并行计算机体系结构第三章
第三章 计算机系统分层结构
PF
CF
奇偶（偶/奇）
进位（是/否）
PE
CY
PO
NC
3．总线
所谓总线是一组能为多个部件分时共享的公共信息传送线路， 它分时接收各部件送来的信息，并发送信息到有关部件。
由于多个部件连接在一组公共总线上，可能会出现多个部件争 用总线，因此需设置总线控制逻辑以解决总线控制权的有关问题。
总线分类:
CPU内部总线用来连接CPU内的各寄存器与ALU ; 系统总线用来连接CPU、主存储器与I/O接口，它通常包括 三组：数据总线、地址总线和控制总线。 按总线传送的方向可将总线分为单向总线和双向总线。
CPU是计算机的核心组成部分
3.1.1
CPU的组成
• 由算术逻辑部件ALU 、控制器、各种寄存器（寄 存器群）和CPU内部总线（连接部件） • 另：Cache
•
1．ALU部件
ALU的功能是实现数据的算术与逻辑运算 两个输入端口，参加运算的两个操作数，通常 来自CPU中的通用寄存器或ALU总线。 控制信号：ADD,SUB,OR,AND等 输出：运算结果
时序控制方式就是指微操作与时序信号之间采取何种关系，
它不仅直接决定时序信号的产生，也影响到控制器及其他部件的组 成，以及指令的执行速度。
1．同步控制方式
同步控制方式是指各项操作由统一的时序信号进行同步控制。 同步控制的基本特征是将操作时间分为若干长度相同的时钟 周期（也称为节拍），要求在一个或几个时钟周期内完成各个微 操作。在CPU内部通常是采用同步控制方式 。 同步控制方式的优点是时序关系简单，结构上易于集中，相应 的设计和实现比较方便。
计算机系统结构
系统的层次结构
★★
5层
翻译(编译器)
中科大-并行计算讲义-并行计算机系统与结构模型
Intel Paragon系统框图
I/O部分
SCSI
计算
节点
节点
计算部分
计算 节点
……
服务部分 I/O部分
计算
服务
SCSI
节点
节点
节点
以太网
HIPPI 节点
计算 节点
计算 节点
……
计算 节点
服务 节点
SCSI 节点
FDDI
VME 节点
用户I/O
磁带
HIPPI 节点
计算 节点
计算 节点
……
计算 节点
CU
PE0
PE1
…
P E n-1
IN
M0
M1
…
M m-1
(b)共享存储阵列机
中科大-并行计算讲义-并行计算机系统与结构模 型
2021/1/21
6
阵列处理机的特点
• SIMD－单指令多数据流机
• 利用资源重复开拓计算空间的并行
• 同步计算－－所有PE执行相同操作
• 适于特定问题（如有限差分、矩阵运算等） 求解
2021/1/21
10
Balance同构对称多处理机系统
80386CPU Weitek1167FPU
…
80386CPU Weitek1167FPU
存储器 8MB
…
存储器 8MB
64KB 高速缓存
…
64KB 高速缓存 系统总线
存储控制器
… 存储控制器
总线适配器 以太局域网
磁盘控制器
…
磁盘
磁盘
总线适配器 多总线
• 阵列处理机 分布存储 共享存储 流水线
• 向量处理机 并行向量机
计算机组成原理 第三章
1TB=230B
• 存取时间（存储的时间。
• 存储周期：是指连续启动两次读操作所需要间隔的最 小时间。 • 存储器的带宽（数据传输速率）：是单位时间里存储 器所存取的信息量。通常以位/秒或字节/秒来表示。
3.2 SRAM存储器
通常使用的半导体存储器分为随机存取存储器 （Random Access Memory，RAM）和只读存储器 （Read-Only Memory，ROM）。它们各自又有许多 不同的类型。
相连。
A15 A14
2:4 译码器
CPU
A0 A13
11 10 01 00 CE 16K×8
CE … 16K×8 WE
CE 16K×8
WE
CE 16K×8
WE
WE
WE
D0~D7 16K×8字扩展法组成64K×8 RAM
• 字位同时扩展：既增加存储单元的数量，也加长
各单元的位数
• 实际的存储器 往往 需要对字和位同时扩展，如
I/O1 ….. I/O4
WE 2114 CS A0 …. A9
CPU
A0 A9
WE 2114 CS A0 …. A9
A10 A11
wE
2:4 译 码 器
用16K×8位的芯片采用字扩展法组成64K×8位 的存储器连接图。 图中4个芯片的数据端与数据总线D0—D7相连， 地址总线低位地址A0—A13与各芯片的14位地址端相 连，而两位高位地址A14 ，A15 经译码器和4个片选端
