高级计算机系统结构第三章
第三章 计算机网络体系结构ppt课件
图1 OSI参考模型
最顶层
最底层
.
应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层
(A)
(P) (S) (T) (N)
(DL) (PH)
通信子网
.
OSI中数据流动过程
用户看到的据流向
向实 际 数 据 流
向实 际 数 据 流
实际数据流向
.
2.3 OSI-RM 各层主要功能概述
1、物理层
2.1 网络体系结构及协议概念
2.1.1 网络体系结构的概念
计算机网络体系结构与网络协议是计算机网络技术 中的关键。
计算机网络的实现需要解决很多复杂的技术问题。 例如:①支持多种通信介质;②支持多厂商和异种机互 联,其中包括软件的通信规定及硬件接口的规范;③支 持多种业务,如远程登录、数据库、分布式计算等;④ 支持高级人机接口。
服务数据单元是指(N)实体为完成(N) 服务用户请求的功能所设置的数据单元
.
2.4.3 、服务原语: 在OSI-RM中,上层使用下层的服务,必须通过下
层交换一些命令,这些命令称为服务原语。
请求:用户要求服务做某项工作
服务原语
指示:用户被告知某事件发生了 响应:用户表示对某事件的响应
确认:用户实体收到关于它的请求答复
● 数据链路层协议分为两类:
● 面向字符型的主要特点是利用已定义好的一组 控制字符完成数据链路控制功能。
● 面向比特型的数据链路层,其规程传送信息的单 位称为帧。帧分为控制帧和信息帧。
.
1、数据链路层的功能
传输链路 传输链路是用于传输数据的通信信道,由双绞线、
光纤、 同轴电缆、微波、卫星通信等构成。 信道分为链路与通路两种:
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)
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。
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。
计算机网络技术 第三章 计算机网络体系结构及协议
第三章 计算机网络体系结构及协议
3)常见的流量控制方案有:XON/XOFF方案和窗口机制。 ①XON/XOFF方案使用一对控制字符来实现流量控制,当接收方过载时, 可向发送方发送字符XOFF(DC3)暂停,待接收方处理完数据后,再向发送方发送 字符XON(DC1),使之恢复发送数据; ②窗口机制:其本质是在收到一个确定帧之前,对发送方可发送帧的数目加 以限制,这是由发送方调整保留在重发表中的待确认帧来实现的,如接收方来不及 处理,则接收方停止发送确认信息,发送表的重发表就增长,当达到重发表的限度 时,发送方就不再发送新帧直到收到确认信息为止。 发送窗口和接收窗口的大小可以不同,但接收窗口的尺寸不能大于发送窗口, 发送方和接收方的窗口尺寸不得大于信号范围的一半。发送窗口指发送方已发送但 尚未确认的帧序号队列的界,上下界分别称上下沿,上沿、下沿的间距称为窗口尺 寸。发送方每发一帧,待确认帧的数目加1,收到一个确认帧时,待确认帧的数目减 1.当重发表的计数值(待确认帧的数目)等于发送窗口尺寸时,停止发送新帧。 以滑动窗口的观点来统一看待空闲的RQ、Go-Back-N和选择重发,则①空闲 RQ:发送窗口=1,接收窗口=1;②Go-Back-N:发送窗口>1,接收窗口=1;③选择 重发:发送窗口>1,接收窗口>1.
