13并行计算机体系结构
计算机系统结构复习试题及答案（非计算）
计算机系统结构复习试题及答案（⾮计算）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。
第11章__并行计算机体系结构简介
第11章__并行计算机体系结构简介1. 引言随着计算机应用的不断发展，对计算机性能和计算能力的需求越来越高，而单一计算机性能的提升已经达到了瓶颈。
面对这种情况，计算机学科开始关注并行计算机。
并行计算机的提出，为解决单一计算机的性能瓶颈开辟了一条新的道路。
本章将简要介绍并行计算机体系结构。
2. 并行计算机的概念并行计算机是使用并行处理器（即多个处理器）来执行并行任务的计算机。
并行处理器是一种能够在同一时间内处理多个指令或多个数据的处理器，因此对于需要进行大量计算的应用程序而言，使用并行计算机可以大大提高计算速度。
并行计算机可以分类为以下三类：（1）指令级并行计算机：每个指令被分成数个步骤，不同步骤可以并行执行，以提高计算速度。
（2）进程级并行计算机：多个处理器执行不同的程序或进程，从而提高计算速度。
（3）数据级并行计算机：多个处理器对同一数据进行不同的计算，以提高计算速度。
3. 并行计算机的体系结构并行计算机的体系结构包括处理器阵列、多处理器、超级计算机等。
（1）处理器阵列：处理器阵列是由多个同构的处理器组成的结构，每个处理器都有自己的主存储器和指令流。
处理器阵列相对简单，但是需要使用特殊的编程技术，在编写并行程序时需要考虑负载平衡、同步和通信等问题。
（2）多处理器：多处理器是由多个不同类型的处理器组成的计算机系统，这些处理器可以是同构的，也可以是异构的。
多处理器系统采用共享存储器结构或分布式内存结构。
由于多处理器系统特点是强一致性和数据共享，它需要使用特殊算法来避免死锁和竞争条件等问题。
（3）超级计算机：超级计算机是由数千个处理器组成的计算机系统，它的计算能力是常规计算机的数十倍或数百倍。
超级计算机一般使用NUMA结构、MPP结构或混合结构，采用分布式内存结构可以有效解决存储器容量的限制问题，同时使用高速互联技术可以提高计算速度。
4. 并行计算机的优缺点并行计算机相对于单一计算机性能的优势主要体现在以下几个方面：（1）计算速度快：并行计算机可以同时执行多个任务，因此可以大大缩短计算时间。
计算机体系结构试题及答案
计算机体系结构试题及答案12008年01月23日22:211、计算机高性能发展受益于：(1)电路技术的发展；(2)计算机体系结构技术的发展。
2、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。
第六级：应用语言虚拟机-> 第五级：高级语言虚拟机-> 第四级：汇编语言虚拟机-> 第三级：操作系统虚拟机-> 第二级：机器语言(传统机器级) ->第一级：微程序机器级。
3、计算机体系结构：程序员所看到的计算机的属性，即概括性结构与功能特性。
For personal use only in study and research; not for commercial use4、透明性：在计算机技术中，对本来存在的事物或属性，从某一角度来看又好像不存在的概念称为透明性。
5、Amdahl提出的体系结构是指机器语言级程序员所看见的计算机属性。
6、经典计算机体系结构概念的实质3是计算机系统中软、硬件界面的确定，也就是指令集的设计，该界面之上由软件的功能实现，界面之下由硬件和固件的功能来实现。
7、计算机组织是计算机系统的逻辑实现；计算机实现是计算机系统的物理实现。
8、计算机体系结构、计算机组织、计算机实现的区别和联系？答：一种体系结构可以有多种组成，一种组成可以有多种物理实现，体系结构包括对组织与实现的研究。
9、系列机：是指具有相同的体系结构但具有不同组织和实现的一系列不同型号的机器。
10、软件兼容：即同一个软件可以不加修改地运行于系统结构相同的各机器，而且它们所获得的结果一样，差别只在于运行时间的不同。
11、兼容机：不同厂家生产的、具有相同体系结构的计算机。
12、向后兼容是软件兼容的根本特征，也是系列机的根本特征。
13、当今计算机领域市场可划分为：服务器、桌面系统、嵌入式计算三大领域。
14、摩尔定律：集成电路密度大约每两年翻一番。
15、定量分析技术基础（1）性能的评测：（a）响应时间：从事件开始到结束之间的时间；计算机完成某一任务所花费的全部时间。
并行处理与体系结构
通信协议独立于通信硬件：如以太网 或HPS，都允许使用标准IP协议或IBM 专用用户空间协议。
哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院