CPU
A0
A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A 8 A9
A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9
A9 CS
假定使用8K×1的RAM存储器芯片，那么组成 8K×8位的存储器，每一片RAM是8192×1，故其地址
《计算机组成原理》课后习题答案
第1章计算机组成原理考试大纲第一章计算机体系结构和计算机组成冯。
诺伊曼体系的特点Amdahl定律第二章数制和数制转换各种码制的表示和转换浮点数的表示补码加减法布思算法浮点数的加减法海明码的计算练习：5，6，7，8，101、已知X=19，Y=35，用布思算法计算X×Y和X×(-Y)。
2、使用IEEE 754标准格式表示下列浮点数：-5，-1.5，1/16，-6，384，-1/32。
3、已知X=-0.1000101×2-111，Y=0.0001010×2-100。
试计算X+Y，X-Y，X×Y和X/Y。
4、某浮点数字长12位，其中阶符1位，阶码数值3位，尾符1位，尾数数值7位，阶码和尾数均用补码表示。
它所能表示的最大正数是多少？最小规格化正数是多少？绝对值最大的负数是多少？5、求有效信息位为01101110的海明码校验码。
第三章练习：5解释下列概念：PROM，EPROM，E2PROM，Flash memory，FPGA，SRAM和DRAM。
第四章总线的分类总线操作周期的四个传输阶段总线仲裁的概念及其分类异步通信方式的种类总线的最大传输率第五章存储器的分类存储容量的扩展RAID的概念、特点以及分类Cache的地址映射Cache的写策略Cache的性能分析3C练习：4，5，71．一个容量为16K×32位的存储器，其地址线和数据线的总和是多少?用下列存储芯片时，各需要多少片?1K×4位，2K×8位，4K×4位，16K×l位，4K×8位，8K×8位2．现有1024×l的存储芯片，若用它组成容量为16K×8的存储器。
(1)实现该存储器所需的芯片数量?(2)若将这些芯片分装在若干块板上，每块板的容量为4K×8，该存储器所需的地址线总数是多少?几位用于选片?几位用作片内地址?(3)画出各芯片的连接逻辑图。
计算机体系结构 习题与答案
第二章习题（P69-70）一、复习题1．简述冯∙诺依曼原理，冯∙诺依曼结构计算机包含哪几部分部件，其结构以何部件为中心？答：冯∙诺依曼理论的要点包括：指令像数据那样存放在存储器中，并可以像数据那样进行处理；指令格式使用二进制机器码表示；用程序存储控制方式工作。
这3条合称冯∙诺依曼原理冯∙诺依曼计算机由五大部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备，整个结构一般以运算器为中心，也可以以控制器为中心。
(P51-P54)2．简述计算机体系结构与组成、实现之间的关系。
答：计算机体系结构通常是指程序设计人员所见到的计算机系统的属性，是硬件子系统的结构概念及其功能特性。
计算机组成（computer organization）是依据计算机体系结构确定并且分配了硬件系统的概念结构和功能特性的基础上，设计计算机各部件的具体组成，它们之间的连接关系，实现机器指令级的各种功能和特性。
同时，为实现指令的控制功能，还需要设计相应的软件系统来构成一个完整的运算系统。
计算机实现，是计算机组成的物理实现, 就是把完成逻辑设计的计算机组成方案转换为真实的计算机。
计算机体系结构、计算机组成和计算机实现是三个不同的概念，各自有不同的含义，但是又有着密切的联系，而且随着时间和技术的进步，这些含意也会有所改变。
在某些情况下，有时也无须特意地去区分计算机体系结构和计算机组成的不同含义。
(P47-P48)3．根据指令系统结构划分，现代计算机包含哪两种主要的体系结构？答：根据指令系统结构划分，现代计算机主要包含：CISC和RISC两种结构。
(P55)4．简述RISC技术的特点？答：从指令系统结构上看，RISC 体系结构一般具有如下特点：(1) 精简指令系统。
可以通过对过去大量的机器语言程序进行指令使用频度的统计，来选取其中常用的基本指令，并根据对操作系统、高级语言和应用环境等的支持增设一些最常用的指令;(2) 减少指令系统可采用的寻址方式种类，一般限制在2或3种;(3) 在指令的功能、格式和编码设计上尽可能地简化和规整，让所有指令尽可能等长;(4) 单机器周期指令，即大多数的指令都可以在一个机器周期内完成，并且允许处理器在同一时间内执行一系列的指令。
