即指令间的并行性，主要是指机器语言一级，如存储器访问指令、整型指令、浮点指令之间的并行性等，它的主要特点是并行性由处理器硬件和编译程序自动识别和利用，不需要程序员对顺序程序作任何修改。

正是由于这一优点，使得它的发展与处理器的发展紧密相连。

指令级并行技术突破了每个时钟周期完成一条指令的框框,做到在单处理机上每个时钟周期能完成的指令数平均多于一条。

我们已知道,向量处理机进行的是细粒度的并行处理,它在处理向量时由于采用了流水线,多功能部件河链接技术,能够做到每个时钟周期完成多个操作,相当于多条指令。

但它在处理标量时,效率将大大降低,有时甚至还不及一个普通的通用计算机。

现在几种新的系统结构设计,其基本思想是要挖掘指令级并行,使单处理机达到一个时钟周期完成多条指令。

指令级并行性的含义可用下面的例子来说明:(1)Load C1←23(R2)Add R3←R3+1FPAdd C4←C4+C3并行度=3(2)Add R3←R3+1Add R4←R3+R2Store R0←R4并行度=1上例中,(1)的三条指令是互相独立的,它们之间不存在数相关,所以可以并行执行。

反之,(2)的三条指令中,第2条要用到第1条的结果,第3条要用到第2条的结果,它们都不能并行执行。

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。

高级计算机系统结构部分知识点整理

1.高级计算机系统结构：Advanced Computer Architecture（Parallel Computer）：The computer system constituted by many process units of mutual communication for solving some large-scale applications。

翻译：由多个处理单元组成的计算机系统，相互通信和协作，能快速求解大型复杂问题2. 课程教学内容第一章绪论3.MIPS处理机的运算速度MIPS=Fz*IPC Fz处理机的主频；IPC每个时钟周期平均执行指令数4.计算机技术快速进步的原因：计算机生产技术的发展—集成电路技术IC）；计算机设计的创新—计算机系统结构。

5.2004年，Intel取消了高性能单核处理器项目，和其他公司一起宣布：为了获得更高性能的处理器，应当提高一个芯片上集成的核心数目，而不是加快单核处理器的速度。

历史性转折的里程碑信号处理器性能的提高从单纯依赖指令级并行（ILP）转向数据级并行（DLP）和线程级并行（TLP）6.体系结构研究的内容:--进一步提高单个微处理器的性能（光速极限问题）--基于微处理器的多处理器体系结构--全面提高计算机系统性能：可用性、可维护性、可缩放性--新型器件的处理器：如光计算机；新原理的计算机（生物、分子、量子、DNA计算机）7.应用程序中主要有以下两种并行：数据级并行（DLP）：其出现是因为可以同时操作许多数据项任务级并行（TLP）：其出现是因为创建了一些能够单独处理但大量采用并行方式执行的工作任务.8. 计算机硬件以如下四种主要方式来开发这两种类型的并行性：[1]指令级并行：在编译器的帮助下，利用流水线等思想适度开发数据级并行，利用推理执行等思想以中等水平开发数据级并行；[2]向量体系结构和图形处理器（GPU）：将单条指令并行应用于一个数据集，以开发数据级并行[3]线程级并行：在紧耦合硬件模型中开发数据级并行或任务级并行，允许在并行线程之间进行交互；[4]请求级并行：在程序员或操作系统指定的大量去耦合任务之间开发并行性。

指令级并行的概念

○ 开发循环体中存在的并行性。 ● 最常见、最基本
○ 是指令级并行研究的重点之一。
指令级并行的概念
4.1 指令级并行的概念
最基本的开发循环级并行的技术
指令调度（scheduling）
A
技术换名（renaming）技术 C
循环展开（loop
B
unrolling）技术
指令级并行的概念
通过改变指令在程序中的位置，将相关指 ○ 令之间的距离加大到不小于指令执行延迟，将 ● 相关指令转化为无关指令。 ● 指令调度是循环展开的技术基础。
结构有关。程序中的相关主要有以下三种
• 数据相关 • 名相关 • 控制相关
1.数据相关（data
dependence）
指令级并行的概念
0
对于指令i和指令j，如果
1
一．
指令j使用指令i产生的结果，或者
二．
指令j与指令k数据相关，指令k与指令i数据相
○
关，则指令j与指令i数据相关。
○
数据相关具有传递性。
ADDD F16,F14,F2
8
SD 0(R1),F4
SD -8(R1),F8
SUBI R1,R1,#32
12
SD 16(R1),F12
11
BNEZ R1,Loop
SD 8(R1),F16
14
指令 1 2
5 6
9 10
13
4.1 指令级并行的概念
结果分析：
没有数据相关引起的空转等待整个循环仅仅使用了14个时钟周期
-8(R1),F8 F10,-16(R1) 13
流出时钟
ADDD 15
（空转） 16
（空转） 17