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例题： MPI及超立方体计算机
消息传递接口(MPl)是使用少量独立(正交)语 言特征的佳例。
随着附加处理器的增多，系统性能会 有多大改进。
哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院
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例如，假定一个有n个处理器的系统， 作数据库服务器用
它拥有美国人口数据库，通常有100位 美国科学家查询，其性能为每秒1000个 事务处理(TPS)。
现在如果我们将处理器数加倍成2n，能 期望速度有多少改进?期望是多少？
所增加的资源中，处理器最为常见； 也可能是存储器容量和I／O容量。
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（2）问题规模可扩展性
是指系统在处理更大数据量和工作负载的 更大求解问题时其性能如何。
例如： 仍以上述的数据库服务器为例，如果该服
务器上装有中国人口的数据库，则此服务 器的服务质量将会如何? 注意到此数据库的大小已增至原来的5
实际系统总有一个最大存储器容量 的上限。例如：
IBM SP2中的每个结点最多可容纳2GB 存储器；
CrayT3D为64MB。
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（3）软件可扩展性
包括：
操作系统的一个新版本，它具有更多功 能性，如多线程，从而可支持更多的用 户进程，更大的地址空间以及更高效的 内核功能等。
哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院64哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院65哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院666419哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院67哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院68例如高位存储器扩充存储器和扩展存储器哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院69考虑到代的可扩展性ibmrs6000smp作了过度设计第一代的smp基于powerpc601处理器
计算机体系结构的发展历程
计算机体系结构的发展历程计算机体系结构是指计算机中各个组成部分的组织方式和相互连接关系，它决定了计算机的功能和性能。
随着计算机技术的不断发展，计算机体系结构也经历了多次演进和革新。
本文将为您介绍计算机体系结构的发展历程，从最早的冯·诺依曼体系结构到现代的并行计算体系结构。
一、冯·诺依曼体系结构冯·诺依曼体系结构是现代计算机体系结构的鼻祖，由冯·诺依曼于1945年提出。
其主要特点是将数据和指令以同等地位存储在存储器中，通过控制器和运算器的协作来实现计算机的运算功能。
冯·诺依曼体系结构由五个基本部件组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。
二、批处理计算机随着计算机技术的发展，人们对计算机的应用需求也越来越高。
在20世纪50年代和60年代，批处理计算机开始出现，采用了批处理方式进行运算。
批处理计算机顺序地执行一系列任务，无需人工干预。
该体系结构采用分时操作系统，将计算机资源合理分配给多个用户，提高了计算机的利用率。
三、指令流水线指令流水线是20世纪60年代末和70年代初提出的一种计算机体系结构，旨在提高计算机运算速度。
它将指令的执行分为多个步骤，并行地执行不同的指令步骤，从而实现多条指令的同时执行。
指令流水线大大提高了计算机的运算效率，广泛应用于各个领域。
四、超标量和超长指令字超标量和超长指令字是为了进一步提高计算机的性能而提出的两种计算机体系结构。
超标量体系结构通过增加硬件资源提高指令并行度，实现多条指令的同时执行。
超长指令字体系结构通过将多条指令打包成一条长指令，在一次指令的执行过程中完成多条指令的操作，从而提高计算机的指令级并行度。
五、并行计算体系结构随着计算机应用对计算能力的需求不断增加，并行计算成为了计算机体系结构的一个重要发展方向。