计算机体系结构课后答案
计算机体系结构课后答案【篇一：计算机体系结构习题(含答案)】1、尾数用补码、小数表示，阶码用移码、整数表示，尾数字长p=6（不包括符号位），阶码字长q=6（不包括符号位），为数基值rm=16，阶码基值re=2。
对于规格化浮点数，用十进制表达式写出如下数据（对于前11项，还要写出16进值编码）。
（1）最大尾数（8）最小正数（2）最小正尾数（9）最大负数（3）最小尾数（10）最小负数（4）最大负尾数（11）浮点零（5）最大阶码（12）表数精度（6）最小阶码（13）表数效率（7）最大正数（14）能表示的规格化浮点数个数2．一台计算机系统要求浮点数的精度不低于10-7.2，表数范围正数不小于1038，且正、负数对称。
尾数用原码、纯小数表示，阶码用移码、整数表示。
(1) 设计这种浮点数的格式(2) 计算（1）所设计浮点数格式实际上能够表示的最大正数、最大负数、表数精度和表数效率。
3．某处理机要求浮点数在正数区的积累误差不大于2-p-1 ，其中，p是浮点数的尾数长度。
(1) 选择合适的舍入方法。
(2) 确定警戒位位数。
(3) 计算在正数区的误差范围。
4．假设有a和b两种不同类型的处理机，a处理机中的数据不带标志符，其指令字长和数据字长均为32位。
b处理机的数据带有标志符，每个数据的字长增加至36位，其中有4位是标志符，它的指令数由最多256条减少到不到64条。
如果每执行一条指令平均要访问两个操作数，每个存放在存储器中的操作数平均要被访问8次。
对于一个由1000条指令组成的程序，分别计算这个程序在a处理机和b处理机中所占用的存储空间大小（包括指令和数据），从中得到什么启发？5．一台模型机共有7条指令，各指令的使用频率分别为35%，25%，20%，10%，5%，3%和2%，有8个通用数据寄存器，2个变址寄存器。
(1) 要求操作码的平均长度最短，请设计操作码的编码，并计算所设计操作码的平均长度。
6．某处理机的指令字长为16位，有双地址指令、单地址指令和零地址指令3类，并假设每个地址字段的长度均为6位。
高性能计算机体系结构研究综述
高性能计算机体系结构研究综述引言随着计算机技术的不断发展，高性能计算机的应用范围越来越广泛。
高性能计算机是指能够提供高性能计算能力的计算机体系结构，主要用于进行复杂的科学计算、工程仿真等领域。
随着计算机应用场景的不断扩大，如何提高高性能计算机的计算能力和效率成为了计算机领域的核心问题。
本文综述了高性能计算机体系结构相关的研究进展和热点问题。
第一章高性能计算机体系结构概述高性能计算机体系结构是指计算机硬件系统的组成部分和相互连接方式。
高性能计算机与传统计算机系统的差别在于，高性能计算机使用了一种特殊的并行处理技术和高速通信技术。
高性能计算机主要由计算节点、存储节点、网络节点三个部分组成。
其中，计算节点用于执行计算任务，存储节点用于存储数据，网络节点用于实现节点之间的通信。
第二章并行计算体系结构并行计算体系结构是高性能计算机体系结构的重要组成部分，也是高性能计算机计算能力提高的核心。
并行计算体系结构主要有集中式共享存储架构、分布式存储架构、混合存储架构等。
其中，集中式共享存储架构具有计算能力强、资源利用率高等优点，是高性能计算机比较成熟的体系结构之一。
第三章高性能计算机并行计算模型高性能计算机并行计算模型是指对高性能计算机进行并行计算的理论模型和计算模型。
高性能计算机并行计算模型主要包括共享存储模型、分布式存储模型、混合存储模型等。
其中，共享存储模型是高性能计算机并行计算模型中的重要一种模型，具有良好的可扩展性和灵活性。
第四章高性能计算机芯片架构高性能计算机芯片架构是指高性能计算机中的处理器芯片架构。
高性能计算机芯片架构主要采用多核处理器的设计方式，如Intel的Xeon、AMD的Opteron、IBM的PowerPC等。
这些多核处理器的设计方式具有计算能力强、性能高等优点，可以提高高性能计算机的计算能力和效率。
第五章高性能计算机网络架构高性能计算机网络架构是指高性能计算机中节点之间的通信方式和通信协议。
计算机硬件体系结构
3.2 微型计算机主机结构
1) 计算机指令系统
指令：是指计算机执行特定操作的命令。是程 序设计的最小语言单位。
指令构成：操作码+地址码 指令系统：是指一台计算机所能执行的全部指 令的集合。不同型号的计算机有不同的指令系统。 它反映了计算机的处理能力。
指令
分 类
