计算机系统结构-量化研究方法(多处理器和线程级并行)
计算机体系结构
计算机体系结构计算机体系结构是指计算机硬件和软件之间的接口、数据传输和运行机制的组织结构。
它决定了计算机系统的性能、可扩展性、可靠性和安全性。
计算机体系结构的设计是计算机科学和工程领域的核心问题之一，它直接影响到计算机的性能和能力。
一、概述计算机体系结构是计算机科学中一个重要的概念，它包括计算机的硬件和软件部分。
计算机硬件包括中央处理器（CPU）、内存、输入输出设备等，而计算机软件则包括操作系统、编译器、应用程序等。
计算机体系结构通过定义指令集架构、存储架构和总线结构等，来决定计算机系统的基本工作原理和功能。
二、指令集架构指令集架构是计算机体系结构的核心部分，它定义了计算机处理器所支持的指令集和指令执行方式。
常见的指令集架构有精简指令集（RISC）和复杂指令集（CISC）两种。
RISC架构采用简化的指令集和固定长度的指令格式，以提高指令执行的效率和速度；而CISC架构则支持更复杂的指令和灵活的地址模式，以提供更强大的功能和灵活性。
三、存储架构存储架构是计算机体系结构中的另一个核心要素，它定义了计算机系统中各种存储器的组织方式和访问机制。
存储器可以分为主存储器（RAM）和辅助存储器（硬盘、固态硬盘等）。
存储架构涉及到存储器的位宽、存储单元的地址和数据传输方式等问题。
不同的存储架构可以影响计算机的内存访问速度和容量。
四、总线结构总线结构是计算机体系结构中用于数据传输和通信的重要组成部分。
它定义了计算机系统中各种硬件组件之间的连接方式和数据传输的规范。
总线结构可以分为系统总线、数据总线和控制总线等不同的层次。
它决定了计算机系统中各个部件之间数据传输的带宽和速度。
五、并行处理并行处理是指利用多个处理器或处理核心同时执行多个任务，以提高计算机系统的性能和并发能力。
计算机体系结构中的并行处理包括指令级并行和线程级并行两种形式。
指令级并行通过同时执行多条指令来提高处理器的效率；线程级并行则利用多个线程并行执行任务，以提高整个系统的吞吐量。
计算机系统结构与并行处理
计算机系统结构与并行处理计算机系统结构是指计算机硬件和软件组成的总体结构，包括计算机的层次结构、功能单元的组织和连接方式、寄存器组织和指令集等。
并行处理则是指使用多个处理器同时处理任务，以提高计算机系统的性能和效率。
一、计算机系统结构的基本概念计算机系统结构是计算机硬件和软件相互配合的总体组织方式，它决定了计算机的性能、可靠性和可扩展性。
计算机系统结构的基本概念包括：1. 指令集体系结构（Instruction Set Architecture，ISA）：指导计算机硬件执行操作的规范，包括指令集合、寄存器、存储器和I/O设备等。
2. 存储器层次结构：计算机系统中不同速度和容量的存储器层次，包括高速缓存、主存储器和辅助存储器等。
3. 控制器结构：控制计算机硬件执行指令的组织方式，包括指令流水线、分支预测和异常处理等。
4. 总线结构：连接计算机硬件各个部件的通信介质，包括数据总线、地址总线和控制总线等。
二、并行处理的概念与分类并行处理是指将任务分解为多个子任务，由多个处理器同时执行，以提高计算机系统的性能和效率。
根据任务的分解方式，可以将并行处理分为以下几类：1. 任务并行：将任务分解为多个子任务，由多个处理器同时执行，每个处理器负责一个子任务的处理，最后将结果进行合并。
2. 数据并行：将数据分成多个部分，由多个处理器分别处理，最后将处理结果进行合并，适用于数据量较大的计算。
3. 流水线并行：将指令执行过程分为多个阶段，由多个处理器分别执行不同阶段的指令，以提高指令执行速度。
4. 任务流并行：将任务按照依赖关系划分为多个任务流，每个任务流由一个处理器执行，可以提高任务的并行度。
三、并行处理的应用领域并行处理广泛应用于科学计算、大数据处理和人工智能等领域，以满足对计算效率和性能的要求。
1. 科学计算：并行处理可用于模拟天气预测、地震模拟等科学计算，以提高计算速度和精度。
2. 大数据处理：并行处理可以对大规模数据进行分布式处理，包括数据存储、数据分析和数据挖掘等，以实现高效的大数据处理。
计算机体系结构量化研究方法 中文版
2021弱电工程师真题模拟及答案(2)1、以下关于UPS工频机和高频机的说法错误的是（）（多选题）A. 高频机的逆变拓扑方式可以采用半桥架构也可采用全桥架构B. 高频机母线电压比工频机高，所以所需配置的蓄电池节数一定多于工频机C. 工频机内部一定有输出隔离变压器D. UPS工频机的功率器件的开关频率为工频50HzE. 工频机的输入功率因数一定比高频低试题答案：A,B,D,E2、船舶雾航中使用雷达助航时，应注意（）。