并行计算体系结构将计算任务分为多个子任务，由多个处理器并行地执行，从而提高计算机的运算速度。
并行计算体系结构广泛应用于高性能计算、人工智能等领域。
并行计算机程序设计导论pdf
CUDA最佳实践
总结CUDA编程的最佳实践， 包括编写高效的CUDA内核函 数、使用异步操作、避免不 必要的内存拷贝等方面的内 容。
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07
并行计算应用案例分析
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
2024/1/25
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气象模拟应用案例分析
气候模型
使用并行计算模拟大气、海洋和陆地之间的相互作用，以预测气 候变化。
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CUDA性能优化策略
CUDA性能分析
介绍如何使用CUDA性能分析 工具（如NVIDIA Visual
Profiler和Nsight）来评估和 优化CUDA程序的性能。
CUDA优化技术
详细讲解CUDA优化的关键技 术，包括内存访问优化、线 程同步优化、指令级优化和 算法级优化等。
2024，并行计算的应用前景更加广阔。未来，量子计算等新型计算技术的发展将进一 步推动并行计算的进步，为解决复杂问题提供更加高效的方法。
2024/1/25
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02
并行计算机体系结构
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
2024/1/25
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并行计算机分类与特点
// 计算点积并汇总结果
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for (int i = rank; i < n; i += size) {
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MPI编程实例分析
• dot_product += a[i] * b[i];
2024/1/25
28
MPI编程实例分析
}
// 使用MPI_Reduce函数汇总各个进程的计算结果
2024/1/25
计算机体系结构的演变
计算机体系结构的演变计算机体系结构是指计算机硬件和软件之间的结构组织关系。
它对于计算机系统的性能、可靠性和功能实现具有重要影响。
随着科技的发展和计算机应用的日益普及，计算机体系结构不断演变，以下将从简单到复杂、从单一到多元等方面分析计算机体系结构的变化过程。
一、早期计算机体系结构在计算机发展的初期阶段，早期计算机体系结构主要以冯·诺依曼结构为主。
这种结构包括五个基本组成部分：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。
运算器负责完成算术和逻辑运算，控制器负责控制计算机的各种操作，存储器用于存储程序和数据，输入设备和输出设备则用于与用户进行交互。
这种体系结构简单明了，但同时也存在着数据瓶颈和程序存储能力限制等问题。
二、微程序控制体系结构20世纪70年代，随着处理器和芯片技术的进步，计算机体系结构发生了重大变革，微程序控制体系结构应运而生。
微程序控制体系结构将硬件和软件分离，将指令集合和控制存储器分开，由控制存储器中的微程序来控制计算机的操作。
这种体系结构具有灵活性和可扩展性，方便了计算机的设计和维护。
同时，这也为后来的超长指令字（VLIW）和超标量处理器打下了基础。
三、并行体系结构随着计算机应用需求的增加，计算机体系结构逐渐向并行化方向发展。
并行体系结构将计算任务分解为多个子任务，由多个处理器并行执行，加快了计算速度。
并行体系结构主要分为共享内存和分布式内存两种类型。
共享内存体系结构中，多个处理器共享同一块内存，通过并发访问实现数据交换。
而分布式内存体系结构则是将多个处理器分布在不同的存储器模块上，通过消息传递实现数据通信。
四、多核体系结构近年来，随着芯片制造工艺的进步，多核体系结构成为了计算机体系结构的主流趋势。
多核体系结构将多个处理器集成在一块芯片上，通过共享缓存和高速互联等技术，使得多个核心可以同时进行计算任务。