操作码
操作数
结构
操作码 要完成的操作类型或性质
5.双核心CPU的二级缓存 双核心CPU的二级缓存比较特殊，和以前的单 核心CPU相比，最重要的就是两个内核的缓存所保 存的数据要保持一致。
3.2 微型计算机主机结构
3.2.3 总线 总线：是一组连接各个部件的公共通信线路，是计 算机内部传输指令、数据和各种控制信息的高速通 道，是计算机硬件的一个重要组成部分。 总线按所传输信号不同可分为： 数据总线 地址总线 控制总线。
(1) 掩膜式 ROM(Mask ROM) (2) 可编程 PROM(Programmable ROM) (3) 可擦除 EPROM (Erasable PROM) (4) 电可擦 EEPROM(Electrically EPROM) (5) 快擦写 ROM(Flash ROM)
3.2 微型计算机主机结构
操作数 操作的内容或所在的地址
数据传送指令 数据处理指令 •程序控制指令 输入输出指令 其它指令
内存
CPU
＋ － ×÷ And Or……
If Goto……
主机
I/O设备
对计算机的硬件进行管理等
3.5 计算机指令及执行
2 )指令的执行过程
取指令 分析指令 取操作数 执行 回送结果
通常把CPU从内存 并中取出一条指令 并执行这条指令的 时间总和称为指令 周期。
计算机组成原理课后答案
计算机组成原理课后答案习题解答第一章思考题与习题1．什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件？硬件和软件哪个更重要？计算机系统是指计算机硬件、软件和数据通信设备的物理或逻辑的综合体。
硬件即指计算机的实体部分。
软件是由计算机运行所需的程序及相关文档硬件和软件在计算机系统中相互依存，缺一不可，因此同样重要4．如何理解计算机组成和计算机体系结构？计算机体系结构是指那些能够被程序员所见到的计算机系统的属性，即概念性的结构与功能特性，通常是指用机器语言编程的程序员所看到的传统机器的属性，包括指令集、数据类型、存储器寻址技术、I/O 机理等等计算机组成是指如何实现计算机体系结构所体现的属性，它包含了许多对程序员来说是透明的硬件细节。
5．冯·诺依曼计算机的特点是什么？(1) 计算机由运算器、存储器、控制器和输入设备、输出设备五大部件组成(2) 指令和数据以同等的地位存放于存储器内，并可以按地址寻访(3) 指令和数据均可以用二进制代码表示(4) 指令由操作码和地址码组成(5) 指令在存储器内按顺序存放。
(6) 机器以运算器为中心。
6．画出计算机硬件组成框图，说明各部件的作用及计算机硬件的主要技术指标。
硬件的主要技术指标：(1) 机器字长：指 CPU 一次能处理数据的位数，通常与 CPU 的寄存器位数有关(2) 存储容量：包括主存容量和辅存容量，存放二进制代码的总数＝存储单元个数×存储字长(3) 运算速度：主频、Gibson 法、MIPS 每秒执行百万条指令、CPI 执行一条指令所需时钟周期数、FLOPS 每秒浮点运算次数7．解释下列概念：主机、CPU、主存、存储单元、存储元件、存储基元、存储元、存储字、存储字长、存储容量、机器字长、指令字长。
主机——是计算机硬件的主体部分，由CPU+MM（主存或内存）组成；CPU——中央处理器，是计算机硬件的核心部件，由运算器+控制器组成；存储字长——存储器一次存取操作的最大位数；存储容量——存储器中可存二进制代码的总量；机器字长——CPU能同时处理的数据位数；等于处理器内部寄存器位数指令字长——一条指令包含的二进制代码位数；8．解释下列英文代号：CPU、PC、IR、CU、ALU、ACC、MQ、X、MAR、MDR、I/O、MIPS、CPI、FLOPS。
第3章--计算机体系结构
1.则中断级屏蔽位如何设置？ 2.假设在用户程序执行过程中同时出现1，2，3， 4四个中断请求，请画出程序运行过程示意图？
第3章作业2
假设系统有4个中断级，则中断响应次序是 1 2 3 4，如果中断处理次序是4 2 3 1
1.则中断级屏蔽位如何设置？ 2.假设在用户程序执行过程中同时出现1，2，3， 4四个中断请求，请画出程序运行过程示意图？
0
习题3-5
(1)当中断响应次序为1 2 3 4时，其中断处 理次序是？
(2)如果所有的中断处理都各需3个单位时间，中断 响应和中断返回时间相对中断处理时间少得多。 当机器正在运行用户程序时，同时发生第2、3级 中断请求，过两个单位时间后，又同时发生第1、 4级中断请求，请画出程序运行过程示意图?