第三章 计算机网络体系结构及协议
七、发送进程发送给接收进程中的数据, 实际上是经过发送方各层从上到下传送 到物理媒体,通过物理媒体传输到接收 方后,再经过从下到上各层的传递,最 后到达接收进程。
第三章 计算机网络体系结构及协议
八、物理层的传输单位是比特,它是指 在物理媒体之上为数据链路层提供一个 原始比特流的物理连接,它不是指具体 的物理设备,也不是指信号传输的物理 媒体,物理层的1建议是于1976年制定的DTE 如何与数字化的DCE交换信号的数字接 口标准。机械特性:采用15芯标准连接 器,定义了八条接口线;电气特性:类 似于RS-422的平衡接口;功能特性:按 同步传输的全双工或半双工方式运行。
吉林大学计算机系统结构题库第三章
第三章流水线技术知识点汇总先行控制、流水线、单功能流水线、多功能流水线、静态流水线、动态流水线、部件级流水线、处理机级流水线、处理机间流水线、线性流水线、非线性流水线、顺序流水线、乱序流水线、时空图、流水线性能评价(吞吐率、加速比、效率)、解决流水线瓶颈问题方法、相关(数据相关、名相关、控制相关)、换名技术、流水线冲突(结构冲突、数据冲突、控制冲突)、流水线互锁机制、定向技术、指令调度、预测分支失败、预测分支成功、延迟分支(从前调度、从失败处调度、从成功处调度)、流水寄存器、3种向量处理方式(横向、纵向、纵横)、链接技术。
简答题1.流水技术有哪些特点?(答出4个即可)(知识点:流水线)答:1.将处理过程分解为若干子过程,由专门的功能部件来实现,2各段的时间尽可能相等,3各部件间都有一个缓冲寄存器,4适用于大量重复的时序过程,5需要通过时间和排空时间。
2.什么是静态流水线?什么是动态流水线?(知识点:静态流水线、动态流水线)答:同一时间段内,多功能流水线中的各段只能按同一种功能的连接方式工作;同一时间段内,多功能流水线中的各段可以按照不同的方式连接同时执行多种功能。
3.什么是单功能流水线?什么是多功能流水线?(知识点:单功能流水线、多功能流水线)答:只能完成一种固定功能的流水线。
流水线的各段可以进行不同的连接,以实现不同的功能。
4.什么是线性流水线?什么是非线性流水线?(知识点:线性流水线、非线性流水线)答:流水线的各段串行连接,没有反馈回路。
流水线中除了有串行的连接外,还有反馈回路。
5.列举3种相关。
(知识点:相关)答:数据相关,名相关,控制相关。
6.流水线中有哪三种冲突?各是什么原因造成的?(知识点:流水线冲突)答:结构冲突,硬件资源满足不了指令重叠执行的要求;数据冲突,指令在流水线中重叠执行时需要用到前面指令的执行结果;控制冲突,流水线遇到分支指令和其他会改变PC值的指令。
7.选择至少2种解决流水线结构冲突的方法简述。
计算机体系结构精选ppt
• 于是,计算机又被看成是由主机和外设两 大部分组成。但无论怎样划分,计算机的5大 部件始终是相对独立的子系统,缺一不可。
3.1.2 计算机硬件的典型结构
• 计算机系统的硬件结构包括各种形式的总线结构和通 道结构,它们是各种大、中、小、微型计算机的典型 结构体系。
第三章 计算机体系结构
• 硬件和软件是学习计算机知识经常遇到的术语。 硬件是指计算机系统中实际设备的总称。它可
以是电子的、电的、磁的、机械的、光的元件
或设备,或由它们组成的计算机部件或整个计 算机硬件系统。
• 计算机系统包括大型机、中小型机以及微机等 多种结构形式,其硬件主要包括: 运算器、控 制器、存储器、输入设备和输出设备等部件。
息的通路叫输入/输出总线(I/O总线),各种I/O设备通过
I/O接口连接在I/O总线上。
这种结构的优点是控
制线路简单,对I/O
总线的传输速率相对
地可降低一些要求。
缺点是I/O设备与主
存储器之间交换信息
一律要经过CPU,将
耗费CPU大量时间,
降低了CPU的工作效
率。
3.小型机的总线型结构
(3)以存储器为中心的双总线结构
备之间均可以通过系统总线交换信息。
备与主存储器交换信息时,
CPU还可以继续处理默认的不
需要访问主存储器或I/O设备
的工作。缺点是同一时刻只允
许连接到单总线上的某一对设
备之间相互传递信息,限制了
信息传送的吞吐量(或称速率)。
此外,单总线控制逻辑比专用
的存储总线控制逻辑更为复杂,
计算机系统结构
加速比可以表示如下:
Ws + G(n)Wp S = * = * Ws +Wp / n Ws + G(n)Wp / n
* n * s * p
W +W
其中:
在单个处理机上顺序执行的工作负载与问题的规模 或系统的规模无关,即:
Ws = Ws' = W
* s
而G(n)反映的是存储容量增加n倍时并行工作负载增 加的倍数。
增大问题规模的办法使所有处理机保持忙碌状态,在问题扩大到 与可用的计算能力匹配时,程序中的顺序部分就不再是瓶颈了。 当处理器数目n=1024,加速比Sn随α变化的情况如下:
S1024' = n −α(n −1 =1024 −1023 ) α