（单选题）A. 雷达量程档应远、近交替使用B. 保持对雷达进行仔细、连续的观测C. 对雷达回波应能准确识别D. 以上都对试题答案：D3、CAD中画多段线的命令是（）（单选题）A. MB. MLC. PLD. L试题答案：C4、下面哪个不能加强无线网络的安全（）（单选题）A. 数据加密B. 定向传输C. 更改SSIDD. 更改默认用户名与密码试题答案：B5、根据能见距离大小，将能见度分为十个等级，能见度恶劣其能见距离规定为（）（单选题）A. 小于0.5kmB. 小于0.05kmC. 小于1kmD. 小于2km试题答案：A6、为了消除相邻的地感线圈间的串扰，要保证线圈之间的最小距离为（）米。
（单选题）A. 1B. 2C. 3D. 4试题答案：B7、下列说法哪个不正确？（）（单选题）A. 航道弯曲半径越大越好B. 航道弯曲半径越小越好C. 航道弯曲中心角越大越好D. 航道弯曲系数越小越好试题答案：B8、为了解决（）的问题，采用了双技术探测器。
（单选题）A. 误报B. 漏报C. 干扰D. 辐射试题答案：A9、综合布线系统划分成子系统（）（单选题）A. 4个子系统B. 5个子系统C. 6个子系统D. 4个子系统试题答案：C10、造成极板弯曲，主要原因有以下哪几个方面（）（多选题）A. 蓄电池中含有杂质，在引起局部作用时，仅有小部分活性物质变成硫酸铅，致使整个极板的活性物质体积变化不一致，造成弯曲B. 极板活性物质在制造过程中因形成或涂膏分布不均匀，因此，在充放电时极板各部分所起的电化作用强弱不均匀，致使极板上活性物质体积的膨胀和收缩不一致而引起弯曲，有的造成开裂C. 过量充电或过量放电，增加了内层活性物质的膨胀和收缩，恢复过程不一致，造成极板的弯曲D. 大电流放电或高温放电时，极板活性物质反应较激烈，容易造成化学反应不均匀而引起极板弯曲试题答案：A,B,C,D11、楼宇自动化系统的功能有（）（多选题）A. 监控功能B. 环保功能C. 管理功能D. 服务功能试题答案：A,C,D12、河流中某河段水位站设置多少是根据河段中（）大小确定的（单选题）A. 流速B. 比降C. 流量D. 水位试题答案：B13、下面哪个设备可以做为无线AP。
计算机系统结构量化研究方法第四版教学设计
计算机系统结构量化研究方法第四版教学设计摘要本文旨在探讨计算机系统结构课程的教学设计，重点介绍量化研究方法在该课程中的应用。
通过分析学生学习特点和课程目标等因素，本文提出了以案例教学为主、学生自主学习为辅的教学模式。
在教材选择上，本文推荐了以《计算机系统结构量化研究方法》第四版为主教材，配合以往经典文献进行教学。
介绍计算机系统结构是计算机科学中的重要课程，它涵盖了计算机硬件、操作系统、编译原理和计算机网络等多个方向的内容。
该课程通常是计算机科学和工程专业的本科生课程之一。
本文主要是对本课程的教学设计进行探讨。
课程目标在教学设计中，首先需要明确课程目标，以便为后续教学及评估提供准确的基础。
对于计算机系统结构课程，主要目标包括：1.了解计算机系统的基本结构2.熟悉计算机硬件和操作系统的模块组成和工作原理3.能够使用汇编语言进行简单程序设计和调试4.掌握计算机性能评测和分析的基础知识5.理解计算机系统中各个模块之间的相互作用和影响教学模式课堂教学模式是指教师对于学生的学习活动所采用的教学手段和形式。
根据学生的学习特点和课程目标，本文推荐的教学模式包括案例教学和学生自主学习。
案例教学案例教学是指基于实际案例，通过教师的引导，让学生自行探究和发现问题的教学方法。
案例教学是一种很好的教学方式，因为它能够将学生自身的学习经验和实际生活经历与理论知识相结合，使学生更易于理解掌握所学内容。
在计算机系统结构课程中，教师可以引入实际应用案例，如工业控制、嵌入式系统、计算机网络等，让学生分析这些系统中各个模块之间的关系和作用，通过这种方式进一步加深学生对系统结构的理解和掌握。
学生自主学习学生自主学习是指在教师的引导下，学生根据自己的特点和兴趣，自主进行学习活动的教学方法。
学生自主学习是一种很好的教育方式，它能够激发学生的学习兴趣，提高学生的自我学习能力和终身学习能力。
在计算机系统结构课程中，教师可以引导学生进行自主学习，例如给学生布置课外阅读、作业和编程项目等。
计算机系统结构试题及答案(四)
计算机系统结构试题及答案一、选择题（50分，每题2分，正确答案可能不只一个，可单选或复选）1.（CPU周期、机器周期）是内存读取一条指令字的最短时间。
2.（多线程、多核）技术体现了计算机并行处理中的空间并行。
3.（冯•诺伊曼、存储程序）体系结构的计算机把程序及其操作数据一同存储在存储器里。