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。

计算机体系结构各章简答题及答案

计算机体系结构各章简答题及答案第⼀章计算机体系结构的基本概念1. 什么是计算机系统的多级层次结构？2. 硬件和软件在什么意义上是等效的在什么意义上是不等效的？3. 经典计算机系统结构的实质是什么？4. 语⾔实现的两种基本技术是什么？5. 对于通⽤寄存器型机器来说，机器语⾔程序设计者所看到的计算机的属性主要有哪些？6. 什么是软件兼容软件兼容有⼏种其中哪⼀种是软件兼容的根本特征？7. 什么是系列机它的出现较好地解决了什么⽭盾？8. 对计算机发展⾮常关键的实现技术有哪些？9. 实现软件移植的主要途径有哪些？10. 试以系列机为例，说明计算机系统结构、计算机组成和计算机实现三者之间的关系。

11. 存储程序计算机在系统结构上的主要特点是什么？12. 从系统结构的发展情况看，新型系统结构的设计主要从哪两⽅⾯着⼿？13. 软件技术两个最重要的发展趋势是什么？14. 计算机系统设计⼈员的技术挑战主要来⾃哪⼏个⽅⾯？15. ⼀种计算机系统结构的⽣命周期是怎样的？16. 商品的标价（价格）由哪些因素构成？17. 对计算机系统成本产⽣影响的主要因素有哪些？18. ⽤户CPU时间由哪三个因素决定？19. ⽬前常⽤的测试程序分为哪五类？20. 什么叫测试程序组件在评价计算机系统设计时最常见的测试程序组件是哪个？21. SPEC2000测试程序组件中包括哪⼏个测试程序组件？22. 测试基于Microsoft公司的Windows系列操作系统平台的最常⽤测试组件有哪些？23. 常⽤的专门的性能指标测试程序有哪些？24. 计算机系统结构设计和分析中最经常使⽤的三条基本原则是什么25. 根据Amdahl定律，系统加速⽐由哪两个因素决定？26. 从执⾏程序的⾓度看，并⾏性等级从低到⾼可分为哪⼏级？27. 从处理数据的⾓度，并⾏性等级从低到⾼可以分为哪⼏级？28. 计算机系统中提⾼并⾏性的技术途径有哪三种？29. 多机系统的耦合度可以分为哪⼏类？30. 单机系统和多机系统中，都是按哪三种技术途径分别发展为哪三类多处理机？31. 三种类型的多处理机（同构型多处理机、异构型多处理机、分布处理系统）的主要区别是什么1. 什么是计算机系统的多级层次结构从计算机语⾔的⾓度，把计算机系统按功能划分成以下多级层次结构：2. 硬件和软件在什么意义上是等效的在什么意义上是不等效的硬件和软件在功能实现上是等效的，即⼀种功能可以由软件实现，也可以由硬件实现。

4 第四章并行计算性能评测

第四章并行计算性能评测
Gustafson定律
W1 W1
工作负载W
W1
执行时间T
102
加速比S '
Wp W1 W1 W1 Wp
1
T1
T1 T1
T1
T1
T1
Wp Wp
Tp
Tp Tp Tp
Tp
Tp
Wp
Wp
2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6
0%
处理器数P
处理器数P
第四章并行计算性能评测
Gustafson定律
T1
执行时间T
工作负载W
T1 Tp
Wp Wp Wp
Wp Wp Wp
Tp
Tp
T1 T1
Tp
T1 Tp Tp
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
处理器数P
(a)
处理器数P
第四章并行计算性能评测 Amdahl定律
1024x
加速比S
S1024=1024/(1+1023f)
91x
48x
31x
24x
1x 4% 100%
0%
1%
2%
3%
程序中顺序部分的百分比f
第四章并行计算性能评测
Gustafson定律 (1987年)

出发点：

对于很多大型计算，精度要求很高，而计算时间是固定不变的。此时为了提高精度，必须加大计算量，相应地必须增多处理器数才能维持时间不变；除非学术研究需要，Amdahl定律在实际应用中没有必要固定工作负载而计算程序运行在不同数目的处理器上，增多处理器必须相应地增大问题规模才有实际意义。

第4章-汇编语言程序设计教案

第四章教学实施计划3课堂教学实施计划第 8 课教学过程设计：复习 0 分钟；授新课 100 分钟讨论 0 分钟；其它 0 分钟授课类型（请打√）：理论课√讨论课□实验课□习题课□其它□教学方式（请打√）：讲授√讨论□示教□指导□其它□教学手段（请打√）：多媒体√模型□实物□挂图□音像□其它□4.1 汇编语言程序设计概述程序实际上是一系列计算机指令的有序集合。