Sn’
1100
1050
1024
1000
1014 1004
993 983
W +W s p Sn = W +W / n s p
设串行因子α为串行部分所占的比例。即
W s W p α= 或 −α = 1 W +W s p W +W s p
代入即得Amdahl’law:
W +W s p 1 W +W s p ∴Sn = = W s W /n p α + (1−α) / n + W +W s p W +W s p
2.1.3 三种加速比性能模型
1.固定负载加速比性能模型—Amdahl定律
在许多实时应用领域,计算负载的大小常固 定。在并行机中,此负载可分布至多台并行执行, 获得的加速比称为fixed-load speedup。一个问题的 负载可表示如下: W = Ws + Wp 其中,Ws代表问题中不可并行化的串行部分负载, Wp表示可并行化的部分负载。 则n个节点情况下,加速比可以表示如下:
第三章_计算机网络体系结构要点
源进程传送消息到目 标进程的过程: 消息送到源系统的 最高层; 从最高层开始,自 上而下逐层封装; 经物理线路传输到 目标系统; 目标系统将收到的 信息自下而上逐层 处理并拆封; 由最高层将消息提 交给目标进程。
源进程 消息
逻辑通信
目标进程 消息
N+1 N N-1
Pn+1
Pn Pn-1
第三章 计算机网络体系结构
本章学习要点:
网络体系结构与协议的概念
OSI参考模型
TCP/IP参考模型 OSI与TCP/IP两种模型的比较
3.1 网络体系结构与协议的概念
3.1.1 什么是网络体系结构
计算机网络体系结构是指整个网络系统的 逻辑组成和功能分配,它定义和描述了一 组用于计算机及其通信设施之间互连的标 准和规范的集合。 也就是说:为了完成计算机间的通信合作, 把计算机互连的功能划分成有明确定义的 层次,规定了同层次实体通信的协议及相 邻层之间的接口服务。网络体系结构就是 这些同层次实体通信的协议及相邻层接口 的统称,即层和协议的集合。
3.1.2 什么是网络协议 从最根本的角度上讲,协议就是规则。 网络协议,就是为进行网络中的数据交 换而建立的规则、标准或约定。连网的 计算机以及网络设备之间要进行数据与 控制信息的成功传递就必须共同遵守网 络协议。
网络协议主要由以下三要素组成: 语法 语法是以二进制形式表示的命令和相应的结 构,确定协议元素的格式(规定数据与控制 信息的结构和格式)如何讲 语义 语义是由发出请求、完成的动作和返回的响 应组成的集合,确定协议元素的类型,即规 定通信双方要发出何种控制信息、完成何种 动作以及做出何种应答 。讲什么 交换规则 交换规则规定事件实现顺序的详细说明,即 确定通信状态的变化和过程, 。应答关系
计算机系统结构-第三章(习题解答)
计算机系统结构-第三章(习题解答)1. 什么是存储系统?对于一个由两个存储器M 1和M 2构成的存储系统,假设M1的命中率为h ,两个存储器的存储容量分别为s 1和s 2,存取时间分别为t 1和t 2,每千字节的成本分别为c 1和c 2。
⑴ 在什么条件下,整个存储系统的每千字节平均成本会接近于c 2? ⑵ 该存储系统的等效存取时间t a 是多少?⑶ 假设两层存储器的速度比r=t 2/t 1,并令e=t 1/t a 为存储系统的访问效率。
试以r 和命中率h 来表示访问效率e 。
⑷ 如果r=100,为使访问效率e>0.95,要求命中率h 是多少?⑸ 对于⑷中的命中率实际上很难达到,假设实际的命中率只能达到0.96。
现在采用一种缓冲技术来解决这个问题。
当访问M 1不命中时,把包括被访问数据在内的一个数据块都从M 2取到M 1中,并假设被取到M 1中的每个数据平均可以被重复访问5次。
请设计缓冲深度(即每次从M 2取到M 1中的数据块的大小)。
答:⑴ 整个存储系统的每千字节平均成本为:12s 1s 2c 2s 1s 1c 2s 1s 2s 2c 1s 1c c ++⨯=+⨯+⨯=不难看出:当s1/s2非常小的时候,上式的值约等于c2。
即:s2>>s1时,整个存储器系统的每千字节平均成本会接近于c2。
⑵ 存储系统的等效存取时间t a 为:2t )h 1(1t h t a ⨯-+⨯=⑶r)h 1(h 1t )h 1(t h t t t e 211a 1⨯-+=⨯-+⨯==⑷ 将数值代入上式可以算得:h>99.95% ⑸通过缓冲的方法,我们需要将命中率从0.96提高到0.9995。
假设对存储器的访问次数为5,缓冲块的大小为m 。
那么,不命中率减小到原来的1/5m ,列出等式有:m596.0119995.0--= 解这个方程得:m=16,即要达到⑷中的访问效率,缓冲的深度应该至少是16(个数据单位)。
计算机系统结构(必过版)
