并行计算机体系结构
第2章并行计算机体系结构
内容提要：
2.1并行机网络互联拓扑结构
2.2并行机访存模型与多级存储结构
2.3并行机分类
2.4并行机举例
2.5并行计算机的发展史
并行机网络互联拓扑结构
●参考资料：
?文献1：第节；
?文献2：详细阐述；
●当代并行机拓扑结构：
●并行机体系结构的几个要素：
?结点：包含一个或多个CPU，这些CPU通过HUB或全互联交叉开关相互联接，
并共享内存，也可以直接与外部进行I/O操作；
?路由器：联接计算结点与互联网络，负责数据在结点间的路由寻址；
?互联网络：将所有路由器以某种拓扑结构相互联接，保证它们之间可以自由地通
信。
●互联网络：
?拓扑结构：将并行机各结点之间物理上相互联接的关系用图来表示，其中图中结
点代表并行机的结点，图中连线代表它所联接的两个结点的路由器之间存在物理
上的直接联接关系，我们称该图为并行机互联网络拓扑结构；
?拓扑结构的几个重要定义：
?并行机规模：并行机包含的结点总数，或者包含的CPU总数；
?结点度：互联网络拓扑结构中联入或联出的一个结点的边的条数，称为该结点的度；
?结点距离：两个结点之间跨越的图的边的条数；
?网络直径：网络中任意两个结点之间的最长距离；
?点对点带宽：图中边对应的物理联接的物理带宽；
?点对点延迟：图中任意两个结点之间的一次零长度消息传递必须花费的时间。
延迟与结点间距离相关，其中所有结点之间的最小延迟称为网络的最小延迟，
所有结点之间的最大延迟称为网络的最大延迟；
?折半宽度：对分网络成两个部分（它们的结点个数至多相差1）所必须去掉的边的网络带宽的总和；
?总通信带宽：所有边的带宽之和；
?互联网络评价：
?大：结点度、点对点带宽、折半宽度、总通信带宽；
?小：网络直径、点对点延迟；
●互联网络的分类：静态拓扑结构、动态拓扑结构、宽带互联网络；
?静态拓扑结构：结点之间存在固定的物理联接方式，程序执行过程中，结点间的
点对点联接关系不变，例如：[文献1：P10-P11，给出各类定义的具体值, 文献2
详细讨论]；
?一维阵列（Array）、环（Ring）；
?多维网格（Mesh）、多维环（Torus）；
?树（Tree）：二叉树、X-树、星树、胖树；
?超立方体（Hypercube）;
?动态拓扑结构：结点之间无固定的物理联接关系，而是在联接路径的交叉点处用
电子开关、路由器或仲裁器等提供动态联接的特性，主要包含单一总线、多层总
线、交叉开关、多级互联网络：
?单一总线：联接处理器、存储模块和I/O设备等的一组导线和插座，在主设备（处理器）和从设备（存储器）之间传递数据，特征有：
?公用总线以分时工作为基础，各处理器模块分时共享总线带宽，即在同
一个时种周期，至多只有一个设备能占有总线；
?总线带宽=总线主频 总线宽度，例如ASUS主板的总线频率=150MHz，
总线宽度为64位，则该总线的带宽=s；
?监听协议与仲裁算法：选择哪个设备占有总线；
?例如：微机主板外部数据总线、PCI总线、ASCI White每个结点包含16
个CPU，CPU之间通过总线共享局部存储器；
?多层总线：各设备内部存在本地总线（结点、存储器、I/O设备），本地总线之间以系统总线相互联接，系统总线一般在通信主板中实现，例如文献1 P14
图。
?交叉开关（Crossbar Switcher）：所有结点通过交叉开关阵列相互连接，每个交叉开关均为其中两个结点之间提供一条专用联接通路，同时，任意两个结点
之间也能找到一个交叉开关，在它们之间建立专用联接通路。交叉开关的状
态可根据程序的要求动态地设置为“开”和“关”。例如4?4交叉开关联接8
个结点（黑板上画图说明）。交叉开关特征：
?结点之间联接：交叉开关一般构成N?N阵列，但在每一行和每一列同时
只能有一个交叉点开关处于“开”状态，从而它同时只能接通N对结点；
?结点与存储器之间的联接：每个存储器模块同时只允许一个结点访问，
故每一列只能接通一个交叉点开关，但是为了支持并行存储访问，每一
行同时可以接通多个交叉点开关。
?交叉开关的成本为N2，N为端口数，限制了它在大规模并行机中的应用，
一般适合8-16个处理器的情形.
?多级互联网络（MIN：Multistage Interconnection Network）：由多个单级交叉开关级联接起来形成大型交叉开关网络，相邻交叉开关级之间存在固定的物
理联接拓扑。为了在输入与输出之间建立联接，可以动态地设置开关状态。
例如：
?一般联接图：文献1图，其中ISC为该级互联网络，主要有混洗、蝶网、
纵横交叉等；（详细参考文献2）
?蝶网、CCC网、Benes网：均为超立方体网络的推广，参考文献2 的
P215-P225。
?Ω网：等价于蝶网，参考文献1的P16图。
?宽带互联网络：
?快速以太网（10Mbps（82年）、100Mbps（94年）、1Gbps（97年））：国际标准，三代网络性能比较参考文献1的P18表，特征类似于单一总线：
?分时共享、竞争仲裁：带宽100Mbps，8台处理机共享，每台处理机的平
均带宽为Mbps。
?FDDI：光纤分布式数据接口（Fiber Distributed Data Interface）采用双向光纤令牌环，所有结点联接在该环中，提供100-200Mbps数据传输速度，双向环
提供冗余通路以提供可靠性，距离可达100米、2公里、60公里等，比快速
以太网具有更好的可靠性、适应性；
?Switcher：交叉开关，可同时为N/2对端口提供100Mbps的直接联接通路，其中N为端口总数。多个Switcher堆叠（不多于7个）可形成多级Switcher。
Beowulf微机机群采用这种结构互联所有结点。（参考张林波讲义之图）。
?ATM：异步传输模式（ATM：Asynchronous Transfer Mode）是在光纤通信基础上建立起来的一种新的宽带综合业务数字网的交换技术。介质无关的信
息传输协议，采用53字节的定长短数据单元（cell）进行传输。大的数据包
进入ATM网络时，分解成多个定长的单元，各个单元独立传输，到达目的地
址后，这些单元汇集成原来的数据包。A TM网络适合高速度传输声音、图像、
视频和数据等的所有形式的媒体。
?Myrinet：专用机群互联网络，带宽可达200MB/秒，延迟小于10us。
?Infiniband：专用机群互联网络，带宽可达秒，延迟小于6us。
?Qudrics: 专用机群互联网络，带宽可达400MB/秒，延迟小于6us。
?HiPPI：高性能并行接口（High Performance Parallel Interface），1993年标准（）形成。单工点对点的数据传输界面，带宽可达800Mb/s。
●互联网络的路由选择算法：
?定义：
?数据包（Packet）：结点间数据在网络中传输的最小单位，一般为几十个、或者几百个字节。
?路由选择算法：网络中数据包传输的路径选择。
?申请队列长度：在某条边上等待传输的数据包的个数。
?常用路由选择算法：
?贪心法：每个数据包沿最短路径传输（二维阵列举例），该方法容易在某一条边上形成通信阻塞。
?动态路由选择算法：数据包根据当前边的申请队列长度，动态地改变传输路径。
?虫孔算法（Wormhole）：数据包分解为长度更小的字节流，所有字节流在网络中按动态路由选择算法在网络中传输，最后在目的地址合并还原成数据包。
●作业：
?作业：假设网络包含P=2N=M3个结点，请给出一维阵列（环）、二维网格（Torus）、
三维网格（Torus）、超立方体、二叉树（叶结点个数为P）、蝶网、Benes网的结点