我们把利用计算机的指令系统来合理地编写出解决某个问题的程序的过程，称为程序设计。

程序设计是单片机应用系统设计的重要组成部分，单片机的全部动作都是在程序的控制下进行的。

随着芯片技术的发展，很多标准的或功能型的硬件电路都集成到了芯片中，所以，软件设计在单片机应用系统开发中占的比重越来越大。

一、汇编语言和高级语言汇编语言：用助记符表示的指令称为汇编语言，用汇编语言编写的程序称为汇编语言源程序汇编语言也是面向机器的，它仍是一种低级语言。

汇编语言离不开具体计算机的硬件，与硬件紧密相关。

高级语言：高级语言不受具体“硬件”的限制，具有通用性强，直观、易懂、易学，可读性好等优点。

多数的51单片机用户使用C语言来进行程序设计。

C语言已经成为人们公认的高级语言中高效、简洁而又贴近51单片机硬件的编程语言。

二、汇编语言的特点•助记符指令和机器指令一一对应，所以用汇编语言编写的程序效率高，占用存储空间小，运行速度快，因此汇编语言能编写出最优化的程序。

•使用汇编语言编程比使用高级语言困难，因为汇编语言是面向计算机的，汇编语言的程序设计人员必须对计算机硬件有相当深入的了解。

•汇编语言能直接访问存储器及接口电路，也能处理中断，因此汇编语言程序能够直接管理和控制硬件设备。

•汇编语言缺乏通用性，程序不易移植，各种计算机都有自己的汇编语言，不同计算机的汇编语言之间不能通用。

三、汇编语言的语句格式•指令语句：每一条指令语句在汇编时都产生一个指令代码（也称机器代码），执行该指令代码对应着机器的一种操作。

操作系统第四章课后题答案

第四章1.为什么说多级反馈队列调度算法能较好地满足各类用户的需要（来自百度）：答案一：多级反馈队列调度算法能较好地满足各种类型用户的需要。

对终端型作业用户而言，由于他们所提交的大多属于交互型作业，作业通常比较短小，系统只要能使这些作业在第1级队列所规定的时间片内完成，便可使终端型作业用户感到满意；对于短批处理作业用户而言，他们的作业开始时像终端型作业一样，如果仅在第1级队列中执行一个时间片即可完成，便可以获得与终端型作业一样的响应时间，对于稍长的作业，通常也只需要在第2级队列和第3级队列中各执行一个时间片即可完成，其周转时间仍然较短；对于长批处理作业用户而言，它们的长作业将依次在第1，2，…，直到第n级队列中运行，然后再按时间片轮转方式运行，用户不必担心其作业长期得不到处理。

答案二：（惠州学院操作系统课后题）与答案一基本相似，可看做精简版。

答：（1）终端型作业用户提交的作业大多属于较小的交互型作业，系统只要使这些作业在第一队列规定的时间片内完成，终端作业用户就会感到满足。

（2）短批处理作业用户，开始时像终端型作业一样，如果在第一队列中执行一个时间片段即可完成，便可获得与终端作业一样的响应时间。

对于稍长作业，通常只需在第二和第三队列各执行一时间片即可完成，其周转时间仍然较短。

（3）长批处理作业，它将依次在第1 ，2 ，…，n个队列中运行，然后再按轮转方式运行，用户不必担心其作业长期得不到处理。

所以，多级反馈队列调度算法能满足多用户需求。

2.分别对以上两个进程集合，计算使用先来先服务（FCFS）、时间片轮转法（时间片q=1）、短进程优先（SPN）、最短剩余时间优先（SRT，时间片q=1）、响应比高者优先（HRRN）及多级反馈队列（MFQ,第1个队列的时间片为1，第i(i<1)个队列的时间片q=2（i-1））算法进行CPU调度，请给出各进程的完成时间、周转时间、带权周转时间，及所有进程的平均周转时间和平均带权周转时间。

计算机组成原理名词解释

2.ROM：只读存储器，一种只能读取数据不能写入数据的存储器。
3.SRAM：静态随机访问存储器，采用双稳态电路存储信息。
4.DRAM：动态随机访问存储器，利用电容电荷存储信息。
5.EDO DRAM：增强数据输出动态随机访问存储，采用快速页面访问模式并增加了一个数据锁存器以提高数据传输速率。
1.原码：带符号数据表示方法之一，一个符号位表示数据的正负，0代表正号，1代表负号，其余的代表数据的绝对值。
2.补码：带符号数据表示方法之一，正数的补码与原码相同，负数的补码是将二进制位按位取反后在最低位上加1.
3.反码：带符号数据的表示方法之一，正数的反码与原码相同，负数的反码是将二进制位按位取反
12.操作数寻址方式：指令中地址码的内容及编码方式。
13.系统指令：改变计算机系统的工作状态的指令。
14.特权指令：改变执行特权的指令，用于操作系统对系统资源的控制。
15.自陷指令：特殊的处理程序，又叫中断指令。
16.寻址方式：对指令的地址码进行编码，以得到操作数在存储器中的地址的方式。
10.快闪存储器：一种非挥发性存储器，与EEPROM类似，能够用电子的方法擦除其中的内容。
11.相联存储器：一种按内容访问的存储器，每个存储单元有匹配电路，可用于是cache中查找数据。
12.多体交叉存储器：由多个相互独立、容量相同的存储体构成的存储器，每个存储体独立工作，读写操作重叠进行。
5.外围设备：计算机的输入输出设备，包括输入设备，输出设备和外存储设备。
6.数据：编码形式的各种信息，在计算机中作为程序的操作对象。
7.指令：是一种经过编码的操作命令，它指定需要进行的操作，支配计算机中的信息传递以及主机与输入输出设备之间的信息传递，是构成计算机软件的基本元素。