4、 虚拟存储器的工作原理、地址空间、种类 原理:把主存储器、磁盘存储器和虚拟存储器都划分成固定大小的页,主存储器的页称 为实页,虚拟存储器中的页称为虚页,把虚拟地址空间映射到主存地址空间 三种地址空间:虚拟地址空间、主存储器地址空间、辅存地址空间 三种虚拟存储器:页式虚拟存储器、段式虚拟存储器、段页式虚拟存储器 5、 段式虚拟存储器与页式虚拟存储器的优缺点 地址映象方法:每个程序段都从 0 地址开始编址,长度可长可短,可以在程序执行过程
对于写回法: 大多数操作只需要写 Cache,不需要写主存; 当发生块失效时,可能要写一个块到主存; 即使是读操作,也可能要写一个块到主存。 对于写直达法: 每次写操作,必须写、且只写一个字到主存。 实际上: 写直达法的写次数很多、每次只写一个字; 写回法是的写次数很少、每次要写一个块。 (3) 控制的复杂性, 写直达法比写回法简单。 对于写回法: 要为每块设置一个修改位,而且要对修改位进行管理; 为了保证 Cache 的正确性,通常要采用比较复杂的校验方式或校正方式。 对于写直达法: 不需要设置修改位; 只需要采用简单的奇偶校验即可。由于 Cache 始终是主存的副本,Cache 一 旦有错误可以从主存得到纠正。 (4) 硬件实现的代价, 写回法要比写直达法好。 对于写直达法: 为了缩短写 Cache 流水段的时间,通常要设置一个小容量的高速寄存器堆 (后行写数缓冲站) , 每个存储单元要有数据、 地址和控制状态等 3 部分组成。 每次写主存时,首先把写主存的数据和地址写到高速寄存器堆中。 每次读主存时,要首先判断所读数据是否在这个高速寄存器堆中。 写回法不需要设置高速缓冲寄存器堆。 13、预取算法有如下几种: (1) 按需取。当出现 Cache 不命中时,才把需要的一个块取到 Cache 中。 (2) 恒预取。无论 Cache 是否命中,都把下一块取到 Cache 中。 (3) 不命中预取。当出现 Cache 不命中,把本块和下一块都取到 Cache 中。 14、解决 Cache 与主存不一致的主要方法: (1) 共享 Cache 法。能根本解决 Cache 不一致,共享 Cache 可能成为访问的瓶颈,硬件 复杂 (2) 作废法。当某一处理机写局部 Cache 时,同时作废其他处理机的局部 Cache。 (3) 播写法。把写 Cache 的内容和地址放到公共总线上,各局部 Cache 随时监听公共总 线 (4) 目录表法。在目录表中存放 Cache 一致性的全部信息。 (5) 禁止共享信息放在局部 Cache 中。Cache 对系统程序员不透明。
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。
计算机系统结构(第2版(课后习题答案
word文档下载后可自由复制编辑你计算机系统结构清华第2版习题解答word文档下载后可自由复制编辑1 目录1.1 第一章(P33)1.7-1.9(透明性概念),1.12-1.18(Amdahl定律),1.19、1.21、1.24(CPI/MIPS)1.2 第二章(P124)2.3、2.5、2.6(浮点数性能),2.13、2.15(指令编码)1.3 第三章(P202)3.3(存储层次性能),3.5(并行主存系统),3.15-3.15加1题(堆栈模拟),3.19中(3)(4)(6)(8)问(地址映象/替换算法--实存状况图)word文档下载后可自由复制编辑1.4 第四章(P250)4.5(中断屏蔽字表/中断过程示意图),4.8(通道流量计算/通道时间图)1.5 第五章(P343)5.9(流水线性能/时空图),5.15(2种调度算法)1.6 第六章(P391)6.6(向量流水时间计算),6.10(Amdahl定律/MFLOPS)1.7 第七章(P446)7.3、7.29(互连函数计算),7.6-7.14(互连网性质),7.4、7.5、7.26(多级网寻径算法),7.27(寻径/选播算法)word文档下载后可自由复制编辑1.8 第八章(P498)8.12(SISD/SIMD算法)1.9 第九章(P562)9.18(SISD/多功能部件/SIMD/MIMD算法)(注:每章可选1-2个主要知识点,每个知识点可只选1题。
有下划线者为推荐的主要知识点。
)word 文档 下载后可自由复制编辑2 例, 习题2.1 第一章(P33)例1.1,p10假设将某系统的某一部件的处理速度加快到10倍,但该部件的原处理时间仅为整个运行时间的40%,则采用加快措施后能使整个系统的性能提高多少?解:由题意可知:Fe=0.4, Se=10,根据Amdahl 定律SeFe Fe T To S n n +-==)1(1 56.164.01104.06.01≈=+=n Sword 文档 下载后可自由复制编辑例1.2,p10采用哪种实现技术来求浮点数平方根FPSQR 的操作对系统的性能影响较大。
计算机系统结构第3章习题处理
作业: 1. 专用总线 数据宽度 中断分类 中断分级 中断响应次序 5. 6. 9. 10.
数据宽度 中断处理次序 通道极限流量
fmax.byte≥ fbyte