4.（计算机体系结构）是机器语言程序员所看到的传统机器级所具有的属性，其实质是确定计算机系统中软硬件的界面。
5.（控制器）的基本任务是按照程序所排的指令序列，从存储器取出指令操作码到控制器中，对指令操作码译码分析，执行指令操作。
6.（流水线）技术体现了计算机并行处理中的时间并行。
7.（数据流）是执行周期中从内存流向运算器的信息流。
8.（指令周期）是取出并执行一条指令的时间。
9.1958年开始出现的第二代计算机，使用（晶体管）作为电子器件。
10.1960年代中期开始出现的第三代计算机，使用（小规模集成电路、中规模集成电路）作为电子器件。
11.1970年代开始出现的第四代计算机，使用（大规模集成电路、超大规模集成电路）作为电子器件。
12.Cache存储器在产生替换时，可以采用以下替换算法：（LFU算法、LRU算法、随机替换）。
13.Cache的功能由（硬件）实现，因而对程序员是透明的。
14.Cache是介于CPU和（主存、内存）之间的小容量存储器，能高速地向CPU提供指令和数据，从而加快程序的执行速度。
15.Cache由高速的（SRAM）组成。
16.CPU的基本功能包括（程序控制、操作控制、时间控制、数据加工）。
17.CPU的控制方式通常分为：（同步控制方式、异步控制方式、联合控制方式）反映了时序信号的定时方式。
18.CPU的联合控制方式的设计思想是：（在功能部件内部采用同步控制方式、在功能部件之间采用异步控制方式、在硬件实现允许的情况下，尽可能多地采用异步控制方式）。
19.CPU的同步控制方式有时又称为（固定时序控制方式、无应答控制方式）。
计算机体系结构 量化研究方法
从目录来看，本书的内容共分为四个部分。第一部分“引言”介绍了计算机体系结构的基本概念 和量化研究方法的重要性。第二部分“量化研究方法”详细阐述了量化研究方法的各个环节，包 括数据收集、模拟、性能评估等。第三部分“计算机体系结构要素”则对计算机体系结构的各个 要素进行了分析，包括处理器、内存、I/O系统等。最后一部分“优化计算机体系结构”介绍了 如何运用量化研究方法来优化计算机体系结构，提高系统性能。
在这本书中，作者们不仅介绍了计算机体系结构的基本知识，还深入探讨了并行计算、流水线技 术、超标量技术等前沿领域。同时，书中还提供了大量的案例和实际应用场景，帮助读者更好地 理解和应用这些理论知识。
阅读感受
作者们在书中还提出了一些具有挑战性的问题，引导读者进一步思考和研究。 在阅读这本书的过程中，我不禁回想起自己在学习计算机组成原理时遇到的困扰。虽然那本书详 细介绍了计算机的各个硬件组成部分，以及它们之间的关系和连接方式，但对于如何配置和处理 器的各个寄存器，却没有提供一套成型的理论。而《计算机体系结构：量化研究方法》则填补了 这一空白，它为我们提供了如何根据应用场景去合理地规划各个功能模块的特性的方法。 《计算机体系结构：量化研究方法》是一本令人叹为观止的佳作，它让我重新审视计算机体系结 构这一领域。这本书的深度和广度，以及作者们的专业知识和见解，都为我们提供了宝贵的学习 和研究资源。我相信这本书不仅适合计算机专业的学生和研究者阅读，对于广大计算机爱好者来 说，也是一本值得收藏的经典之作。
阅读感受
阅读感受
《计算机体系结构：量化研究方法》是一本我读过的极具启发性的计算机科学书籍。这本书以其 系统、深入的视角，向我们展示了计算机体系结构的各个方面，包括设计基础、存储器层次结构 设计、指令级并行及其开发、数据级并行、GPU体系结构、线程级并行和仓库级计算机等。通过 阅读这本书，我对计算机体系结构有了更深入的理解，也掌握了一些实用的量化研究方法。
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。
计算机科学中的并行计算技术研究
计算机科学中的并行计算技术研究并行计算技术是计算机科学领域的一个重要研究方向，它主要研究如何利用多个处理器并行处理多个任务，以提高计算机的性能和效率。
并行计算技术在我国的科技发展中占有重要的地位，下面将从几个方面对并行计算技术进行详细的介绍。
1.并行计算的基本概念并行计算是一种利用多个计算资源同时执行多个任务的方法，其主要目标是提高计算速度和效率。
并行计算可分为时间并行和空间并行两种类型。
时间并行是指在同一时间段内，多个处理器同时执行不同的任务；空间并行是指多个处理器同时执行同一任务的不同部分。
2.并行计算的分类并行计算可以根据其组织结构和应用场景分为多种类型，如分布式并行计算、集群并行计算、对称多处理并行计算、异构并行计算等。
3.并行计算的关键技术并行计算涉及到许多关键技术，如并行算法、并行编程、并行硬件、负载均衡、数据一致性等。