中断级屏蔽位的设置
中断 处理 程序 级别 第1级 第2级 第3级 第4级 第5级 中断级屏蔽位
1级 1
0 0 0 0
2级 1
1 0 1 1
3级 1
1 1 1 1
4级 1
0 0 1 0
5级 1
0 0 1 1
具体执行 过程如图:
第3章作业1
假设系统有4个中断级，则中断响应次序是 1 2 3 4，如果中断处理次序是1 4 2 3
中断的响应次序和处理次序
中断的响应次序
中断的响应次序是同时发生多个不同中断类的中断 请求时，中断响应硬件中排队器所决定的响应次序 中断响应的次序是用硬件---排队器---来实现的。
排队器重的次序是由高到低固定死的。
中断处理次序：
中断的处理要由中断处理程序来完成，而中断处理 程序在执行前或执行中是可以被中断的，这样，中 断处理完的次序（简称中断处理次序）就可以不同 于中断响应次序。
计算机体系结构第三章-3(非线性流水线)
非线性流水线的竞争与调度
2、最优调度
为了避免冲突，就要对指令送入流水线的时间进行控制， 这就是流水线的无冲突调度。（4个步骤）
1）根据预约表写出禁止向量
禁止向量F是一个流水线中所有禁止启动距离构成的集合。 为了找出所有的禁止启动距离，必须考察各段的复用情况。
1
S1 …
2
3
4
5
6
7
8
9
√
√
方法：S1在1，9两个时段中使用，从第1时段到第9时段的距 离差值为8Δt（9Δt – 1Δt = 8Δt），显然这是一个禁止启动 距离。
T1
s1 s2 √ √ √
T2
T3
T4
T5
T6
T7
√
s3
s4
√
√
√
(1) 写出禁止向量，初始冲突向量，画出流水线调度的状态转移图。 (2) 求出流水线最优调度策略和最大吞吐率。
(3) 求出按最优调度策略连续输10个任务，流水线的实际吞吐率、 加速比、效率？
3.5 流水线的实现
3.5 流水线的实现
同样，若选择间隔7拍输入第2条指令，则新冲突向量为：
C4 SHR(7) (C0 ) C0 (00000001 ) (10110001 ) (10110001 ) C0
例子中，C1，C2，C3 继续后续指令的冲突向量计算。反复上述步骤，直 到不再产生新的冲突向量为止。
非线性流水线的竞争与调度
1
2 √
3 √
4
5
6
7
8 √
9
S1
S2 S3
√
√
√
S4
S5
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。
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 (/)
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。
计算机体系结构教案
计算机体系结构教案课程简介：计算机体系结构是计算机科学与技术专业的一门重要课程，主要介绍计算机系统的组成与运作原理，为学生提供计算机硬件和软件之间的桥梁。
本教案旨在帮助学生全面了解计算机体系结构的基本概念、原理和设计方法。
第一章：概述1.1 课程背景和目标计算机体系结构的定义和作用培养学生的技术素养和实践能力1.2 课程大纲课程目标、内容和安排概述1.3 教学方法讲授、实践和案例分析相结合第二章：计算机基本组成2.1 计算机硬件组成中央处理器（CPU）、内存、输入输出设备等主存储器和辅助存储器的区别和联系2.2 计算机软件组成操作系统、应用软件和编程语言第三章：指令集体系结构3.1 指令集架构的定义和分类精简指令集计算机（RISC）和复杂指令集计算机（CISC）的特点和差异3.2 指令执行流程取指、译码、执行和访存的过程和关系第四章：处理器设计与优化4.1 处理器的结构和功能控制单元和算术逻辑单元（ALU）的作用和组成4.2 处理器的时序和控制时序设计的基本原理和方法4.3 处理器性能优化流水线技术、分支预测和超标量技术的应用第五章：存储系统设计5.1 存储器层次结构高速缓存与主存储器的关系和作用5.2 存储器管理与虚拟存储页式存储和段式存储的差异和优缺点第六章：输入输出系统6.1 输入输出设备的分类和特点字符设备、块设备和网络设备的工作原理6.2 输入输出控制和驱动中断、DMA和PIO控制模式的异同比较第七章：总线与通信7.1 计算机总线的作用和分类地址总线、数据总线和控制总线的功能和特点7.2 核心总线协议PCI、USB和Ethernet等常见总线的协议与接口规范第八章：并行处理与分布式系统8.1 并行处理的方式共享存储器和消息传递的并行系统的设计与实现8.2 分布式系统的特点和应用底层硬件和通信机制对分布式系统性能的影响课程评估和学习资源：- 课堂作业和实验报告的完成情况- 期末考试成绩的评定- 阅读相关教材和学术论文的推荐结语：计算机体系结构是计算机科学与技术专业中的一门重要课程，理解和掌握其中的基本概念和原理对于学生今后的学习和工作具有重要意义。