而在字节多路通道上,设备对通道要求的流量应是 所挂全部设备的速率之和。如果字节多路通道上所 挂设备台数为m,设备的速率fi实际就是设备发出字 节传送请求的间隔时间的倒数,m台相同速率的设备 其速率之和为mfi,这样,为不丢失信息,就应该满 足: 1/(Ts+Td) ≥ mfi 于是可求得在字节多路通道上所挂接的设备台数m应 满足: m≤1/(Ts+Td)·i f
根据题目所给出的各台设备每发一个字节数据传 送请求的间隔时间,可得各台设备的速率如下:
设备
A
B
C
D
E
F
设备速率fi(B/µ 1/0.2 1/0.25 1/0.5 1/0.19 1/0.4 1/0.21 s)
这样,能满足上述fi不等式要求的,只能是挂B、 C、E、F这4台设备,A和D因为超过了fmax.select , 所以不能挂。
(2)
中断请求 2 1 3 4 用户程序 1
中断处理程序 2 3 4
t
2.如果通道在数据传送期中选择设备需要9.8µ s,传 送一个字节需要0.2µ s,某低速设备每隔500µ s发 出一个字节数据传送请求,问至多可以接几台这 种低速设备?对于如下A至F这6种设备,一次通 信传送的字节数不少于1024个字节,问哪些可以 挂在此通道上?哪些不能?其中A至F设备每发一 个字节数据传送请求的时间间隔分别为:
了。这就是说,选择通道在宏观上要不丢失设备的 信息,就要限制在通道上所挂设备的速率不能超过 一个限值。 【解答】在字节多路通道方式工作时,限指所挂设 备的台数应为: m≤1/(Ts+Td)·i =500µ f s/(9.8+0.2)µ s=50台 在选择通道方式工作时,通道的极限流量为: fmax.select =1/(Ts /n+Td)≥1B/(9.8µs/n+0.2µs) 其中,n≥1024个字节。所以,限制通道上所挂的 设备速率fi ≤1/(9.8/n+0.2)B/µs才行。
3章 加速比
m
平均并行性 A
t
t1
t2
图 3-1 并行性分布图
5.处理机数与时间积 处理机数目 P 与处理时间 Tp 的乘积用以度量这些处理机运行时的工作量 W。 若一程序在P 台处理机上运行的时间为 Tp,则此 P 台处理机在 Tp 时间间隔内完成的工
作最大数量为 Tp * P。(在 Tp 时间内处理机数是可变的,但不会超过 P。) 6.平均并行性 A 完成的工作量总量 W 与所用时间之比。
W=ΔwΣPi*ti i=1~m
m:最大并行性
第三章-1
高等计算机系统结构
Δw:单台处理机的处理能力
Pi:并行度 ti:DOP=Pi 的时间总和
A=W/Σti
7.效率 处理机实际工作曲线对时间的积分是这些处理机完成的有效工作量。 效率为有效工作量与最大工作量之比。
3.1.2 加速比
1.加速比
在单机方式中,流水线方式相对于非流水线顺序串行方式速度提高的比值称加速比(Sp)。
fefpsqr10wpwswpwpwswswpwswpwpwswswpwswpwssnsnen任务的时间采用改进措施后执行某行某任务的时间没有采用改进措施前执性能没有采用改进措施前的采用改进措施后的性能加速比sefefe高等计算机系统结构第三章4fefp3固定问题规模的图形表示amdahl定律又称为固定规模加速比模型问题的规模不随处理机变化而变化
第三章-3
高等计算机系统结构
操作的速度加快到 10 倍。另一种方法是使所有浮点数据指令的速度加快,使 FP 指令的速度 加快到 2 倍,还假设 FP 指令占整个执行时间的 50%。请比较这两种设计方案。
解:Fe_FPSQR = 0.2,Se_FPSQR = 10, Fe_FP = 0.5,Se_FP = 2,
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。
计算机系统结构第三章自考练习题答案
第三章总线、中断与输入输出系统历年真题精选1. 通道程序执行结束后引发的中断是( B )。
A. 外中断B. I/O中断C. 程序性中断D. 机械校验中断2.磁盘外部设备适合于连接到( B )。
A. 字节多路通道B. 数组多路通道或选择通道C. 选择通道或字节多路通道D. 数组多路通道或字节多路通道3. 总线控制机构为解决N个部件利用总线时优先顺序的裁决,集中式按时查询,需外加控制线线数为( D )。
N]A.3 B. N+2 C. 2N+1 D. 2+[log24. 虽然中断响应顺序由硬件排队器固定好,但中断实际处置完的顺序是可以通过(系统软件)修改各中断级处置程序的(中断屏蔽)位,而动态改变。
5. 在知足通道设计流量不低于设备工作时的最大流量时,为使微观上不丢失设备信息,可以加设(数据缓冲器)或动态提高响应的(优先级)来弥补。
6. 总线控制方式有哪三种?各需要增加几根用于总线控制的控制线?并说明每种方式优先级的灵活性。
(P64-65)7.((1)20,20,25,40,40,100 us (2)200 B/ms (3)5 us )8.(1)1-3-4-2同步强化练习一、填空题。