4.并行计算的应用领域并行计算技术在许多领域都有广泛的应用，如科学计算、大数据处理、人工智能、计算机图形学、加密技术等。
5.并行计算的发展趋势随着计算机技术的不断发展，并行计算也在不断进步。
目前，并行计算的发展趋势主要表现在以下几个方面：（1）芯片级并行：随着制程技术的进步，处理器核心数不断增加，单芯片上的并行计算能力不断提高。
（2）分布式并行计算：分布式并行计算已成为解决大规模计算问题的重要手段，如云计算、大数据处理等。
（3）异构并行计算：异构并行计算将CPU、GPU、FPGA等多种类型的处理器进行协同，以提高计算性能。
（4）神经网络并行计算：随着深度学习技术的快速发展，神经网络并行计算成为研究的热点。
6.并行计算在我国的发展并行计算技术在我国的发展历程中取得了许多重要的成果。
我国在并行计算领域的研究始于20世纪70年代，经过几十年的发展，已在并行算法、并行编程、并行硬件等方面取得了一系列的成果。
此外，我国还成功研制了神威·太湖之光等高性能并行计算机，为我国在并行计算领域的发展奠定了基础。
计算机体系结构-量化研究方法笔记2
计算机体系结构-量化研究方法笔记2一、概述在计算机科学领域，计算机体系结构是一个重要的研究方向。
量化研究方法可以帮助我们更好地理解和分析计算机体系结构的复杂性，从而为优化和改进计算机系统提供支持。
本文将就计算机体系结构的量化研究方法进行笔记整理，并对相关内容进行深入探讨。
二、量化研究方法的基本概念1. 量化研究方法的定义量化研究方法是一种通过定量数据和分析技术来研究问题和现象的方法。
在计算机体系结构领域，量化研究方法可以帮助我们收集和分析系统性能数据、硬件指标、指令级别的执行统计等信息，从而更好地了解计算机系统的特性和性能表现。
2. 量化研究方法的优势量化研究方法可以提供客观、可验证的数据和结论，有利于科学研究的的严谨性和可靠性。
通过量化分析，我们可以深入挖掘计算机体系结构的内在规律和特点，为系统设计和优化提供有效的依据。
三、量化研究方法在计算机体系结构中的应用1. 性能评估与优化在计算机体系结构研究中，性能评估与优化是一个重要的课题。
量化研究方法可以帮助我们通过实验数据和分析来评估系统的性能，找到系统瓶颈并进行相应的优化。
通过量化分析，我们可以发现系统运行过程中的性能瓶颈，提出优化方案并验证其有效性。
2. 硬件设计与验证在计算机体系结构的硬件设计与验证中，量化研究方法同样具有重要作用。
通过收集和分析硬件指标、延迟统计、能耗数据等信息，我们可以对硬件设计方案进行量化评估，验证设计的可行性和性能表现。
3. 架构模拟与分析在计算机体系结构的研究中，架构模拟与分析也是一个重要的方向。
量化研究方法可以为架构模拟和分析提供数据支持，帮助我们对系统进行深入分析、研究和验证，从而发现系统的特性和行为规律。
四、量化研究方法在实际工作中的挑战与应对1. 数据收集的难点在实际工作中，数据收集往往是一个比较困难的环节。
不同的计算机系统、应用场景、工作负载等因素都会对数据收集产生影响，因此如何有效地进行数据收集是一个需要仔细考虑和处理的问题。
计算机系统结构：一种定量的方法(第六章 多处理器和线程级并行)
6.1.1 并行系统结构的分类
1966年Flynn将计算机归为四类：
单指令流，单数据流，SISD：单处理器 单指令流，多数据流，SIMD：同一条指令被多个使用不同
数据流的处理器执行，每个处理器有自己的数据存储器，但 系统中有唯一的指令存储器和控制处理器，用来获取和分配 指令（如：多媒体扩展处理器，向量系统结构） 多指令流，单数据流，MISD：至今还没有这种类型的商用 机器，一些专用的流式处理器接近这种形式 多指令流，多数据流，MIMD：每个处理器取自己的指令并 对自己的数据进行操作
决定并行程序性能的关键特征是计算与通信的比例
比例高意味着该应用对每个通信数据都要进行大量的 计算，比例越高越好
增加处理器的数目或问题的规模或两者同时增加时， 计算/通信比例是如何变化的
图6.6：计算量和通信量以及二者的比例是决定并行 机器性能的关键因素（p为处理器数目；n为增加的数 据集合的大小）
几个处理器通过总线共享一个物理存储器，因 为每个处理器与同一个共享内存间都有相同的 关系，称为对称式共享内存处理器（图6.1）
支持共享和私有数据的高速缓存，私有数据被 单个处理器使用，共享数据则是被多个处理器 使用，通过读写共享数据完成处理器之间的通 信
对称 式共 享内 存处 理器
6.3.1 什么是多处理器的高 速缓存一致性
分布式存储器结构：如图6.2，要求互联网 络的带宽必须非常高，直接互联网络和间 接互联网络都有可能用到
互联网络