这种体系结构能够提高系统的性能和能效，同时也带来了并行编程的挑战和资源管理的复杂性。
并行计算机体系结构的分类
并行计算机体系结构的分类并行计算机体系结构是指在计算机系统中，通过多个处理单元同时执行任务以提高计算性能的架构框架。
根据不同的设计思想和实现方式，可以将并行计算机体系结构分为多种分类。
本文将介绍几种常见的并行计算机体系结构分类，并对其特点和应用进行讨论。
1.指令级并行体系结构指令级并行体系结构（ILP）是基于指令级并行技术的一种体系结构。
ILP通过将单个指令分解为多个子操作，并在不同的处理单元上同时执行这些子操作，从而实现指令级并行。
这种体系结构适用于需要大量计算的应用，如科学计算和图像处理。
其中，超标量和超流水线是常见的ILP体系结构。
超标量体系结构通过在一个时钟周期内同时发射多条指令，利用指令之间的独立性实现指令级并行。
而超流水线体系结构则通过将指令的执行过程分解为多个阶段，并在每个阶段上同时执行不同的指令，进一步提高了并行度。
这两种体系结构能够充分利用处理器资源，提高计算性能。
2.向量处理体系结构向量处理体系结构是基于向量处理器的一种体系结构。
向量处理器是一种特殊的处理器，能够同时处理多个数据元素。
在向量处理体系结构中，处理器通过执行向量指令，对向量数据进行并行操作。
这种体系结构适用于需要对大规模数据进行相同类型操作的应用，如科学计算和图像处理。
向量处理体系结构具有高度的并行性和数据吞吐量，能够充分利用数据级并行性，提高计算性能。
然而，由于向量处理器对数据的访问具有一定的限制，对于不适合向量化的应用，其性能优势可能会受到限制。
3.多核体系结构多核体系结构是指在一个计算机系统中，使用多个处理核心来执行任务的体系结构。
每个处理核心都具有独立的处理器和内存，能够同时执行不同的指令流。
多核体系结构适用于需要同时执行多个任务的应用，如服务器和大数据处理。
多核体系结构具有良好的可扩展性和并行性，能够提供更高的计算性能。
通过将任务分配给不同的处理核心，可以充分利用系统资源，提高系统的吞吐量和响应速度。
然而，多核体系结构也面临着任务调度和数据共享的挑战，需要采用合适的并行编程模型和调度算法来优化性能。
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。
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
一、计算机体系结构的基本概念计算机体系结构是指机器语言程序的设计者或是编译程序设计者所看到的计算机系统的概念性结构和功能特性。
Amdahl所定义的体现结构是指程序员面对的是硬件的系统。
所关心的是如何合理的进行软硬件功能的分配。
计算机系统结构是指机器语言级的程序员所了解的计算机的属性，即外特性。
可以包含数据表示，寄存器定义、数量、使用方式，指令系统，中断系统，存存储系统，IO系统等。
计算机组成是计算机结构的逻辑实现。
可以包含数据通路宽度，专用部件设置，缓冲技术，优化处理等。
计算机的实现是指其计算机组成的物理实现。
包括处理机，主存部件的物理结构，器件的集成度，速度的选择，模块、硬件、插件底板的划分和连接。
从使用语言的角度，可以把计算机系统按功能从高到低分为7级：0应用语言机器级、1高级程序语言机器级、2汇编语言机器级、3操作系统机器级、4传统机器语言机器级、5微程序机器级和6电子线路级。
3～6级为虚拟机，其语言功能均由软件实现。
硬件功能分配的基本原则：（1）功能要求。
首先是应用领域对应的功能要求，其次是对软件兼容性的要求；（2）性能要求。
如运算速度，存储容量，可靠性，可维护性和人机交互能力等；（3）成本要求。
体系结构设计的方法有三种：由上而下－从考虑如何满足应用要求开始设计；由下而上－基于硬件技术所具有的条件；由中间开始的方法。
体系设计的步骤：需求分析、需求说明、概念性设计、具体设计、优化和评价。
计算机体系结构的分类：（1）弗林FLYNN分类法：按指令流和数据流将计算机分为4类：①单指令流、单数据流－Single Instruction Stream Single Data Stream，SISD。
计算机，即传统的单处理机，通常用的计算机多为此类，如脉动阵列计算机systolic array；②单指令流、多数据流－Multiple，SIMD。
典型代表是并行处理机。
其并行性在于指令一级。
如ILLIAC、PEPE、STARAN、MPP等；③MISD计算机；④MIMD计算机。
计算机体系结构并行处理基础知识梳理
计算机体系结构并行处理基础知识梳理计算机体系结构并行处理是计算机科学与工程中的一个重要领域，它研究如何利用并行处理技术提高计算机系统的性能和效率。