1. 中断响应就是允许其中断CPU(现行程序)运行,转去对该请求进行预处置,包括保留(断点及其现场),调出有关处置该中断服务程序,准备运行。
2. 中断系统软硬件功能分派实质是中断(响应)硬件和中断(处置平衡)软件的功能分派。
3. 数组多路通道适用于连接多台(高)速设备,其通道“数据宽度”为(定长块)。
4. 输入输出系统包括输入输出设备、(设备控制器)及输入输出操作有关的(软硬件)。
5. 总线控制机构集中在一处的称(集中)式控制,分散在各部件的称(散布)式控制。
6. 多数低性能单用户计算机的输入输出由(程序员)安排,I/O系统设计主要解决CPU、主存和I/O设备在(速度)上的庞大不同。
7. 信息在总线上的双向传输有(半)双向和(全)双向两种。
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。
计算机体系结构1-6章习题答案
1 2 3 4 5 6
8 16 24 32 40 48
1*82
2*82 3*82 4*82 5*82 6*82 7*82
4/8 5/8 6/8
7/8
7
56
2)规格化浮点数表: rm=2时,规格化浮点数共有4*8=32个 rm=8时,规格化浮点数共有7*8=56个,在[0.5,112]中, 有数19个(上表中红的数字表示)。
§4通道(CH)
一、CH的基本工作原理 CH执行CH程序的过程 CH的任务 二、CH流量计算和时空图绘制 CH的类型 CH流量计算 字节多路CH响应处理时空图的绘制 1)计算每个子CH提供一个字节时间(1/f) 2)画出一个完整申请周期时空图 3)计算字节多路CH对每个字节响应的最长用时
第一章参考答案: 1.应用语言级 高级语言级 汇编语言级 操作系统级 机器语言级 微程序语言级。 2. 从上而下 从下到上 专用机 通用机 3. 软、硬件交界面 计算机系统的性能/价格比 4 . 1 T FLOPS 的计 算能力 1 TBy te 的 主存容量 1 TByte/s 的I/O带宽 5. 虚拟机 实际机器 6. 统一高级语言 模拟 仿真 系列机 7. 控制流 数据流 SISD SIMD MISD MIMD 8. 汇编语言程序员 9. 任务单一化 操作重叠化 吞吐匹配化 程序多道 化
嵌套
中断处理程序 一 二 三 响② 嵌套 四 五
t
返回主程序
例4 解 (1)处理顺序为 2-3-1-5-4 (2)中断响应处理时空图 中断请求 主程序 ①③ ②③④⑤
嵌套
中断处理程序 一 二 三 四 五
响① 嵌套
t
返回主程序
1 分别利用两级描述符和三级描述符描述下列阵列数
电子科技大学2016-高级计算机体系结构复习(桂盛霖)
– SPEC2000 • SPECviewperf – is used for benchmarking systems supporting the OpenGL graphics library • SPECapc – consists of applications that make extensive use of graphics.
22
1.4 性能 比较2台计算机性能时应考虑三个因素: 指令数:使用仿真器软件工具可测量出。 CPI:与计算机各种设计细节密切相关,
以及应用程序中不同类型指令所占的比例。
时钟频率 (硬件手册通常直接给出)
电子科技大学计算机科学与工程学院
23
1.4 性能
记住:
1. 只用一种因素(如指令数)去评价性能是危险的。当
32
1.6 性能测试程序
计算机性能通常用峰值性能(Peak performance)
和持续性能(Sustained performance)来评价。 峰值性能是指在理想情况下计算机系统可获得的最 高理论性能,它不能反映出系统的实际性能。 实际性能又称持续性能,其值只有峰值性能的
5%~35%,这是因为实际程序运行时会受到硬件结
1.也是存储程序系统
2.有独立的数据存储区和数据 总线
3.有独立的指令存储区和指令 总线 典型处理器:DSP
电子科技大学计算机科学与工程学院
7
1.2 计算机的分类及特性
桌面计算机(Desktop/Laptop Computer) 通用性应用
构成
CPU、内存、硬盘、鼠标、键盘、显 示器等
主要指标
周期
• 机器B 没有这种指令 ---它计算平方根用软件方式即用加、
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17
4) Utilization