度、点对点延迟（以跨越的边的条数为单位）、折半宽度（以边的条数为单位）、
网络直径。
?作业：假设存在8个结点，分别联接在1Gbps的快速以太网和100Mbps的24端口
的Switcher上，请问任意两个结点间的平均带宽为多少，如果结点数增加一倍，
则平均带宽又为多少。
并行机存储结构
●参考资料：
?文献1：第节；
?文献8、文献10；
●并行机存储模块
?内存模块与结点分离
?图内存模块局部于结点内部
●图
并行机访存模型
?均匀访存模型（UMA：Uniform Memory Access）：内存模块与结点分离，分别位
于互联网络的两侧（图），互联网络一般采用系统总线、交叉开关和多级网络，称之为紧耦合系统（Tightly Coupled System）。具有如下特征：
◆物理存储器被所有结点均匀共享；
◆所有结点访问任意存储单元的时间相同；
◆访存竞争时，仲裁策略对每个结点均是机会等价的；
◆各结点的CPU可带有局部私有高速缓存（Cache）；
◆外围I/O设备也可以共享，且对各结点等价。
?非均匀访存模型（NUMA：Nonuniform Memory Access）：内存模块局部在各个结
点内部（图），所有局部内存模块构成并行机的全局内存模块。具有如下特征：
◆任意结点可以直接访问任意内存模块；
◆结点访问内存模块的时间不一致：访问本地存储模块的速度一般是访问其他
结点内存模块的3倍以上；
◆访存竞争时，仲裁策略对结点可能是不等价的；
◆各结点的CPU可带有局部私有高速缓存（Cache）；
◆外围I/O设备也可以共享。
?Cache一致性非均匀访存模型（CC-NUMA：Coherent-Cache Nonuniform Memory
Access）：存在专用硬件设备保证在任意时刻，各结点Cache中数据与全局内存数据的一致性，具有特征：
◆各CPU的局部Cache数据来源于全局内存，并保证所有结点中数据的一致性
（画图简单说明）；
◆大多数访存可以局部在本地高速Cache；
◆基于目录的Cache一致性协议（Cache原理参考下章）。
?分布式访存模型（DMA：Distributed Memory Access）：各个结点的存储模块只能
被局部CPU访问，其他结点无法直接访问局部存储模块，称之为分布式存储（图），具有特征：
◆内存模块分布局部于各个结点，每个结点只能直接访问其局部存储模块，对
其他结点的内存访问只能通过消息传递程序设计来实现；
◆每个结点均是一台由处理器、存储器、I/O设备组成的自洽计算机。
●多级存储结构：
500MHz Pentium-III Cluster
容量(B) 带宽(MB/s) 延迟(ns)
256 6000 2
32K 4000 6
512K 2000 80
500M 1200 320
海量100 100,000
●访存延迟比例：
?微机机群 1 : 3 : 40 : 160 : 50,000
?Origin 2000 1 : 3 : 30 : 50: 500
●一次消息传递延迟相当于峰值浮点运算的次数：
?微机机群：50,000 次
?Origin 2000 ：1000次
●通信与CPU计算速度不匹配：
并行机分类
●参考资料：
?文献1：P21-P25；
?文献6：第1章；
?文献8、10、11；
●指令与数据流分类：
?单指令多数据流（SIMD）：按同一条指令，并行机的各个不同的功能部件同时对
不同的数据进行不同的处理，例如：传统的向量机、80年代初期的阵列机CM-2，
目前已经退出历史舞台；
?多指令多数据流（MIMD）：不同的处理器可同时对不同的数据执行不同的指令，
目前所有并行机均属于这一类；
?多指令单数据流（MISD）：至今没出现
●当前流行的高性能并行机体系结构分类：（五类）
?对称多处理共享存储并行机（SMP：Symmetric MultiProcessing）；
?分布共享存储并行机（DSM：Distributed Shared Memory）；
?大规模并行机（MPP：Massively Parallel Processors）；
?工作站（微机）机群（COW：Cluster Of Workstation、Beowulf PC-Cluster）；
?并行向量多处理机（PVP：Parallel Vector Processors）
●对称多处理共享存储并行机（SMP）：
图SMP体系结构示意图
SMP具有如下特征：
◆对称共享存储：系统中任何处理器均可直接访问任何存储模块中的存储单元
和I/O模块联接的I/O设备，且访问的延迟、带宽和访问成功的概率是一致的。
所有内存地址单元统一编址。各个处理器之间的地位等价，不存在任何特权
处理器。操作系统可在任意处理器上运行。
◆单一的操作系统映像：全系统只有一个操作系统驻留在共享存储器中，它根
据各个处理器的负载情况，动态地分配各个进程到各个处理器，并保持各处
理器间的负载平衡。
◆局部高速缓存Cache及其数据一致性：每个处理器均配备局部Cache，它们可
以拥有独立的局部数据，但是这些数据必须保持与存储器中数据是一致的。
◆低通信延迟：各个进程通过读/写操作系统提供的共享数据缓存区来完成处理
器间的通信，其延迟通常小于网络通信的延迟。
◆共享总线带宽：所有处理器共享总线的带宽，完成对内存模块和I/O模块的访
问。
◆支持消息传递、共享存储并行程序设计。
SMP具有如下缺点：
◆欠可靠：总线、存储器或操作系统失效可导致系统崩溃。
◆可扩展性（scalability）较差：由于所有处理器共享总线带宽，而总线带宽每3
年才增加2倍，跟不上处理器速度和内存容量的增加步伐，因此，SMP并行
机的处理器个数一般少于32个，且只能提供每秒数百亿次的浮点运算性能。
SMP典型代表：
◆SGI POWER Challenge XL系列并行机（36个MIPS R1000微处理器）；
◆COMPAQ Alphaserver 84005/440 （12个Alpha 21264个微处理器）；
◆HP9000/T600 （12个HP PA9000微处理器）；
◆IBM RS6000/R40（8个RS6000微处理器）。
●分布共享存储并行机（DSM）：
图DSM体系结构示意图
DSM较好地改善了SMP并行机的可扩展能力，具有如下特征：
◆并行机以结点为单位，每个结点包含一个或多个CPU，每个CPU拥有自己的局
部Cache，并共享局部存储器和I/O设备，所有结点通过高性能互联网络相互联
接；
◆物理上分布存储：内存模块局部在各结点中，并通过高性能互联网络相互联接，
避免了SMP访存总线的带宽瓶颈，增强了并行机的可扩展能力。
◆单一的内存地址空间：尽管内存模块分布在各个结点，但是，所有这些内存模
块都由硬件进行了统一的编址，并通过互联网络联接形成了并行机的共享存储
器。各个结点即可以直接访问局部内存单元，又可以直接访问其他结点的局部
内存单元。
◆非一致内存访问（NUMA）模式：由于远端访问必须通过高性能互联网络，而
本地访问只需直接访问局部内存模块，因此，远端访问的延迟一般是本地访问
延迟的3倍以上。
◆单一的操作系统映像：类似于SMP，在DSM并行机中，用户只看到一个操作
系统，它可以根据各结点的负载情况，动态地分配进程。
◆基于Cache的数据一致性：通常采用基于目录的Cache一致性协议来保证各结
点的局部Cache数据与存储器中数据的一致性。同时，我们也称这种DSM并行
机结构为CC-NUMA结构。