高级计算机系统结构期末考试复习总结
第一章量化设计与分析根底1.计算机性能提升表现在哪些方面：半导体技术不断提高，如特征尺寸和时钟频率；计算机体系结构不断改良，如高级语言编译器、标准化的操作系统和指令更为简单的RISC 体系结构。
2.并行分类：1〕应用程序的并行分类：数据级并行(DLP)：同时操作多数据任务级并行(TLP)：创立了一些能够独立处理但大量采用并行方式执行的工作任务2〕硬件的体系结构：指令级并行(ILP)：在编译器帮助下。
利用流水线的思想开发数据级并行，利用推理执行的思想以中等水平开发数据集并行。
向量体系结构和图像处理单元(GPUs)：将单条指令并行应用于一个数据集，来到达数据集并行线程级并行：在紧耦合硬件模型中开发数据集并行或任务及并行，这种模型允许在线程之间进行交互。
请求级并行：在程序员或操作系统制定的大量去耦合任务之间开发并行3.Flynn’s分类是如何分类的？Flynn’s分类主要分为四类：1）单指令流、单数据流(SISD)：一条指令处理一个数据，可以利用指令级并行(ILP)2）单指令流、多数据流(SIMD)：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，主要应用于向量体系结构、多媒体扩展指令和图像处理单元(Graphics processor units) 3）多指令流、单数据流(MISD)：用多个指令作用于单个数据流，没有商业实现4）多指令流多数据流(MIMD)：每个处理器都提取自己的指令，对自己的数据进行操作，主要用于开发线程级并行TLP〔紧耦合MIMD〕和请求级并行RLP〔松耦合MIMD〕4.什么是“真正〞的计算机体系结构？1）满足目标和功能需求的组成和硬件；2）限制条件下最大化性能：本钱、功耗、可用性；3）包括指令集体系结构(ISA)，微体系结构，硬件5.计算题：可靠性的计算平均无故障时间：Mean time to failure (MTTF)，MTTF是故障率的倒数。
计算机体系结构中的并行计算
计算机体系结构中的并行计算计算机体系结构中的并行计算是指在计算机硬件和软件设计中，利用多个处理器或计算核心同时执行任务，以提高计算效率和性能。
并行计算在现代计算机科学和工程领域中发挥着重要的作用，尤其是在大数据处理、科学计算、人工智能等领域。
一、并行计算的基本概念并行计算的基本概念包括任务并行和数据并行。
任务并行是指将一个大任务划分成多个独立的小任务，并同时在多个处理器上执行。
数据并行是指将数据划分成多个部分，并在多个处理器上并行处理。
这两种并行计算方式可以相互结合，以充分利用计算资源，提高计算效率。
二、并行计算的优势1. 加速计算速度：通过同时执行多个任务或处理多个数据，可以大幅度提高计算速度，从而节省宝贵的时间。
2. 解决复杂问题：许多现实世界中的问题都非常复杂，需要大量计算才能得出解决方案。
并行计算可以将这些计算任务划分成多个子任务，通过多个处理器同时计算来解决复杂问题。
3. 提高可靠性：通过冗余计算和故障转移等机制，即使某些处理器或组件发生故障，仍然可以继续执行任务，提高系统的可靠性和稳定性。
三、并行计算的应用领域1. 科学计算：在科学和工程领域中，许多计算任务需要处理大规模的数据集和复杂的算法。
并行计算可以极大地提高计算速度，推进科学研究的进展。
2. 大数据处理：随着互联网和物联网的快速发展，海量数据的处理成为一项重要任务。
并行计算的分布式处理能力，可以高效处理和分析大规模数据集。
3. 图像和视频处理：图像和视频处理通常需要高度并行的计算，以实时处理和呈现视觉信息。
并行计算在图像识别、视频编码等方面具有广泛应用。
4. 人工智能：人工智能领域的深度学习和神经网络等算法需要大量计算资源进行训练和推理。
并行计算能够加速机器学习过程，提高智能系统的性能。
四、并行计算的挑战与发展趋势1. 并行算法设计：设计高效的并行算法是并行计算的关键。
需要考虑任务划分、通信开销、负载均衡等问题，以充分发挥并行计算的优势。
计算机体系结构第三章答案
第三章答案三、流水线技术（80空）1、对阶尾数相加2、求阶差规格化3、时间流水线的各段4、尽量相等流水线的瓶颈5、通过时间大量重复的时序输入端能连续地提供任务6、静态动态7、部件级处理机级8、标量流水处理机向量流水处理机9、线性流水线非线性流水线10、执行/有效地址计算周期存储器访问/分支完成周期11、译码读寄存器12、ALUoutput←A op B ALUoutput←NPC + Imm13、分支 STORE指令14、ALU指令 LOAD指令15、单周期多周期16、重复设置指令执行功能部件流水17、吞吐率等功能非流水线18、通过时间排空时间19、流水线寄存器的延迟时钟扭曲20、数据相关控制相关21、结构相关数据相关22、结构数据23、硬件开销功能单元的延迟24、写后读读后写写后读25、写后读读后写26、PC值改变为分支转移的目标地址 