本文将针对计算机体系结构并行处理的基础知识进行梳理与总结。
一、什么是计算机体系结构并行处理？计算机体系结构并行处理指的是将计算机中的任务分成几个独立的部分，同时在多个处理器（或计算节点）上执行，以提高整个系统的运行速度和计算能力。
相较于串行处理，计算机体系结构并行处理可以通过并行执行来解决计算和处理时间过长的问题，进而提高计算机系统的性能。
二、计算机体系结构并行处理的分类1.单指令多数据（SIMD）并行处理：SIMD并行处理指的是在多个处理器上同时执行相同指令，但对不同数据进行操作。
这种处理方式适用于数据之间存在较大的并行性的应用，比如图像处理和向量计算。
2.多指令多数据（MIMD）并行处理：MIMD并行处理指的是在多个处理器上同时执行不同指令，对不同数据进行操作。
每个处理器都可以独立地运行不同的程序，适用于对计算资源需求较高、计算量较大的应用，比如科学计算和大规模数据分析。
三、计算机体系结构并行处理的应用1.科学计算：并行处理在科学计算中应用广泛，可以加速复杂的计算任务。
比如，在气象学中，利用并行处理可以加快天气预测模型的计算速度，提高预测的准确性。
2.人工智能：并行处理在人工智能领域也有广泛的应用。
例如，在深度学习模型训练过程中，通过在多个处理器上同时进行计算，可以减少训练时间，提高模型的训练效率。
3.计算机图形学：并行处理在计算机图形学中也扮演着重要的角色。
例如，在三维动画渲染过程中，通过并行处理可以加速复杂图像的生成，提高图像生成速度和质量。
四、计算机体系结构并行处理的挑战尽管计算机体系结构并行处理能够提高系统性能和计算能力，但同时也面临一些挑战。
首先，编写并行程序比编写串行程序更加复杂，需要考虑线程间的同步和通信问题，以避免数据竞争和死锁等并发问题。
并行计算机体系结构(1)
并行计算机体系结构简介并行计算机指的是在同一时刻，多个处理器同时执行不同的指令或者同一指令的不同部分。
并行计算机体系结构是指通过各种计算机组件和连接方式，实现并行计算的结构框架。
本文将介绍并行计算机的体系结构及其分类。
分类并行计算机体系结构可以按照不同的维度进行分类，如数据流、指令流、控制流等。
以下是一些常见的分类方式：数据并行数据并行是指将同一任务的不同数据分配到多个处理器上进行并行计算。
数据并行可以通过多处理器之间的数据传输和同步来实现。
常见的数据并行体系结构有MIMD（Multiple Instruction, Multiple Data）和SIMD（Single Instruction, Multiple Data）。
•MIMD体系结构中，多个处理器可以独立执行不同的指令，各自操作不同的数据。
每个处理器都有自己的程序和数据存储器，并且可以通过通信网络进行通信和同步。
•SIMD体系结构中，多个处理器执行相同的指令，但操作不同的数据。
通常有一个主处理器通过广播方式将指令传递给其他处理器，其他处理器根据自己的数据进行计算。
指令并行指令并行是指将一个程序的不同部分分配到多个处理器上进行同时执行。
指令并行可以通过指令级并行和线程级并行来实现。
•指令级并行是通过将一个指令的不同操作分配到多个处理器上进行并行计算。
这种并行计算需要通过流水线技术来实现，每个处理器只负责指令的一个阶段。
•线程级并行是通过将程序的不同线程分配到多个处理器上进行并行计算。
每个线程可以由一个独立的处理器来执行，从而提高程序的并行度。
控制并行控制并行是指将一个程序的不同控制流分配到多个处理器上进行并行计算。
控制并行可以通过硬件或者软件的方式来实现。
•硬件控制并行是通过将程序的不同控制流分配到多个处理器上执行，以实现并行计算。
这种并行计算需要处理器之间的同步和通信，以确保控制流的正确执行。
•软件控制并行是通过程序员在程序中显式地指定控制流的并行性，以实现并行计算。
计算机体系面试题及答案
计算机体系面试题及答案一、选择题1. 在计算机体系结构中，冯·诺依曼体系结构的主要特点是：A. 程序存储B. 程序控制C. 程序和数据分开存储D. 以上都是答案：D2. 以下哪个不是计算机体系结构的分类？A. 单片机B. 微处理器C. 微控制器D. 操作系统答案：D3. 计算机的指令周期包括以下哪些阶段？A. 取指B. 译码C. 执行D. 所有以上答案：D二、填空题1. 计算机体系结构中，______是指计算机硬件和软件的组织和功能特性。
答案：体系结构2. 在计算机体系结构中，______是指计算机硬件的物理实现，包括CPU、存储器、输入输出设备等。
答案：硬件3. 计算机体系结构中的______是指计算机的逻辑功能和操作方式，它决定了计算机如何执行指令和处理数据。