◆低通信延迟与高通信带宽：专用的高性能互联网络使得结点间的延迟很小，通
信带宽可以扩展。例如，目前最先进的DSM并行机SGI Origin 3000的双向点
对点通信带宽可达秒，而延迟小于1个微秒。
◆DSM并行机可扩展到上百个结点，能提供每秒数千亿次的浮点运算性能。例如，
SGI Origin 2000可以扩展到64个结点（128个CPU），而SGI Origin 3000可以
扩展到256个结点（512个CPU）。但是，由于受Cache一致性要求和互联网络
性能的限制，当结点数目进一步增加时，DSM并行机的性能也将大幅下降。
◆支持消息传递、共享存储并行程序设计。
DSM典型代表：
◆SGI Origin 2000；
◆SGI Origin 3800。
●大规模并行机（MPP）：数百个乃至数千个处理器组成的大规模并行机。
?典型代表：当前位于TOP 500前列（参考第7章并行机性能测试）的并行机均属
于这一类，其中包括IBM ASCI White（8192个处理器）、Intel ASCI Red（9632个
处理器）、IBM ASCI Blue Pacific（5808个处理器）、SGI ASCI Blue Mountain（6144
个处理器）、IBM SP POWER3（1336个处理器）、CRAY T3E1200（1084个处理器）
等。
?典型体系结构：
图MPP体系结构示意图
?MPP特征：
◆由数百个乃至数千个计算结点和I/O结点组成，这些结点由局部网卡（NIC）
通过高性能互联网络相互联接。
◆每个结点相对独立，并拥有一个或多个微处理器（P/C）。这些微处理器均配
备有局部Cache，并通过局部总线或互联网络与局部内存模块和I/O设备相联
接。
◆MPP的各个结点均拥有不同的操作系统映像。一般情况下，用户可以将作业
提交给作业管理系统，由它负责调度当前最空闲、最有效的计算结点来执行
该作业。但是，MPP也允许用户登录到某个特定的结点，或在某些特定的结
点上运行作业。
◆各个结点间的内存模块相互独立，且不存在全局内存单元的统一硬件编址。
一般情形下，各个结点只能直接访问自身的局部内存模块，如果要求直接访
问其他结点的局部内存模块，则必须有操作系统的特殊软件支持。
?按存储结构的不同，MPP又可以分为两类：分布式存储大规模并行机（DM-MPP）、
多台SMP或DSM并行机通过高性能互联网络相互联接的大规模机群（SMP-MPP 或DSM-MPP）：
◆DM-MPP：每个结点仅包含一个微处理器，早期的MPP均属于这一类。例如
CRAY T3D、CRAY T3E、Intel Paragon、IBM SP-2、YH-3等。
◆SMP-MPP：每个结点是一台SMP并行机，例如当前位于Top500排名前列的
多台MPP并行机均属于这一类，其中包括IBM ASCI White、Intel ASCI Red、
IBM Blue Pacific等；
◆DSM-MPP：每个结点是一台DSM并行机，其典型代表为包含6144台处理器
的ASCI Blue Mountain MPP并行机，它由48台Origin 2000 构成，其中每台
含128个微处理器。
●微机机群（Beowulf PC-Cluster）：随着商用微处理器性能的飞速发展，低延迟、高带宽
商用网络交换机的出现，和LINUX操作系统等自由软件的成熟，并行计算机不再是一个只有大型科研单位才能拥有的设备。例如，将128台当前市场上最高性能的Intel Pentium-III/800MHz的微机通过6个24端口的100Mbps的网络交换机相互联接，即可构成浮点峰值性能在1000亿次左右的并行机，而其成本不超过200万元人民币，性能价格比远远高于以上提到的各类并行机（30倍以上），国际上称该类自行研制的并行机为Beowulf机群。
尽管微机机群在通信性能、稳定性和使用方便等方面有待大幅度提高，但是，它们以其他并行机无法比拟的性能价格比，近年来已经成为了高性能并行计算中的一支不可忽视的重要力量。目前，在我国的各个大学和科研机构，例如中科院、北京大学、清华大学等，微机机群也得到了快速发展和推广应用。特别地，在2000年底的Top 500排名中，美国Sandi 国家重点实验室自行研制的机群Cplant排名第84位。
图Beowulf微机机群示意图（参考张林波讲义之图）
Beowulf微机机群的体系结构如图所示，多台高性能微机通过商用网络交换机相互联接，并拥有各自独立的操作系统、主板、内存、硬盘和其他I/O设备，构成机群的计算结点。配置一台或多台文件服务器，一方面管理机群计算结点共享的所有软件和用户计算资源，另一方面充当机群与外部网络的联接桥梁，外部科研网的用户只有通过文件服务器才能使用机群的计算资源。
由于受商用交换机网络性能和操作系统功能的影响，Beowulf微机机群的处理机规模一般限制在100台左右。但是，如果将交换机替换成专用机群网络，例如GigaNet、Myrinet 等，则它们的规模可以进一步扩大。因此，在当前技术条件下，微机机群一般可提供千亿次左右的浮点峰值性能。
●并行向量多处理并行机（PVP）：体系结构类似于DM-MPP，但是每个CPU为向量多
处理机。仅日本研制，应用不广。
并行机举例
●SMP并行机：SGI Power Challenge XL R10000：
?多个（<18）个SGI R10000微处理器、共享存储模块、I/O设备通过系统总线相互
联接。
?总线带宽：秒。
?单一操作系统影像。
●DSM并行机：SGI Origin 2000、SGI Origin 3800：
?单一影像操作系统。
?Origin 2000可扩展到8个机柜，每个机柜含8个结点, 结点是构成Origin 2000的
基本单位，它包含：
◆1-2个主频为195MHz或250MHz的MIPS R10000 CPU，每个CPU含4MB
的二级Cache；
◆内存512MB-4GB，分主存和目录内存两类，后者主要用于保持结点间的Cache
数据一致性；
◆集线器（HUB）含4个端口：CPU端口、内存端口、XIO端口和CrayLink互
联网络端口，采用交叉开关实现两个CPU、内存、输入输出和互联网络路由
器（router）之间的全互联，分别提供780MB/Sec、780MB/Sec、Sec、Sec的
传送速度。
Origin 2000的所有结点通过CrayLink高性能互联网络相互联接，路由器是构成CrayLink的基本单位，它包含6个端口，内部采用交叉开关实现端口间的全互联，具有Sec 的峰值带宽。每个路由器的两个端口用于联接结点，其余4个端口实现路由器间的互联，形成互联网络拓扑结构。该CrayLink的半分带宽与结点个数成线性递增关系，对任意两个结点，至少能提供两条路径，保证了结点间的高带宽、低延迟联接和互联网络的稳定性和容错能力。
图SGI Origin 2000并行机体系结构示意图
●SMP-MPP：
?ASCI White：
◆512台IBM SMP NH-2结点通过SP交换机相互联接；
◆每个结点为SMP并行机，含16个IBM Power P3/375MHz 微处理器，共享
16GB内存；
◆总计计算处理器8192个，内存4-6TB，峰值性能，磁盘总容量150TB（可扩
展到160TB）；
◆总投资亿美元，美国能源部向IBM租借，年租金为8500万美元；
◆重106吨，两个篮球场大；
◆结点间支持消息传递并行程序设计，结点内部支持共享存储、消息传递两种
并行编程模式，也支持消息传递和共享存储混合编程模式。
?