PC值保持正常（等于当前值加4）27、目标地址分支转移条件不成立28、8 存储器29、多功能线性 830、水平处理方式垂直处理方式31、纵向处理方式纵横处理方式32、存储器向量寄存器33、访问存储器的次数对存储器带宽的要求34、每秒执行多少指令（MIPS）每秒取得多少个浮点运算结果（MFLOPS）35、512 836、链接技术向量循环或分段开采技术37、源向量结果向量38、向量功能部件标量寄存器向量寄存器块39、向量寄存器向量功能部件3.1 流水线的基本概念1、流水线：将一个重复的时序过程，分解为若干个子过程，而每一个子过程都可有效地在其专用功能段上与其他子过程同时执行。
2、单功能流水线：只能完成一种固定功能的流水线。
3、多功能流水线：流水线的各段可以进行不同的连接，从而使流水线在不同的时间，或者在同一时间完成不同的功能。
4、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。
5、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。
计算机体系结构知识点汇总
第一章电脑体系结构的基本概念1.电脑系统结构的经典定义程序员所看到的电脑属性，即概念性结构与功能特性。
〔电脑组成：指电脑系统结构的逻辑实现。
电脑实现：电脑组成的物理实现〕2.电脑系统的多级层次结构：1.虚拟机：应用语言机器->高级语言机器->汇编语言机器->操作系统机器2.物理机：传统机器语言机器->微程序机器3.透明性：在电脑技术中，把这种本来存在的事物或属性，但从某种角度看又好似不存在的概念称为透明性。
4.编译：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5.解释：对于高一级机器上的程序中的每一条语句或指令，都转去执行低一级机器上的一段等效程序。
6.常见的电脑系统结构分类法有两种：Flynn分类法、冯氏分类法〔按系统并行度P m:计算机系统在单位时间内能处理的最大二进制位数〕进行分类。
Flynn分类法把电脑系统的结构分为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)IS指令流，DS数据流，CS〔控制流〕，CU〔控制部件〕，PU〔处理部件〕，MM，SM〔表示存储器〕7.电脑设计的定量原理：1.大概率事件优先原理〔分配更多资源，到达更高性能〕2.Amdahl定理：加速比：S n=T0(加速前）T n（加速后）=1(1−Fe)+Fe/Se(Fe为可改良比例〔可改良部分的执行时间/总的执行时间〕，Se为部件加速比〔改良前/改良后〕3.程序的局部性原理：时间局部性：程序即将使用的信息很可能是目前使用的信息。
空间局部性：即将用到的信息可能与目前用到的信息在空间上相邻或相近。
4.CPU性能公式：1.时钟周期时间2.CPI：CPI = 执行程序所需的时钟周期数／IC3.IC(程序所执行的指令条数)8.并行性：电脑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。
同时性：两个或两个以上的事件在同一时刻发生。
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采用先行控制方式时一个程序的执行情况：
指令地址 指令执行情况
……
已经执行完成的指令
k-i-1
k-i ……
在后行写数栈中等待把结果写到主存储器中的指令
k-1
k
正在指令执行部件中执行的指令
k+1 ……
已经由指令分析器预处理完成，存放在先行操作栈中的
k+j
RR*型指令，指令所需要的操作数已经读到先行读数栈中
5.存在的主要问题： 各类指令“分析”和“执行”的时间相差很大 数据相关 转移或转子程序指令
先行指令缓冲栈的组成
存
先行程序计数器PC1
储
控
指令缓冲
存储器堆
制
器 控制逻辑
现行程序计数器PC 指令分析器
指令寄存器IR
指令执行时序 设置了指令缓冲栈，取指令的时间就可以忽略不计。 一条指令的执行可分为2个过程
功能部件的利用率明显提高。
主要缺点：
需要增加一些硬件，
控制过程稍复杂。
3.二次重叠执行方式 如果三个过程的时间相等，执行n条指令的时间为：
T＝(2＋n）t 在理想情况下，处理机中同时有三条指令在执行。 处理机的结构要作比较大的改变，需要采用先行控制
技术。
取 指 令 k
分 析 k
执 行 k
取 指 令 k+1 分 析 k+1
1.分析指令和执行指令时间不相等时的情况
分 析k
执 行k 分 析k+1
执 行k+1 分 析k+2 执 行k+2
分 析k+3
执 行k+3
采用先行缓冲栈的指令执行过程 先行读数栈,先行操作栈,后行写数栈。