答案：软件三、简答题1. 简述计算机体系结构的发展历程。
答案：计算机体系结构的发展历程可以分为几个阶段：最初的电子管计算机，随后的晶体管计算机，再到集成电路计算机，以及现在的大规模集成电路计算机。
每个阶段都伴随着计算速度的显著提升和体积的缩小。
2. 什么是并行计算机体系结构？它有哪些优点？答案：并行计算机体系结构是指在单个计算机系统中使用多个处理单元（如CPU或GPU）来同时执行多个任务或同一任务的不同部分。
它的优点包括提高计算速度、增强处理能力以及更有效地利用资源。
四、论述题1. 论述现代计算机体系结构面临的主要挑战及其可能的解决方案。
答案：现代计算机体系结构面临的主要挑战包括能源效率、散热问题、性能瓶颈、安全性和可扩展性。
可能的解决方案包括使用更高效的处理器架构、采用先进的散热技术、优化软件以提高并行处理能力、加强安全措施以及设计可扩展的系统架构。
五、案例分析题1. 某公司计划开发一款新的高性能计算机系统，要求能够处理大量数据并具备高扩展性。
请分析该公司在设计计算机体系结构时应考虑的因素。
答案：在设计新的高性能计算机系统时，公司应考虑以下因素：选择合适的处理器架构以满足性能需求；设计高效的内存管理和存储系统以处理大量数据；确保系统的可扩展性，以便未来能够添加更多的处理单元或存储资源；考虑能源效率和散热问题，以降低运行成本并确保系统的稳定运行；最后，还应考虑系统的安全性，以保护数据不被未授权访问。
并行计算机体系结构
并行计算机体系结构并行计算机体系结构是指一种由多个处理器（或多个核心）并行工作的计算机体系结构。
它的设计目标是提高计算机的计算能力和处理速度，使得多个任务可以同时进行，从而提高系统的整体效率。
并行计算机体系结构有多种形式，以下是一些常见的体系结构类型：1. 对称多处理器（SMP）：在SMP体系结构中，所有的处理器共享同一个内存和I/O系统。
各个处理器可以同时访问共享资源，因此可以并行执行任务。
2. 多核处理器：多核处理器是在一个物理芯片上集成了多个处理核心，每个核心可以同时执行不同的任务。
多核处理器可以提供更好的性能和能源效率，因为多个任务可以在同一芯片上并行执行。
3. 集群系统：集群系统是由多个计算节点组成的并行计算机系统。
每个计算节点都具有自己的处理器、内存和I/O系统，节点之间通过高速网络进行通信和协作。
集群系统可以通过节点之间的并行计算实现更大规模的计算任务。
4. GPU加速系统：GPU（图形处理器）是一种专门用于图形渲染和计算的处理器。
近年来，GPU也被广泛用于并行计算任务，可以提供比传统CPU更高的计算能力。
GPU加速系统是将多个GPU集成到计算机系统中，利用GPU的并行计算能力提高系统的整体性能。
5. 分布式计算系统：分布式计算系统是通过将计算任务分发到多台计算机上并行执行，以实现更大规模的计算任务。
各个计算机通过网络进行通信和协作，共同完成任务。
分布式计算系统可以提供更高的计算速度和可扩展性。
并行计算机体系结构的设计和优化需要考虑诸多因素，包括任务划分、并行调度、数据共享与同步、通信开销等。
不同的应用场景和性能需求可能需要选择不同的并行计算机体系结构来实现最佳的性能。
计算机系统结构的专题报告
计算机系统结构的专题报告
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1、局域网的体系结构
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6、下一代互联网体系结构（如IPV6、以内容为中心的网络NDN、软件定义网络SDN等）
7、无线传感器网络的体系结构
8、无线路由器的体系结构
9、调制解调器的体系结构
10、集群计算机系统的体系结构
11、超级计算机的体系结构
12、存储服务器的体系结构
13、并行计算机的体系结构
14、64位微处理器的体系结构
15、多核微处理器技术
16、智能手机微处理器的体系结构
17、物联网的体系结构
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选择上述主题的，可以在该主题范围内自定题目
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每个人的报告内容至少要有50%以上的区别。
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特殊用途 一般商用计算机 家用计算机等
6
价 格
最佳性能价格比 最高性能 巨型机 大型机 等性能线 中型机
小型机