●微机机群：联想深腾6800机群系统
并行机的发展史
●参考文献：
?文献3：第一章；
?文献11第1章；
发展历史：
●70年代：
–ILLIAC IV，2-6倍串行机；
–向量机CRAY-1；（解释向量机）
●80年代早期：
–向量机CRAY X-MP/2，IBM 3090/6；
●80年代中期：
–共享存储并行机Sequent / 20，UNIX，击败V AX；
–CRAY-2 /4；
–分布式存储MIMD MPP nCUBE：
●1024 CPU，1000倍加速比
●Amdahl’s定律的重新认识：SP=1/（a + （1- a）/P）< 1/a ；a=5%，SP < 20
●80年代后期：–出现真正强大计算能力的并行机：
–nCUBE-2, 270亿次；
–Intel iPSC/860,70亿次；
–CRAY Y-MP/16；
●90年代早期：–Moorse 定理：微处理器速度4倍/3年，RISC技术；
–由微处理器通过高性能互联网络联接，最佳的性能价格比（浮点速度/$）；
–CM-5E，Intel Paragon XP/S, CRAY-T3D,IBM SP-2, Fujitsu VP500，CRAY Y-MP C90；
●90年代中期：并行计算机体系结构趋于统一
–微处理器速度与内存容量持续提高；
–微处理器通过高性能互联网络联接构成并行机成为MPP的绝对主流；
–共享存储对称多处理（SMP）技术：SGI POWER Challenge系列、SUN Ultra E10000、HP、IBM；
–分布共享存储DSM CC-NUMA结构出现：SGI Origin-2000；
–并行程序设计平台标准化：消息传递MPI标准制定并实现（1994）；
–工作站机群系统：多台高性能工作站通过商用互联网联接，最高性能价格比，风险低；
–操作系统：UNIX成熟、GNU LINUX开始应用；
●90年代后期至今：
–微处理器速度持续发展，单机性能可达10亿次；
–SMP与DSM技术日趋成熟；
–SMP-Cluster成为MPP的主流：ASCI White （512台SMP，每个SMP含16个CPU）、ASCI Blue Mountain（48台SGI Origin-2000，每个含128个CPU）、ASCI Red （4096个结点，每结点含2个Pentium处理器）；
–TOP500排名：，求解稠密线性代数方程组最高性能；
–微机机群技术成熟：中科院（120台）、北大（64台）、我所实验室（9台）等；
–并行程序设计平台标准形成：
?MPI ：消息传递；
?OpenMP：共享存储；
当前，SMP机群系统和DSM机群系统是主流。
计算机体系结构试题库—简答题
计算机体系结构试题库 简答题（100题） 1．简述CISC结构计算机的缺点。 答： ●在CISC结构的指令系统中，各种指令的使用频率相差悬殊。据统计，有20％的指 令使用频率最大，占运行时间的80％。也就是说，有80％的指令在20％的运行时 间内才会用到。 ●CISC结构指令系统的复杂性带来了计算机体系结构的复杂性，这不仅增加了研制 时间和成本，而且还容易造成设计错误。 ●CISC结构指令系统的复杂性给VLSI设计增加了很大负担，不利于单片集成。 ●CISC结构的指令系统中，许多复杂指令需要很复杂的操作，因而运行速度慢。 ●在CISC结构的指令系统中，由于各条指令的功能不均衡性，不利于采用先进的计 算机体系结构技术（如流水技术）来提高系统的性能。 2．RISC结构计算机的设计原则。 答： A.选取使用频率最高的指令，并补充一些最有用的指令； B.每条指令的功能应尽可能简单，并在一个机器周期内完成； C.所有指令长度均相同； D.只有load和store操作指令才访问存储器，其它指令操作均在寄存器之间进行； E.以简单有效的方式支持高级语言。 3．影响现代微处理器主频提升的主要原因由哪些？ 答：线延迟、功耗。 4．指令集格式设计时，有哪三种设计方法？ 答：固定长度编码、可变长编和混合编码）三种设计方法。
5．简述存储程序计算机（冯·诺依曼结构）的特点。 答： （1）机器以运算器为中心。 （2）采用存储程序原理。 （3）存储器是按地址访问的、线性编址的空间。 （4）控制流由指令流产生。 （5）指令由操作码和地址码组成。 （6）数据以二进制编码表示，采用二进制运算。 6．在进行计算机系统设计时，一个设计者应该考虑哪些因素对设计的影响？ 答： 在进行计算机系统设计时，设计者应该考虑到如下三个方面因素的影响： ●技术的发展趋势； ●计算机使用的发展趋势； ●计算机价格的发展趋势。 7．简述程序翻译技术的特点。 答： 翻译技术是先把N+1级程序全部变换成N级程序后，再去执行新产生的N级程序，在执行过程中N+1级程序不再被访问。 8．简述程序解释技术的特点。 答： 解释技术是每当一条N+1级指令被译码后，就直接去执行一串等效的N级指令，然后再去取下一条N+1级的指令，依此重复进行。 9．经典体系结构的定义是什么？ 计算机体系结构是机器级程序员所看到的计算机的属性，即概念性结构与功能特性。10．“线延迟墙”指的是什么？
计算机体系结构参考1
第一题选择题 1．SIMD是指（B） A、单指令流单数据流 B、单指令流多数据流 C、多指令流单数据流 D、多指令流多数据流 2．下列那种存储设备不需要编址？D A. 通用寄存器 B. 主存储器 C. 输入输出设备 D. 堆栈 3．按照计算机系统层次结构，算术运算、逻辑运算和移位等指令应属于（A）级机器语言。 A、传统机器语言机器 B、操作系统机器 C、汇编语言机器 D、高级语言机器 4．早期的计算机系统只有定点数据表示，因此硬件结构可以很简单。但是这样的系统有明显的缺点，下面哪一个不是它的缺点：B A．数据表示范围小 B．单个需要的计算时钟周期多 C．编程困难 D．存储单元的利用率很低 7．下面哪个页面替换算法实际上是不能够实现的？D A）随机页面替换算法 B）先进先出替换算法 C）最久没有使用算法 D）最优替换算法
9．指令优化编码方法，就编码的效率来讲，那种方法最好？C A. 固定长度编码 B. 扩展编码法 C. huffman编码法 D. 以上编码都不是 10．在早期冯·诺依曼计算机特征中，机器以（C）为中心。 A、存储器 B、输入输出设备 C、运算器 D、控制器 1.RISC 计算机的指令系统集类型是( C ) 。 A. 堆栈型 B. 累加器型 C. 寄存器—寄存器型 D. 寄存器- 存储器型 2、相联存储器的访问方式是( D )。 A．先进先出顺序访问 B．按地址访问 C．无地址访问 D．按内容访问 3、假设—条指令的执行过程可以分为“取指令”、“分析”和“执行”三段，每—段分别只有—个部件可供使用，并且执行时间分别为Δt、2Δt和3Δt，连续执行n条指令所需要花费的最短时间约为( C )。 （假设“取指令”、“分析”和“执行”可重叠，并假设n足够大） A．6 nΔt B．2 nΔt C．3 nΔt D．nΔt 6、下列计算机不属于RISC计算机的是（C ）。 A．SUN：Ultra SPARC
计算机体系结构论文
计算机体系结构论文 论文题目：计算机系统结构中多处理机技术姓名：XXX 班级：XXX 学号：XXXX