6.1.2 通信和存储器结构模型
根据处理器间传递数据所使用方法的不同，分为两种 不同的系统结构策略：
通过共享的地址空间进行通信，将物理上分开的存储器能够 作为逻辑上共享的地址空间进行寻找，称为分布式共享存储 器（DSM,Distributed Shared Memory）系统，与UMA （均匀存储器访问）相比，DSM多处理器由于访问时间取决 于数据字在存储器中的位置，也称为NUMA（Non Uniform Memory Access,非均匀存储器访问），共享存储器
系统架构中的并发和并行处理技术
系统架构中的并发和并行处理技术在系统架构中，实现高效的并发和并行处理技术是至关重要的。
这些技术可以提高系统的性能和吞吐量，使系统能够处理更大规模的工作负载和请求。
本文将深入探讨系统架构中的并发和并行处理技术，并介绍它们的应用场景和实现方法。
一、并发处理技术并发处理是指系统能够同时处理多个任务或请求的能力。
当系统中的任务或请求数量增加时，通过并发处理技术可以避免系统性能下降。
以下是几种常见的并发处理技术：1.多线程：多线程是一种常用的并发处理技术，它可以让系统同时执行多个线程，每个线程独立运行。
多线程可以充分利用多核处理器的优势，提高系统的并发能力。
在系统架构中，可以将不同的任务放到不同的线程中执行，提高系统的响应速度。
2.进程池：进程池是管理和调度多个进程的技术。
通过使用进程池，可以避免频繁地创建和销毁进程，减少系统资源的开销。
在系统架构中，可以使用进程池来处理大量的并发请求，提高系统的处理能力。
3.事件驱动：事件驱动是基于事件和回调机制的并发处理技术。
系统可以通过监听各种事件，并在事件发生时触发相应的回调函数进行处理。
事件驱动可以有效地处理大量的并发请求，并提高系统的响应速度。
二、并行处理技术并行处理是指系统能够同时执行多个任务或请求的能力。
通过并行处理技术，可以将大任务分解成多个小任务，并同时执行这些小任务，提高系统的处理能力和效率。
以下是几种常见的并行处理技术：1.分布式计算：分布式计算是利用多台计算机进行并行处理的技术。
通过将任务分发到不同的计算机节点进行处理，可以充分利用计算机集群的资源，提高系统的计算能力。
在系统架构中，可以使用分布式计算来处理大规模的计算任务，提高系统的处理效率。
2.GPU并行计算：GPU并行计算利用图形处理器（GPU）的并行计算能力进行任务处理。
GPU具有高度并行的计算结构，可以同时执行大量的线程和指令。
在系统架构中，可以使用GPU并行计算来加速复杂的计算任务，提高系统的处理速度。
计算机系统结构(新)
计算机系统结构交卷时间：2015-12-31 21:27:47一、单选题1.(4分)以下哪种结构不属于指令集结构（）。
A. 堆栈结构B. 通用寄存器组结构C. Cache结构D. 累加器结构得分：0 知识点：计算机系统结构作业题展开解析.答案C .解析..2.(4分)指令集设计的基本要求包括（）。
A. 完整性、规整性、高效率、兼容性B. 完整性、规整性、灵活性、均匀性C. 完整性、规整性、对称性、兼容性D. 完整性、规整性、对称性、均匀性得分：0 知识点：计算机系统结构作业题展开解析.答案A .解析..3.(4分)多处理机实现的并行主要是（）。
A. 任务级并行B. 指令级并行C. 线程级并行D. 操作级并行得分：0 知识点：计算机系统结构作业题展开解析.答案A .解析..4.(4分)衡量一个存储器性能可从( )方面考虑。
A. 容量、速度、价格B. 制造工艺、封装、材料C. 容量、速度、功耗D. Cache-主存存储层次、主存-辅存存储层次、辅存-磁带存储层次得分：0 知识点：计算机系统结构作业题展开解析.答案A .解析..5.(4分)以下哪种相关不会导致数据冲突（）。
A. 数据相关B. 反相关C. 输出相关D. 读后读相关得分：0 知识点：计算机系统结构作业题展开解析.答案D .解析..6.(4分)根据Amdahl定律，系统加速比由哪两个因素决定？（）A. 可改进比例和所执行的指令条数B. 可改进比例和执行程序所需要的时钟周期数C. 可改进比例和部件加速比D. 可改进比例和时钟频率得分：0 知识点：计算机系统结构作业题展开解析.答案C .解析..7.(4分)计算机系统的层次结构按照由高到低的顺序分别为（）。
A. 高级语言机器级、汇编语言机器级、传统机器语言机器级、操作系统机器级、应用语言机器级、微程序机器级B. 高级语言机器级、应用语言机器级、操作系统机器级、传统机器语言机器级、汇编语言机器级、微程序机器级C. 应用语言机器级、高级语言机器级、汇编语言机器级、操作系统机器级、传统机器语言机器级、微程序机器级D. 应用语言机器级、操作系统机器级、高级语言机器级、汇编语言机器级、微程序机器级、传统机器语言机器级得分：0 知识点：计算机系统结构作业题展开解析.答案C .解析..8.(4分)评价流水线的性能指标是（）。