It is the ratio of the achieved speed to the peak speed of a given computer A sequential application executing on a single MPP processor has a utilization ranging from 5%-40%, typical 8%-35% A parallel application executing on multiple processors has a utilization ranging from 1%35%, typical 4%-20% Some benchmark can reach higher utilization, for example : ASCI White Pacific IBM SP POWER3(375MHz) U = 7.226/12.3 = 58.7 %, NEC Earth Simulator can reach U = 35.8/40.96 = 87.4%
4
(2) According to macro or micro:
– Macro benchmark → measure the performance as a whole – Micro benchmark → measure the performance from a specific aspect, such as, CPU speed, memory access time, I/O speed, OS performance , networking
5
§3.1.1 Micro Benchmarks
Name LINPARK (Top 500) LMBENCH STREAM Measuring Numerical computing (Linear algebra) System calls and data movement operations in Unix Memory bandwidth
11
SPEC89 SPEC92 SPEC95: (CPU-intensive applications)
– SPEC95 CPU benchmarks are most famous SPEC benchmarks widely used by vendors and users – they measure the CPU speed, the cache/memory system, and the compiler as a whole
Chapter 3. Performance Metrics and Benchmarks
§3.1 System and Application
Benchmarks
1.Definition of Benchmark: A benchmark is a performance testing program that supposedly captures processing and data movement characteristics of a class of applications
2
A benchmark suite = A set of benchmark programs + a set of specific rules governing the test conditions and procedures, including the
– – – – tested platform environment, the input data, the output results, and the performance metrics
9
§3.1.3 Business and TPC Benchmarks
TPC - Transaction Processing Performance Council The most popular benchmark for commercial applications is TPC-C Benchmark
3. Classification of benchmarks
(1)According to application classes – scientific computing – commercial applications – network services – multimedia applications – signal processing
14
1) Execution Time
To run the user’s application on the target machine and measure the wall clock time elapsed. But this approach is sometimes difficult to apply Execution time is critical to some applications, such as in a real-time application Execution time alone does not give much clue to a true performance of the machine