摘要：多处理机是指能同时执行多个进程的计算机系统.多处理机通过共享的主存或输入/输出子系统或高速通信网络进行通信。利用多台处理机进行多任务处理，协同求解一个大而复杂的问题来提高速度，或者依靠冗余的处理机及其重组能力来提高系统的可靠性、适应性和可用行。该文介绍了微处理器的发展、多处理机的总线以及处理机系统中通信和存储技术的发展和两种特殊的多处理机系统结构，以及现今几种典型的并行计算机体系结构及处理机分配与调度策略。而本篇论文主要根据所阅读的文章进行扩展延伸，主要介绍了多处理机技术，它的总线以及分配调度方面。 关键字：多处理机；体系结构；总线；调度 引言： 微电子技术和封装技术的进步，使得高性能的VLSI微处理器得以大批量生产，性能价格比不断合理，这为并行多处理机的发展奠定了重要的物质基础。计算机系统性能增长的根本因素有两个：一个是微电子技术，另一个是计算机体系结构技术。五十年代以来，人们先后采用了先行控制技术、流水线技术、增加功能部件甚至多机技术、存储寻址和管理能力的扩充、功能分布的强化、各种互联网络的拓扑结构以及支持多道、多任务的软件技术等_系列并行处理技术，提高计算机处理速度，增强系统性能。多处理机体系结构是计算机体系结构发展中的一个重要内容，已成为并行计算机发展中人们最关注的结构。 多处理机的介绍： 多处理机是指能同时执行多个进程的计算机系统。 由于超大规模集成电路(VLSI)技术迅速发展的结果，多处理技术能够充分地发挥高性能的32位微处理机的有效性，用大量低价格的部件配置高性能的计算机结构系统.以典型的
计算机体系结构解
计算机体系结构解
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第一章计算机组成原理 本部分要求掌握计算机方面的基础知识，包括计算机的发展、计算的系统组成、基本组成和工作原理、计算机的数制数据表示以及运算校验、指令系统以及计算机系统的安全等基础性的知识。内容多而且复杂，尤其是有关计算机硬件方面的内容，很细而且灵活性不高，知识量相当大，掌握这部分一定要多下功夫，学会取舍、把握重点、抓住要害。 1.1 考试大纲及历年考题知识点 1.1.1 大纲要求 考试要求： 1 掌握数据表示、算术和逻辑运算； 2 掌握计算机体系结构以及各主要部件的性能和基本工作原理考试范围 1 计算机科学基础 1.1 数制及其转换二进制、十进制和十六进制等常用制数制及其相互转换 1.2 数据的表示 ?数的表示（原码、反码、补码、移码表示，整数和实数的机内表示，精度和溢出）?非数值表示（字符和汉字表示、声音表示、图像表示） ?校验方法和校验码（奇偶校验码、海明校验码、循环冗余校验码） 1.3 算术运算和逻辑运算 ?计算机中的二进制数运算方法 ?逻辑代数的基本运算和逻辑表达式的化简 2．计算机系统知识 2.1 计算机系统的组成、体系结构分类及特性 ?CPU 和存储器的组成、性能和基本工作原理 ?常用I/O 设备、通信设备的性能，以及基本工作原理 ?I/O 接口的功能、类型和特性 ?I/O 控制方式（中断系统、DMA、I/O 处理机方式） ?CISC/RISC，流水线操作，多处理机，并行处理 2.2 存储系统 ?主存-Cache 存储系统的工作原理 ?虚拟存储器基本工作原理，多级存储体系的性能价格 ?RAID 类型和特性 2.3 安全性、可靠性与系统性能评测基础知识 ?诊断与容错 ?系统可靠性分析评价 ?计算机系统性能评测方式 1.2 计算机科学基础 1.2.1 数制及其转换 1、R 进制转换成十进制的方法按权展开法:先写成多项式,然后计算十进制结果. 举例： (1101.01)2=1×2^3+1×2^2+0×2^1+1×2^0+ 0×2^-1+1×2^-2 =8+4+1+0.25=13.25 (237)8=2×8^2+3×8^1+7×8^0 =128+24+7=159 (10D)16=1×16^2+13×16^0=256+13=269
计算机体系结构期末考试试题及答案
填空题 1.从2002年以来，计算机性能的年增长率下降到了约30％。其主要原因是：①大功耗问题； ②可以进一步有效地开发的指令级并行性已经很少；③存储器访问速度的提高缓慢。 2. 可移植性是指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运行。实现可移植性的常用方法有3种：系列机，模拟和仿真，统一高级语言。 2.通用寄存器型指令集结构计算机在灵活性和提高性能方面有明显的优势。主要体现在①寄存器的访问 速度比存储器快；②对编译器而言，能更加容易有效地分配和使用寄存器；③寄存器可以用来存放变量。 3.MIPS的数据寻址方式只有立即数寻址和偏移量寻址。 4.向量处理机的结构由所采用的向量处理方式决定。有两种典型的结构；存储器-存储器型结构和寄存器-寄存器型结构。 5.Cache-主存层次的工作由硬件实现，对系统程序员是透明的。 6.降低Cache不命中率最直接的方法是增加Cache的容量。不过，这种方法不但会增加成本，而且还可能增加命中时间，这种方法在片外Cache中用得比较多。 7.大多数磁盘阵列的组成可以由以下两个特征来区分：数据交叉存放的粒度、冗余数据的计算方法以及在磁盘阵列中的存放方式。 8.时延和带宽是用来评估互连网络性能的两个基本指标。时延包括通信时延和网络时延。 9.计算机系统可分为SISD、SIMD、MISD和MIMD四类，许多早期并行处理机是SIMD计算机，近年来，MIMD已经成为通用多处理机系统结构的选择。这是因为MIMD具有灵活性，并且MIMD 能充分利用现有微处理器的性价比优势。 判断题 1.从计算机语言的角度，系统结构把计算机系统按功能划分成多级层次结构，其中，第2级是操作系统虚拟机，第３级是汇编语言虚拟机。（错） 2.计算机系统中提高并行性的3种途径中，资源重复是在并行性概念中引入时间因素，加快硬件周转而赢得时间。（错） 3.指令集结构中采用多种寻址方式可能会增加实现的复杂度和使用这些寻址方式的指令的CPI。（对） 4.指令条数多，通常超过200条，是设计RISC的原则之一。（错） 5.根据流水线中各功能段之间是否有反馈回路，可把流水线分为线性流水线和非线性流水线。（对） 6.在多级存储体系中，“主存一辅存”层次的存储管理实现主要由软件实现。（对） 7.失效率和平均访存时间都可评价存储系统的性能，它们都和机器的硬件速度有关。(错) 8.RAID的特点有容量大，速度快、可靠性高，同时保存数据无冗余信息。(对) 9.在多处理机的互连网络中，交叉开关网络属于动态互连网络。（对） 10.机群是一种价格低廉、易于构建、可扩缩性极强的并行计算机系统。（对） 名词解释 1.RISC 精简指令集计算机是一种执行较少类型计算机指令的微处理器 2.请求字优先 调块时，首先向存储器请求CPU所要的请求字。请求字一旦到达，就立即送往CPU，让CPU继续执行，同时从存储器调入该块的其余部分。 3.单一系统映像
计算机系统结构基本习题和答案