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。
《计算机系统结构》课程教学大纲
《计算机系统结构》课程教学大纲英文课程名称： Computer Architecture 课程编号：授课语言：中文学分：3课内学时：51 课程性质：专业课先修课程：计算机组成原理考试/考查：考试是否全英/双语课程：否一、课程定位和基本要求1.课程定位本课程是计算机专业和软件工程专业的一门重要专业课。
其目的是提高学生从总体结构、系统分析这一层次来研究和分析计算机系统的能力，帮助学生建立整机的概念；使学生掌握计算机系统结构的概念、原理、结构以及设计和分析方法，并对计算机系统结构的发展历史和现状有所了解。
2.课程教学目标课程教学目标1：掌握计算机系统结构相关的基本概念和计算机系统的设计方法，掌握定量分析的基本方法以及计算机系统的性能评测技术。
掌握计算机系统结构中并行性的发展。
课程教学目标2：理解指令集结构的分类及指令系统设计中应考虑的各种因素，掌握计算机指令系统的设计方法，掌握指令操作码的优化编码。
课程教学目标3：掌握流水线的基本概念、分类以及性能分析，掌握基本MIPS流水线的实现，掌握流水线中的各种冲突及其解决方法。
课程教学目标4：掌握向量处理机的基本概念、结构和性能评价方法。
课程教学目标5：掌握指令级并行的概念及其硬件开发方法，掌握Tomasulo算法以及动态分支预测技术。
课程教学目标6：掌握指令级并行开发的软件方法，包括基本指令调度、循环展开、全局指令调度（踪迹调度和超块调度）、静态多指令流出、显式并行指令计算；掌握开发循环级并行的方法，如软流水。
课程教学目标7：掌握多级存储层次，掌握Cache的组成及性能分析，掌握改进Cache 性能的方法；课程教学目标8：掌握磁盘冗余阵列RAID以及通道的工作原理和性能分析；课程教学目标9：掌握互连函数、互连网络的参数和性能指标，掌握静态互连网络和动态互连网络。
课程教学目标10：掌握多处理机系统的两种存储结构模型, 掌握实现多Cache一致性的监听法和目录法。
计算机系统结构-量化研究方法(多处理器和线程级并行)
4.1.2.1 MIMD计算机概述 MIMD计算机概述 按照多处理器组成的规模，多处理器大 按照多处理器组成的规模， 致可分为4个层次。 致可分为4个层次。 （1）多核处理器 （2）中小规模多处理器 （3）大规模多处理器 （4）集群 商业集群和客户集群
4.1.2.2 MIMD计算机的基本结构 MIMD计算机的基本结构
两种典型的结构：集中式共享存储器系统结 两种典型的结构： 构和分布式存储器系统结构。 构和分布式存储器系统结构。 1．集中式共享存储器系统 ．
处理 器 一级或多 级Cache
处理 器 一级或多 级Cache
处理 器 一级或多 级Cache
处理 器 一级或多 级Cache
存储器
I/O系统 系统
图4-1集中式共享存储器的基本结构 集中式共享存储器的基本结构
2．分布式存储器多处理器系统
处 理 器 +Ca che 处 理 器 +Ca che 处 理 器 +Ca che 处 理 器 +Ca che
存储 器
I/O
存储 器
I/O
存储 器
I/O
存储 器
I/O
互连网络
存储 器
处 理 器 +Ca che
I/O
存储 器
处 理 器 +Ca che
I/O
存储 器
处 理 器 +Ca che
I/O
存储 器
处 理 器 +Ca che
I/O
图4-2 分布式存储器多处理器的基本结构
分布式存储器的主要优点是： 分布式存储器的主要优点是： ①如果大部分访存是对节点内的本地存储 器进行的， 器进行的，这样做是增大存储器带宽的比 较经济的方法； 较经济的方法； 缩短了本地存储器访问的时延。 ②缩短了本地存储器访问的时延。 具有较好的扩展性。 ③具有较好的扩展性。 主要缺点是由于处理器不再共享单一集中 存储器， 存储器，处理器间的数据通信在某种程度 上变得更加复杂，且时延也更大。 上变得更加复杂，且时延也更大。
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4.2 多处理器的Cache一致性
4.2.1 对称式共享存储器系统和多处理器的 Cache一致性 Cache一致性 4.2.2 分布式共享存储器系统和基于目录的 Cache一致性 Cache一致性
4.2.1 对称式共享存储器系统和多处理器的Cache一致性 对称式共享存储器系统和多处理器的Cache一致性