分 析k
执 行k
分 析k+1 执 行k+1
分 析k+2
执 行k+2
分 析k+3
执 行k+3
理想情况下，指令执行部件应该一直忙碌。 连续执行n条指令的时间为：
行写数栈。 3.处理机组成
主
存
存
储
储
控
器
制
器
先行指令缓冲栈 先行读数栈 后行写数栈
指令分析器
先行操作栈
通
用
运算控制器
寄
存
运算器
器
4.先行指令缓冲栈的组成 作用：只要指令缓冲栈没有充满，就自动发出取指令
的请求。 设置两个程序计数器： 先行程序计数器PC1，用来指示取指令， 现行程序计数器PC，记录指令分析器正在分析的指令 地址。
(3)采用先行控制技术 采用先行控制技术的关键是缓冲技术和预处理技术。
缓冲技术通常用在工作速度不固定的两个功能部件之 间。设置缓冲栈的目的是用以平滑功能部件之间的 工作速度。
在采用了缓冲技术和预处理技术之后，运算器能够专 心于数据的运算，从而大幅度提高程序的执行速度。
先行处理机结构
1.三个独立的控制器： 存储控制器、指令控制器、运算控制器。 2.四个缓冲栈： 先行指令缓冲栈、先行读数缓冲栈、先行操作栈、后
组成。
先行读数栈 处于主存储器与运算器之间 平滑运算器与主存储器的工作 每个缓冲寄存器由地址寄存器、操作数寄存器和标志
三部分组成。也可以把地址寄存器和操作数寄存器 合为一个。 当收到从指令分析器中送来的有效地址时，就向主存 申请读操作数。 读出的操作数存放在操作数寄存器中或覆盖掉地址寄 存器中的地址。
k+j+n+m+1 还 没 有 进 入 处 理 机 的 指 令 ……
缓冲深度的设计方法
以静态分析为主，通过模拟来确定缓冲深度。
1.先行指令缓冲栈的设计
考虑两种极端情况：假设缓冲深度为DI (1)先行指令缓冲栈已经充满
指令流出的速度最快，例如连续分析RR型指令，设这 种指令序列的最大长度为L1，平均分析一条这种指 令的时间为t1；
数栈的寄存器编号替换指令中的主存地址码部分， 形成RR*指令送先行缓冲栈
RI型指令，指令中的立即数送先行读数栈，用该先行 读数栈的寄存器编号替换指令中的立即数部分，形 成RR*指令送先行缓冲栈
转移指令，一般在指令分析器中直接执行。 先行操作栈 处于指令分析器和运算控制器之间 使指令分析器和运算器能够各自独立工作。 采用先进先出方式工作，由指令寄存器堆和控制逻辑
n
n
t t t T 先行 分1 析
执i行
执i行
i 1
i 1
先行缓冲栈
设置先行缓冲栈的目的：使指令分析器和指令执行部 件能够独立工作。
1.先行指令缓冲栈： 处于主存储器与指令分析器之间 用它来平滑主存储器取指令和指令分析器使用指令之
间的速度差异 RR型指令，不必处理，直接送先行缓冲栈 RS型指令，主存有效地址送先行读数栈，用该先行读
2.解决访存冲突的方法： (1)采用低位交叉存取方式：
这种方法不能根本解决冲突问题。 读指令、读操作数、写结果。 (2)两个独立的存储器：独立的指令存储器和数据存 储器。 如果再规定，执行指令的执行结果只写到通用寄存器， 则取指令、分析指令和执行指令就可以同时进行。 在许多高性能处理机中，有独立的指令Cache和数据 Cache。这种结构被称为哈佛结构。
并行计算机体系结构第三章
2.一次重叠执行方式 如果两个过程的时间相等，则执行n条指令的时间为：
T＝(1+2n)t
取 指 令 k 分 析 k 执 行 k
取 指 令 k + 1分 析 k + 1执 行 k + 1
主要优点：
取 指 令 分 析 k + 2执 行 k + 2 k + 2
指令的执行时间缩短，
取 指 令 k+2
执 行 k+1 分 析 k+2
执 行 k+2
二 次 重 叠 执 行 方 式
先行控制方式的原理
1.采用二次重叠执行方式必须解决两个问题： (1)有独立的取指令部件、指令分析部件和指令执行
部件 把一个集中的指令控制器，分解成三个独立的控制 器： 存储控制器、指令控制器、运算控制器 (2)要解决访问主存储器的冲突问题 取指令、分析指令、执行指令都可能要访问存储器
后行写数栈 每个后行缓冲寄存器由地址寄存器、数据寄存器和标
志三部分组成。 指令分析器遇到向主存写结果的指令时，把形成的有
效地址送入后行写数栈的地址寄存器中，并用该地 址寄存器的编号替换指令的目的地址部分，形成RR* 指令送入先行操作栈。 当运算器执行这条RR*型写数指令时， 只要把写到主存的数据送到后行写数栈的数据寄存器 中即可。
k+j+1 …… k+j+n
已 经 由 指 令 分 析 器 预 处 理 完 成 ，存 放 在 先 行 操 作 栈 中 ，指 令所需要的操作数还没有读到先行读数栈中
k+j+n+1 正 在 指 令 分 析 器 中 进 行 分 析 和 预 处 理 的 指 令
k+j+n+2 …… k+j+n+m
已经从主存储器中预取到先行指令缓冲栈中的指令