计算机系统结构基本习题和答案 填空题 1、从（使用语言的）角度可以将系统看成是按（功能）划分的多个机器级组成的层次结构。 2、计算机系统结构的层次结构由高到低分别为（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）。 3、应用程序语言经（应用程序包）的（翻译）成高级语言程序。 4、高级语言程序经（编译程序）的（翻译）成汇编语言程序。 5、汇编语言程序经（汇编程序）的（翻译）成机器语言程序。 6、在操作系统机器级，一般用机器语言程序（解释）作业控制语句。 7、传统机器语言机器级，是用（微指令程序）来（解释）机器指令。 8、微指令由（硬件）直接执行。 9、在计算机系统结构的层次结构中，机器被定义为（能存储和执行相应语言程序的算法和数据结构）的集合体。 10、目前M0由（硬件）实现，M1用（微程序（固件））实现，M2到M5大多用（软件）实现。以（软件）为主实现的机器成为虚拟机。（虚拟机）不一定全用软件实现，有些操作也可用（固件或硬件）实现。 11、透明指的是（客观存在的事物或属性从某个角度看不到），它带来的好处是（简化某级的设计），带来的不利是（无法控制）。 12、计算机系统结构也称（计算机体系结构），指的是（传统机器级的系统结构）。它是（软件和硬件/固件）的交界面，是机器语言汇编语言程序设计者或编译程序设计者看到的（机器物理系统）的抽象。 13、计算机组成指的是（计算机系统结构的逻辑实现），包括（机器级内的数据流和控制流）的组成及逻辑设计等。计算机实现指的是（计算机组成的物理实现），它着眼于（器件）技术和（微组装）技术。14、确定指令系统中是否要设乘法指令属于（计算机系统结构），乘法指令是用专门的高速乘法器实现还是用加法器实现属于（计算机组成），乘法器和加法-移位器的物理实现属于（计算机实现）。 15、主存容量与编址方式的确定属于（计算机系统结构），主存是否采用多体交叉属于（计算机组 成），主存器件的选定属于（计算机实现）。 16、设计何种系列机属于（计算机系统结构），系列机内不同型号计算机的组织属于（计算机组成）。 17、是否采用通道方式输入输出的确定属于（计算机系统结构），通道采用结合型还是独立型属于（计算机组成）。 18、对PDP-11或V AX-11来说，单总线结构属于（计算机系统结构），其机器级的I/O连接和使用方式属于（计算机组成）。 19、由于计算机组成和计算机实现关系密切，有人称它们为（计算机实现），即计算机系统的（逻辑实现）和（物理实现）。 20、计算机系统结构可有（由上而下）、（由下而上）和（由中间开始）三种不同的设计思路。 21、“由中间开始”设计的“中间”是指（层次结构中的软硬交界面），目前多数是在（传统机器级）与（操作系统级）之间。 22、除了分布处理，MPP和机群系统外，并行处理计算机按其基本结构特征可分为（流水线计算机）、（阵列处理机）、（多处理机）、（数据流计算机）四种不同的结构。 23、费林按指令流和数据流的多倍性把计算机系统分类，这里的多倍性指（系统瓶颈部件上处于同一执行阶段的指令或数据的最大可能个数）。 24、费林分类法能反映出大多数计算机的并行工作方式和结构特点，但只能对（控制流）机器分类，不能对（数据流）机器分类，而且对（流水线处理机）的分类不确切。 25、我们把（着眼于软、硬件功能分配和确定程序设计所看到的机器级界面的计算机系统结构）称为从程序设计者看的计算机系统结构，而把（着眼于如何更好、更合理地实现分配给硬件的功能的计算机组成）称为从计算机设计者看的计算机系统能够结构。
计算机系统结构有详细答案
(仅供参考，不作为考试标准)， 选择题分，每题分)2(30计算机系统结构设计者所关心的是________所看到的的计算机结构。 A)硬件设计人员B)逻辑设计人员 D)高级语言程序员C)机器语言或汇编语言程序员 。意________，应当注提系在计算机统设计时，为了高系统性能度的令执行速快A)加经常性使用指大的指令特B)要别精心设计少量功能强数的占减少在数量上很小比例的指令条C)要度D)要加快少量指令的速 。的问题统中因________而导致系主重叠寄存器技术要用于解决在RISC 流水线影A)JMP指令响保护令B)CALL指的现场问存储器不便来只C)有LOAD和STORE指令带的访度速器访问D)存储 ________ 效率高计为使流水算机运行要A)各过程段时间不同B)连续处理的任务类型应该不同 D)连续处理的任务数尽可能少C)连续处理的任务类型应该相同 栈型替是的________。换算法堆不属于B)近期最少A)近期最使用法久未用法 D)页面失效频率法出进C)先先法 象联组，相映的优点。是________象联全与相映相比B)块冲突概率低C)命中率高D)主存利用率小录A)目表高 是方好关相指除中叠次一重消令最的法________。B)设相关专用令指改准A)不修通路 令指条下析分后推C) 令指条下行执后推D) 流的用采，时关据数到，中作水操遇相________。有法办解决器译编化优A)用办的排新重令指过通，测检序法据数B)向定重技术 C)延迟转移技术 D)加快和提前形成条件码 经多级网络串联来实现全排列网络，只能用________。 A)多级立方体网络B)多级PM2I网络 D)上述多级混洗交换网络任何网络C) 序传送的________。是以虫蚀寻径流水方式在各寻径器是顺B)包A)消息C)片节D)字 ________ 处理机超标量作指条令部件个B) 只有一操期A)在一个时钟周内分时发射多多钟C)在一个时周期内同时发射条指令件有只一个取指部D)
计算机体系结构试题汇总
计算机系统结构 姓名：学号： 一、简答题（每小题10分，共20分） 1．简述使用物理地址进行DMA存在的问题，及其解决办法。 2．从目的、技术途径、组成、分工方式、工作方式等5个方面对同构型多处理机和异构型多处理机做一比较（列表）。 二、（60分）现有如下表达式： Y＝a ×X 其中：X和Y是两个有64个元素的32位的整数的向量，a为32位的整数。假设在存储器中，X和Y的起始地址分别为1000和5000，a的起始地址为6000。 1．请写出实现该表达式的MIPS代码。 2．假设指令的平均执行时钟周期数为5，计算机的主频为500 MHz，请计算上述MIPS 代码（非流水化实现）的执行时间。 3．将上述MIPS代码在MIPS流水线上（有正常的定向路径、分支指令在译码段被解析出来）执行，请以最快执行方式调度该MIPS指令序列。注意：可以改变操作数，但不能改变操作码和指令条数。画出调度前和调度后的MIPS代码序列执行的流水线时空图，计算调度前和调度后的MIPS代码序列执行所需的时钟周期数，以及调度前后的MIPS流水线执行的加速比。 4．根据3的结果说明流水线相关对CPU性能的影响。 三、（20分）请分析I/O对于性能的影响有多大？假设： 1．I/O操作按照页面方式进行，每页大小为16 KB，Cache块大小为64 B；且对应新页的地址不在Cache中；而CPU不访问新调入页面中的任何数据。 2．Cache中95%被替换的块将再次被读取，并引起一次失效；Cache使用写回方法，平均50%的块被修改过；I/O系统缓冲能够存储一个完整的Cache块。 3．访问或失效在所有Cache块中均匀分布；在CPU和I/O之间，没有其他访问Cache 的干扰；无I/O时，每1百万个时钟周期中，有15,000次失效；失效开销是30个时钟周期。如果替换块被修改过，则再加上30个周期用于写回主存。计算机平均每1百万个周期处理一页。
计算机系统结构论文
计算机系统结构论文 计算机系统结构中多处理机技术 摘要：多处理机通过共享的主存或输入/输出子系统或高速通信网络进行通信。利用多台处理机进行多任务处理，协同求解一个大而复杂的问题来提高速度，或者依靠冗余的处理机及其重组能力来提高系统的可靠性、适应性和可用行。该文介绍了微处理器的发展、多处理机的总线以及处理机系统中通信和存储技术的发展和两种特殊的多处理机系统结构。 关键词：多处理机；体系结构；总线 微电子技术和封装技术的进步，使得高性能的VLSI 微处理器得以大批量生产，性能价格比不断合理，这为并行多处理机的发展奠定了重要的物质基础。 计算机系统性能增长的根本因素有两个：一是微电子技术，另一个是计算机体系结构技术。五十年代以来，人们先后采用了先行控制技术、流水线技术、增加功能部件甚至多机技术、存储寻址和管理能力的扩充、功能分布的强化、各种互联网络的拓扑结构以及支持多道、多任务的软件技术等一系列并行处理技术，提高计算机处理速度，增强系统性能。多处理机体系结构是计算机体系结构发展中的一个重要内容，已成为并行计算机发展中人们最关注的结构。