4.2.1.2 多处理器的Cache一致性 多处理器的Cache一致性 所谓多处理器的Cache一致性问题 所谓多处理器的Cache一致性问题，是指由 一致性问题， 于缓存共享数据， 于缓存共享数据，两个不同的处理器所保存 的存储器视图可能是通过各自的Cache 得到 的存储器视图可能是通过各自的 Cache得到 因此，如果没有其它的防范措施， 的。因此，如果没有其它的防范措施，则会 导致两个处理器分别得到两个不同的值。 导致两个处理器分别得到两个不同的值。 解决多处理器的Cache一致性问题的方法有 解决多处理器的Cache一致性问题的方法有 软件方法、总线监听法和目录表法。 软件方法、总线监听法和目录表法。
4.1.1 简介
2、多处理机结构由若干台独立的计算机组成， 每台计算机能够独立执行自己的程序，又称多 指令流多数据流（MIMD）结构。多处理机系统 中的处理机之间通过某种方式（如互连网络） 互连，从而实现程序之间的数据交换和同步。
4.1.1 简介
3、使用多处理机的主要目的是利用多台处理 机并发地执行一个作业，使得执行速度比 单处理机快；有时候，使用多处理机的主 要目的是提高可靠性而不是高性能，如果 某台处理机出现故障，那么它的程序可以 由系统中其它处理机来执行。
第 4 章 多 处 理 器 和 线 程 级 并 行
4.1
多处理器构成的系统结构
4.2
多处理器的Cache一致性 多处理器的Cache一致性 Cache
4.3
多处理器系统的同步机制
4.1 多处理器构成的系统结构
4.1.1 简介 4.1.2 多处理器结构
4.1.1 简介
1、根据多处理器中限制要求最多的单元中的指令 所调用的数据流和指令流的并行度， 所调用的数据流和指令流的并行度，把计算机归 为四类： 为四类： 单指令流，单数据流（SISD） 1、单指令流，单数据流（SISD） 单指令流，多数据流（SIMD） 2、单指令流，多数据流（SIMD） 多指令流，单数据流（MISD） 3、多指令流，单数据流（MISD） 多指令流，多数据流（MIMD） 4、多指令流，多数据流（MIMD）
4.1.2.1 MIMD计算机概述 MIMD计算机概述 按照多处理器组成的规模，多处理器大 按照多处理器组成的规模， 致可分为4个层次。 致可分为4个层次。 （1）多核处理器 （2）中小规模多处理器 （3）大规模多处理器 （4）集群 商业集群和客户集群
4.1.2.2 MIMD计算机的基本结构 MIMD计算机的基本结构
各个节点带有目录的分布式存储器多处理器系统
处理 器 +Cac he 存储 器 目录 处理 器 +Cac he 处理 器 +Cac he 处理 器 +Cac he
I/O
存储 器 目录
I/O
存储 器 目录
I/O
存储 器 目录
I/O
互连网络
目录 存储 器 处理 器 +Cac he 目录 目录 目录
I/O
互连网络 存储器 存储器 存储器
图4-3 对称式共享存储器的基本结构
4.2.1.1 对称式共享存储器系统
对称式共享存储器系统支持共享和私有数据的缓 私有数据被单个处理器使用， 存 ， 私有数据被单个处理器使用 ， 而共享数据则 被多个处理器使用， 被多个处理器使用 ， 基本上是通过读写共享数据 完成处理器之间的通信。 完成处理器之间的通信 。 把一个私有数据缓存之 对该数据的访问就可以在Cache 中形成副本 中形成副本， 后 ， 对该数据的访问就可以在 Cache中形成副本 ， 这样做除了会减少访问时延和降低对存储器带宽 的要求外， 的要求外 ， 还能减少多个处理器同时读取共享数 据时的竞争现象。 然而， 把共享数据放入Cache 据时的竞争现象 。 然而 ， 把共享数据放入 Cache 又出现了一个新的问题：Cache一致性 一致性。 又出现了一个新的问题：Cache一致性。
4.2.1.2 多处理器的Cache一致性 多处理器的Cache一致性
软件方法主要依靠编译程序进行分析，同时需要硬 软件方法主要依靠编译程序进行分析， 件机制的配合，使共享信息安排在主存中， 件机制的配合，使共享信息安排在主存中，而避免 将它们存放到Cache中 这需要一种机制， 将它们存放到Cache中。这需要一种机制，使软件 能够对数据进行标记，并按时序进行调度。 能够对数据进行标记，并按时序进行调度。另外对 于具有良好结构的循环级并行程序， 于具有良好结构的循环级并行程序，且在循环中需 要显式地复制数据， 要显式地复制数据，使用软件方法有可能大大降低 访存开销。 访存开销。 软件方法的优点是不需要硬件提供很多支持，减少 软件方法的优点是不需要硬件提供很多支持， 了硬件的复杂性，降低了对互连网络通信量的要求。 了硬件的复杂性，降低了对互连网络通信量的要求。 其局限性在于编译器进行一致性处理的能力是很有 限的，并且只能用于共享存储器的系统。 限的，并且只能用于共享存储器的系统。