Rmax (Tflops) Rpeak (Tflops)
35.8 40.96
Nmax
1075200
Country
Japan
2
8192
13.88
20.48
633000
USA
3
2304
7.634
11.06
3ห้องสมุดไป่ตู้0000
USA
4
8192
7.304
12.288
518096
USA
4‘
8192 512 (Xeon 2GHz)
16
3) System Throughout
Throughput is defined to be the number of jobs processed in a unit time The throughput is usually used when multiple jobs are executed simultaneously.
20
§3.3 Basic Performance Metrics
Workload Metrics
– Execution time : depending on algorithm , data structure, input data, platform, and language – Instruction count : depending on input data, platform (RISC, CISC), compiler – Floating -point count : normally it is independent
6
Nov. 2006 Top500
7
2003, June,1st four of Top 500
Ran k 1 Computer NEC Earth-Simulator HP SC ES 45 MCR Linux Cluster Xeon 2.4GHz IBM ASCI White SP Power3 神州 IV Alpha 800MHz 联想 深腾1800 深腾 Number of processor 5120
10
§3.1.4 SPEC Benchmark Family
SPEC(Standard Performance Evaluation Corporation) emphasizes developing real applications benchmarks that closely reflect the actual workload SPEC defines a few (2 in many cases) metrics that measure the overall performance of entire system
12
– 8 integer programs → SPECint95 – 10 floating-point programs → SPECfp95 – All SPEC95 results are expressed as ratios compared to a Sun SPARC station 10/40, the reference machine
N.A
13.107
N.A
China
52
1.046
2.048
153600
China
8
§3.1.2 Parallel Computing Benchmarks
1.The NBP Suite - NAS parallel benchmarks 2.The PARKBENCH - PARallel Kernels and BENCHmarks) 3.The Parallel STAP Suite - The Space-Time Adaptive Processing
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6) Performance/cost
It is defined as the ratio of the speed to the purchasing price Gflop/s per $M Should use sustained performance/cost, not peak performance/cost
Performance : how to measure 1) Execution Time 2) Processing Speed 3) System Throughput 4) Utilization 5) Cost-effectiveness 6) Performance/cost • These performance requirements could lead to quite different conclusions for the same application on the same computer platform