1 微处理器的发展 20 世纪80 年代中期，RISC 精简指令集计算机，用20%指令的组合实现了CISC 计算机指令系统不常用的80%指令的功能。在提高性能方面，RISC 采用了超级流水线、超级标量、超长指令字并行处理结构；多级指令Cache；编译优化等技术，充分利用RISC 的内部资源，发挥其内部操作的并行性，从而提高流水线的执行效率。20 世纪80 年代后期，RISC 处理机的性能指标几乎以每年翻一番的速度发展，它对于提高计算机系统的性能和应用水平起着巨大的作用。 目前，由Intel 和HP 两家公司联合开发的基于IA—64 架构的Merced 芯片，并由其共同定义的显式并行指令计算技术EPIC(Explicitly Parallel Instruction Computing )，将为微处理器技术的发展带来突破性进展。EPIC 技术主要指编译器在微处理器执行指令之前就对整个程序的代码作出优化安排，编译器分析指令间的依赖关系，将没有依赖关系的指令(最多3 个)组成一“组”，由Merced内置的执行单元读入被分成组的指令群并执行。从理论上讲，EPIC 可以并行执行3 倍于执行单元数的指令。64 位体系结构的Merced 芯片还采用了指令预测、数据预装等技术，可以显著地减少实际执行程序的长度，同时增强语句执行的并行性，经过代码的重组，程序的执行时间比基于传统体系结构
计算机系统结构期末考试试题及其答案
计算机系统结构期末考试试题及其答案
《计算机系统结构》期末考试试卷A 卷第 2 页 共 24 页 计算机科学系《计算机系统结构》期末考试试卷（A 卷） 2、此试卷适用于计算机科学与技术本科专业。 一 单选题：(10分，每题1分) 1、 ."启动I/O"指令是主要的输入输出指 令，是属于（ B ） A.目态指令 B.管态指令 C.目态、管态都能用的指令 D.编译程序只能用的指令 2、 输入输出系统硬件的功能对(B )是透 明的 A.操作系统程序员 B.应用程序员 C.系统结构设计人员 D.机器语言程序设计员 3、 全相联地址映象是指（A ） A.任何虚页都可装入主存中任何实页的位置 B.一个虚页只装进固定的主存实页位置 C.组之间固定，组内任何虚页可装入任何实页位
置 D.组间可任意装入，组内是固定装入 4、( C ) 属于MIMD系统结构 A.各处理单元同时受一个控制单元的管理 B.各处理单元同时受同个控制单元送来的指令 C.松耦合多处理机和多计算机系统 D.阵列处理机 5、多处理机上两个程序段之间若有先写 后读的数据相关，则（B ） A.可以并行执行 B.不可能并行 C.任何情况均可交换串行 D.必须并行执行 6、计算机使用的语言是（B） A.专属软件范畴，与计算机体系结构无关 B.分属于计算机系统各个层次 C.属于用以建立一个用户的应用环境 D.属于符号化的机器指令 7、指令执行结果出现异常引起的中断是 （C ） A.输入/输出中断 B.机器校验中断 C.程序性中断 D.外部中断 《计算机系统结构》期末考试试卷A卷第 3 页共 24 页
计算机体系结构的基本概念
计算机体系结构的基本概念
第一章计算机体系结构的基本概念 1、20世纪50年代，人们认为在银行里用计算 机来完成现金存取业务的想法三荒唐可 笑的。 2、填空题：计算机的发展始终受到制造技术 和计算机体系结构技术的双重影响。 3、目前广泛使用的存储程序计算机的完整概念 就是在这个时期产生的，人们通常称之为冯.诺依曼计算机结构。 3、微处理器出现以后，计算机系统设计、计算 机市场和计算机应用都出现了较大的变化。 首先，计算机用户是最直接的收益者。 第二，对于市场而言，微处理器的大批量生产促成了计算机产品的批量化、标准化、和市场化，这种变化也促进了计算机设计、生产和应用的良性发展。 第三、大量兼容的微处理器、标准化的接口、高度兼容的计算机系统的出现，避免了系统程序和应用程序的重复开发。 4、经典的关于“计算机体系结构”的定义三 1964年C.M.Amdahl在介绍IBM360系统时提出的，其具体描叙为“计算机体系结构是程序员所看到的计算机的属性，即概念性
结构与功能特性”。 5、Amdahi提出的体系结构是指机器语言程序级 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际是计算机系 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定的功能来实现。 7、系列机的软件兼容还有向上兼容、向下兼容、 向前兼容、向后兼容之分。 8、现代计算机实现技术的基础核心是以晶体管 为基本单元的平面集成电路。 9、集成电路密度大约每两年翻一番。 10、集成电路制造中的重要技术指标之一是特 征尺寸，在现有集成电路制造工艺中，它 是指集成电路上一个晶体管的尺寸或者x 和y两个维度上的最大制造线宽。 11、用户关心的是响应时间：从事件开始到结 束之间的时间，也称为执行时间。 管理员关心的是如何提高流量：在单位时间内所能完成的工作量。 它们的相同点是都认为能够以最短时间完成指定任务的计算机就是最快的；这两 者之间的不同点是响应时间通常针对单任 务，而流量往往针对多任务。
计算机系统结构与并行处理
第 1 页 ( 共 8 页 ) 命题纸使用说明：1、字迹必须端正，以黑色碳素墨水书写在框线内，文字与图均不得剪贴，以保证“扫描”质量； 2、命题纸只作考试（测验）命题所用，不得移作他用。 大学 2003 ～ 2004 学年 秋 季学期试卷 课程名:计算机系统结构与并行处理(一) 学分：_4_ 学号：_______ 姓名：_________ 院：计算机学院 一．填充题： （每小题3分、共12分） 1．计算机系统结构定义是程序设计者所看到的计算机属性，即概念性，结构，功能性。 2．虚拟存储系统，辅存容量为228Byte ，主存容量为216Byte ，页面为1Kbyte ，则MEM 系统提供的程序空间有 218 页，对应实存空间 26 页，若采用组相联，则整个虚存应分为 212 区。 3．流水线结构的并行性是采用 时间重迭 的技术途径。 4．在系统结构中，程序访问局部化性质应用于 cache ， 流水线， 虚拟存储器 等方面。 二．简答题： （每小题4分、共24分） 1．简述系列机的概念。 先设计一种系统结构；按其设计它的系统软件； 按照器件状况和硬件技术，研究这种结构的各种实现方法； 按速度，价格等不同要求分别提供不同速度，不同配置的各档机器。 成 绩
第 2 页 ( 共 8 页 ) 2．存储器层次结构是怎样的？其容量、速度、价格是怎样分布的。 速度越来越快，价格越来越高寄存器组 cache 主存储器 辅助存储器 后援存储器 容量越来越 大 3．简述虚拟计算机概念。 计算机只对观察者而存在；功能体现在广义语言上；对该语言提供解释手段；作用在信息处理或控制对象上；简言之，是由软件实现的机器。 4．What is the policy of “write back” when writing to the cache? (answer in English) The information is written only to the block in the cache. The modified cache block is written to main memory only when it is replaced.