4.1.2 多处理器结构 4.1.2.1 MIMD计算机概述 MIMD计算机概述 这种结构的特性是： 这种结构的特性是： （1）结构中的每个处理器取自己的指令 并对自己的数据进行操作， 并对自己的数据进行操作，即每个处理 器执行自己的指令流， 器执行自己的指令流，很容易实现多线 程并行机制。 程并行机制。 MIMD灵活性强 灵活性强； （2）MIMD灵活性强； MIMD结构中的众多处理器可以由 （3）MIMD结构中的众多处理器可以由 同一种处理器来组成
存储 器 处理 器 +Cac he
I/O
存储 器 处理 器 +Cac he
I/O
存储 器 处理 器 +Cac he
I/O
图4-4 各个节点带有目录的分布式存储器多处理器系统的基本结构
一般目录表中记录的Cache数据块的状态主要有： 一般目录表中记录的Cache数据块的状态主要有： 数据块的状态主要有 共享：一个或多个处理器拥有Cache的数据块 的数据块， 共享：一个或多个处理器拥有Cache的数据块，并 且存储器中的数值也是最新的。 且存储器中的数值也是最新的。 未缓存：没有任何一个处理器含有该数据块的副本。 未缓存：没有任何一个处理器含有该数据块的副本。 修改：只有一个处理器拥有该Cache数据块的正确 修改：只有一个处理器拥有该Cache数据块的正确 副本并且对该块执行过写操作， 副本并且对该块执行过写操作，因此其它存储器中 与之对应的副本是无效的。 与之对应的副本是无效的。这个处理器成为该块的 所有者。 所有者。 无效：由于某个处理器执行写操作， 无效：由于某个处理器执行写操作，使得本处理器 含有该数据块的副本被标记为无效状态。 含有该数据块的副本被标记为无效状态。
集中式共享存储器多处理器系统的优点是： 集中式共享存储器多处理器系统的优点是： （1）可以与传统的单处理器系统软件兼 容。 程序设计容易。 （2）程序设计容易。 通信开销小。 （3）通信开销小。 集中式共享存储器的结构组成的处理器不 能太多， 能太多，主要受到访存冲突和互联网络的 带宽和复杂性的限制
4.2.1.3 监听式协议实现多处理器的Cache一致性 监听式协议实现多处理器的Cache一致性
监听式协议对于采用总线互连共享主存的 多处理器系统，可利用总线的播送来实现。 多处理器系统，可利用总线的播送来实现。 它让各个处理器上的Cache控制器对总线进 它让各个处理器上的Cache控制器对总线进 行监视或监听， 行监视或监听，来确定它们是否含有总线 或交换机上请求的数据块的副本， 或交换机上请求的数据块的副本，从而跟 踪共享数据，以保证Cache一致性 一致性。 踪共享数据，以保证Cache一致性。监听式 协议使用硬件解决办法。 协议使用硬件解决办法。 有两种方法可以实现监听式协议：写无效 有两种方法可以实现监听式协议： 协议和写更新或写广播协议。 协议和写更新或写广播协议。
I/O
存储 器
处 理 器 +Ca che
I/O
图4-2 分布式存储器多处理器的基本结构
分布式存储器的主要优点是： 分布式存储器的主要优点是： ①如果大部分访存是对节点内的本地存储 器进行的， 器进行的，这样做是增大存储器带宽的比 较经济的方法； 较经济的方法； 缩短了本地存储器访问的时延。 ②缩短了本地存储器访问的时延。 具有较好的扩展性。 ③具有较好的扩展性。 主要缺点是由于处理器不再共享单一集中 存储器， 存储器，处理器间的数据通信在某种程度 上变得更加复杂，且时延也更大。 上变得更加复杂，且时延也更大。
4.2.2 分布式共享存储器系统和基于目录的Cache一致性 分布式共享存储器系统和基于目录的Cache一致性
各个节点带有目录的分布式存储器多处理器系统 所谓目录式协议， 所谓目录式协议，是指把物理存储器的共享状 态存放在一个地点，称之为目录。 态存放在一个地点，称之为目录。目录表中每 项保存了每个Cache数据块的使用情况 数据块的使用情况。 项保存了每个Cache数据块的使用情况。为了防 止访问目录表成为瓶颈， 止访问目录表成为瓶颈，需要使目录随存储器 分布。 分布。
2．分布式存储器多处理器系统
处 理 器 +Ca che 处 理 器 +Ca che 处 理 器 +Ca che 处 理 器 +Ca che
存储 器
I/O
存储 器
I/O
存储 器
I/O
存储 器
I/O
互连网络
存储 器
处 理 器 +Ca che
I/O
存储 器