最低价格 微型机
( 超微型机 )
t-3
t-2
t-1
t
t+1
时期
7
计算机原理及系统结构
第五十三讲
主讲教师：赵宏伟
学时：64
第13章
并行计算机体系结构
18
并行性、可扩展性和可编程性
并行性（Parallelism）的基本概念
并行性是指在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或 两种以上的工作。 并行性还可以进一步分为同时性和并发性，前者指同 一时刻发生的并行性，后者指同一时间间隔内发生的 并行性。 粗、中、细三种不同的并行粒度，共享内存的多处理 机系统用于细粒度和中粒度并行计算，而消息传递型 多计算机系统用于中粒度和粗粒度并行计算。
并行的粒度问题
P335
19
并行性、可扩展性和可编程性
硬件资源的可扩展性（Scalability）
是指通过增加处理器数目、投入更多的存储器部件（高速缓存、 主存、磁盘等），从而使系统具有更高的性能或功能。 由于多处理机和多计算机主要是以资源重复手段实现并行处理的， 因此它们是可扩展系统。而且，松散耦合的多计算机系统的可扩 展性要好于紧密耦合的多处理机系统。
1个 1个 多个 多个
MIMD 多处理机，多计算机
10
SISD体系结构
处理器串行执行指令；或者处理器内采用指令流水线， 以时间重叠技术实现了一定程度上的指令并行执行；甚 至于处理器是超标量处理器，内有几条指令流水线实现 了更大程度上的指令并行执行。但它们都是以单一的指 令流从存储器取指令，以单一的数据流从存储器取操作 数和将结果写回存储器。
3
计算机系统结构的发展方向
第一个是改变冯.诺依曼机器的串行执行模式
超标量计算机（执行多条指令 ） 多处理机系统（共享集中或分布式存储器） 大规模并行处理机MPP系统 PC或工作站组成的机群系统
4
计算机系统结构的发展方向
第二个是改变冯.诺依曼机器的控制驱动方式
数据驱动方式：操作数到位即可运算，无序执行.数据流计算机是一种数 据驱动式系统结构的计算机，只要指令所需的操作数准备好就可以立即 启动执行，一条指令的运算结果又流向下一条指令，作为下一条指令的 操作数来驱动该条指令的启动执行。程序中各条指令的执行顺序仅由指 令间的数据依赖关系决定。 需求驱动方式：驱动方式与数据流相反，无序执行.需求驱动方式是一个 操作仅在要用到其输出结果时才开始启动，如果这个操作的操作数没有 准备好，那么它就去启动能够得到它的相应输入操作数的其他操作，这 样的需求链一直延伸下去，直到遇到常数或者外部已经输入的数据为止， 然后再反方向的执行运算。归约机就属于需求驱动式系统结构的使用函 数式程序设计语言的计算机。 模式匹配驱动方式：非数值型应用，主要对象为符号.在模式匹配驱动方 式中，计算的进行是由谓词模式匹配来驱动的，而谓词是代表客体之间 关系的一种字符串模式，主要用来求解非数值的符号演算。面向智能的 Lisp机、Prolog机和神经网络等就属于这种模式匹配驱动式系统结构的 计算机。
23
P336
设计和分析互连网络的几个重要问题
互连网络的拓扑结构
互连网络的拓扑结构描述了链路和交换结点是如何组 织安排的。拓扑结构可以用图来表示，链路用边表示， 交换结点用结点表示。 交换结点所做的工作就是接收到达输入端口的分组然 后把分组发送到正确的输出端口，具有多种不同的工 作方式。
互连网络的寻径方式
计算机系统结构的分类方法
1966年，Michael.J.Flynn提出按指令流和数据流的多倍 性对计算机系统结构进行分类。
指令流 是指机器执行的指令序列； 数据流 是由指令流调用的数据序列，包括输入数据和中间结果； 多倍性 是指在系统最受限制的部件上，同时处于同一执行阶段的
指令或数据的最大数目。 指令流 数据流 1个 多个 1个 多个 名称 SISD SIMD MISD 举例 传统的冯.诺依曼计算机 向量计算机，阵列处理机 目前还没有
第一个发展方向已经取得了重大进展，取得了一系列的成果。而第二 个发展方向，大多数还属于探索、研究阶段，还需要进行大量的工作。
5
计算机系统结构的分类方法
过去曾普遍将计算机系统分为巨、大、中、小、 微型机五类。
划分原则：这种方法是按照规模、性能、速度以至价
格的一种大致划分。 存在问题：只能对同时期的计算机大致分类，划分的 标准是随时间而变化，每５年左右降低一个等级；另 外，这种划分方法不能反映机器的系统结构特征。 设计方法：
IS
PU CU PU PU
DS1
MM DS2 DSn
…
MM
SIMD
12
MISD体系结构
多个处理单元，各配有相应的控制单元。各个处理单元 接收不同的指令，多条指令同时在一份数据上进行操作。 这种计算机体系结构是一种比较奇怪的组合，这已经被 证明是不可能至少是不实际的，目前为止还不存在这种 类型的计算机。
IS
CU PU DS MM
SISD
11
SIMD体系结构
有单一的控制部件，但是有多个处理部件。计算机以一 个控制单元从存储器取单一的指令流，一条指令同时作 用到各个处理单元，控制各个处理单元对来自不同数据 流的数据组进行操作。这种体系结构的典型代表是阵列 处理机，一些学者认为将向量处理机也划入此类。
并行计算机系统可编程性（Programmability）
涉及到操作系统、编译器、语言支持等多个方面的问题。到目前 为止，可以说对并行计算机系统编程仍然是非常困难和费力的事 情，这主要是因为人们原来所熟悉的顺序编程不适合并行程序的 设计特征。 从体系结构的角度来看，多处理机有统一编址的全局共享存储器， 其可编程性要好于多计算机系统。
15
其他的分类方法
并行计算机系统发展的原因
应用的需求永远是并行计算机系统发展的动力。
随着计算机速度的提高，人们对计算机性能的要求也 越来越高。例如科学计算、工程和工业设计等都需要 高性能计算。 芯片的速度不可能无限地提高，并行计算机可以处理 越来越复杂的问题。芯片的速度要受到光速的制约， 但芯片的集成度还有发展的空间。
IS1 MM … MM IS2 CU2 … ISn CUn PU2 … PUn DSn DS2 CU1 PU1 DS1
MIMD
14
计算机系统结构的分类方法
Flynn分类法的局限
分类的对象主要是控制驱动方式下的串行处理和并行处理计算机。 对于非控制驱动方式的计算机，就不适合采用Flynn分类法； 把两个不同等级的功能并列对待，通常，数据流受指令流控制从 而造成MISD不存在； 分类太粗，对流水线处理机的划分不明确，标量流水线为SISD， 向量流水线为SIMD。 美籍华人冯泽云教授在1972年提出了按最大并行度来定量描述各 种计算机系统的冯氏分类法。 Wolfgan Handler在冯氏分类法的基础上，于1977年根据并行度和 流水线提出了另外一种分类法。 1978年由 D. J. Kuck提出按控制流和执行流分类。
多计算机
UMA
COMA
NUMA
MPP
COW
总线
交换结构
CC-NUMA
NC-NUMA
网格
超立方体 消息传递
共享内存
P333
图13.4 并行计算机的分类
17
并行计算机系统的分类
MIMD体系结构
多处理机系统——基于共享存储器
系统中只有唯一的地址空间，所有的处理器共享该地址空间。 唯一的地址空间并不意味着在物理上只有一个存储器。共享地
20
本章主要内容
并行计算机系统结构概述 并行计算机系统的设计问题
并行计算机系统的互连网络 并行计算机系统的性能问题 并行计算机系统的软件问题
SIMD计算机简介 MIMD多处理机简介 MIMD多计算机简介
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互连网络概述
并行计算机的通信体系结构是系统的核心
两个层次：底层的互连网络；上层的语言、软件工具 包、编译器、操作系统等提供的通信支持。 定义：由开关元件按一定拓扑结构和控制方式构成的 网络以实现计算机系统内部多个处理机或多个功能部 件间的相互连接。 与计算机网络在工作原理、概念以及术语上有许多相 同或相似之处；并且某些并行计算机系统中的互连网 络就是高速以太网和ATM网络。 CPU、内存模块、接口、链路和交换结点
第二代 （1955～1964） 第三代 （1965～1974） 第四代 （1975～1990）
电子管和继电器。单CPU，以程 序计数器PC和累加器顺序完成定 点运算。
机器语言或汇编语言。单用户。 用CPU程序控制I/O。
晶体管和磁芯存储器。用印制电 有编译程序支持的高级语言，子 路互连。变址寄存器，浮点运算； 程序库，批处理监控程序。 多路存储器，I/O处理机。 中小规模集成电路。多层印制电 路。微程序设计，流水线，高速 缓存，先行处理机。 多道程序设计，分时操作系统， 多用户应用。
25
互连网络的参数
结点度：与结点相连接的边数，表示节点所需要的端口
数，根据链路到结点的方向，结点度可以进一步表示为： 结点度 = 入度 + 出度，其中入度是进入结点的链路数， 出度是从结点出来的链路数。 链路的长度：链路中包含的边数 距离：与两个结点之间相连的最少边数。 网络直径：网络中任意两个结点间距离的最大值。 网络规模：网络中结点数，表示该网络功能连结部件的 多少。 等分宽度：某一网络被切成相等的两半时，沿切口的最 小边数称为该网络的等分宽度。 对称性：从任何结点看，拓扑结构都一样，这种网络实 现和编程都很容易。