完整版计算机体系结构课后习题原版答案_张晨曦著
第1章计算机系统结构的基本概念 (1) 第2章指令集结构的分类 (10) 第3章流水线技术 (15) 第4章指令级并行 (37) 第5章存储层次 (55) 第6章输入输出系统 (70) 第7章互连网络 (41) 第8章多处理机 (45) 第9章机群 (45) 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。
计算机体系结构模拟试题二汇总
模拟试题二 课程名称计算机系统结构适用班级： 考试时间120分钟班级学 号姓名 一、单项选择题(本大题共10小题，每小题2分，共20分。在每小题的四个备选答案中选出一个符合题意的，并将其前面的序号填在题后的括号内。) 1.输入输出系统硬件的功能对（）是透明的。 ①操作系统程序员②应用程序员③系统结构设计人员④机器语言程序设计员 2."启动I/O"指令是主要的输入输出指令，是属于（） ①目态指令②管态指令③目态、管态都能用的指令④编译程序只能用的指令 3.全相联地址映象是指（） ①任何虚页都可装入主存中任何实页的位置 ②一个虚页只装进固定的主存实页位置 ③组之间是固定的，而组内任何虚页可以装入任何实页位置 ④组间可任意装入，组内是固定装入 4.（）属于MIMD系统结构。 ①各处理单元同时受同一个控制单元的管理 ②各处理单元同时接受同一个控制单元送来的指令 ③多处理机和多计算机系统 ④阵列处理机 5.在下列方法中，指令并行度不能大于1的是（）。 ①超级流水②超标量③超长指令字④标量流水线 6.设16个处理器编号分别为0，1，2，…，15用Cube3互联函数时，第10号处理机与第( )
号处理机相连. ①11 ②8 ③l4 ④2 7.若输入流水线的指令既无局部性相关，也不存在全局性相关，则（） ①可获得高的吞吐率和效率②流水线的效率和吞吐率恶化 ③出现瓶颈④可靠性提高 8.对于共享主存的多处理机系统，在各个CPU都带有自己的Cache的情况下，为保证处理机所带Cache的一致性，可采用的方法有（） ①写直达法②写回法③播写法④堆栈法 9.下面哪种相关不是流水线顺序流动方式所具有的（） ①数据相关②指令相关③先读后写④先写后读 10.下面关于Omega网络和多级立方体网络的说法错误的是（） ①Omega网络采用四功能单元 ②Omega网络和多级立方体网络的控制方式是不一样的 ③Omega网络可以实现一个处理单元与多个处理单元的同时连接 ④Omega网络和多级立方体网络的级编号顺序正好相反。 二、填空题(本大题共10小题，每小题1分，共10分。把答案填在题中横线上。) 1.为提高计算机系统的并行性，可通过的技术途径有__________、资源重复和资源共享。 2.按弗林(Michael J.Flynn)的观点，计算机系统可分为SISD、、MISD 和MIMD四大类。 3.为提高访Cache的命中率，Cache的预取算法可以有恒预取法和___________预取法。 4.衡量主存性能的指标是访问时间、存储周期和__________。 5.要实现两条指令在时间上重叠解释，首先是以增加硬件为代价的，其次，还要处理好指令之间可能存在的。 6.互连网络的交换方法主要有线路交换、包交换、线路/包交换，SIMD互连网络多采用交换，多处理机常采用包交换。 7.为同时解释相邻两条或多条指令，常用的控制方式是重叠和____________。 8.数组多路通道与设备之间的数据传送的基本单位是_____。 9.多级互连网络的交换开关控制方式主要有三种，分别是______、单元控制和部分级控制。 10.多处理机系统按照连接的紧密程度主要分两大类，分别是___________和松散耦合多处理
计算机体系结构知识点汇总
第一章计算机体系结构的基本概念 1.计算机系统结构的经典定义 程序员所看到的计算机属性，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。 3.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。 4.常见的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) 5. 改进后程序的总执行时间
系统加速比为改进前与改进后总执行时间之比 6.CPI（Cycles Per Instruction）:每条指令执行的平均时钟周期数 CPI = 执行程序所需的时钟周期数／IC 7.存储程序原理的基本点：指令驱动 8.冯·诺依曼结构的主要特点 1.以运算器为中心。 2.在存储器中，指令和数据同等对待。 指令和数据一样可以进行运算，即由指令组成的程序是可以修改的。 3.存储器是按地址访问、按顺序线性编址的一维结构，每个单元的位数是固定的。 4.指令的执行是顺序的 5.指令由操作码和地址码组成。 6.指令和数据均以二进制编码表示，采用二进制运算。 9.软件的可移植性 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。差别只是执行时间的不同。我们称这两台计算机是软件兼容的。 实现可移植性的常用方法: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：按某档机器编制的程序，不加修改就能运行于比它高（低）档的机器。 向前（后）兼容：按某个时期投入市场的某种型号机器编制的程序，不加修改地就能运行于在它之前（后）投入市场的机器。 向后兼容是系列机的根本特征。 兼容机：由不同公司厂家生产的具有相同系统结构的计算机。
计算机网络体系结构论文
计算机网络体系结构 摘要：计算机冈络体系结构描述了计算机网络功能实体的划分原则及其相互之间协同工作的方法和规则。本文主要介绍的是现在应用比较广泛的层次型网络体系结构，OSI基本参考模型，计算机网络的七层通信协议的主要功能及其之间的关系，并简单介绍了TCP/IP四层通信模型。 关键字：计算机网络，层次型网络体系结构，OSI，TCP/IP 上世纪60年代末期，早期的网络都是各公司根据用户的要求而设计的。虽然用户的应用要求千变万化，但对网络（通信）的要求相对一致。为使公司的产品可以适应千变万化的应用要求，尤其是适应用户扩充应用的要求，同时也是为了满足市场的要求，保证新老产品的兼容性和可操作性，各公司提出了基于本公司产品的计算机网络体系结构。 随着计算机技术和通信技术的发展，通用的计算机网络体系结构逐渐浮出水面。现在应用比较广泛的网络体系结构为层次型网络体系结构。层次型网络体系结构是计算机网络出现以后第一个被提出并实际使用的网络体系结构。直到目前，其产生和发展的过程始终与计算机网络产生和发展的过程保持协调一致。为了简化网络设计与实现的复杂性，层次型网络体系结构将复杂的网络问题分解为若干个不同的小问题，每个层次专注于解决特定的同题，这样就比较容易对所解决本层次涉及的同题实现模块化和标准化，标准化的层次间的通信规则被称为协议。层次型网络体系结构是层和协议的集合。典型的层次型网络体系结构通信模型如下图所示 层次型网络体系结构首先提出了模块化的设计实现思想：将复杂的网络问题分解为较为单纯易于解决的小问题；用不同的模块解决不同的问题。不同的模块之间接口简单明确，因此可以各自独立地制定标准和进行开发。这一思路即使在后来出现的其他网络体系结构中仍然得到了遵循。 国际标准化组织ISO为层次型网络体系结构设计了OSI参考模型。该模型将网络自底向上划分为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层七个层次，每
计算机系统结构试题及答案
计算机系统结构复习题 单选及填空： 计算机系统设计的主要方法 1、由上往下的设计（top-down） 2、由下往上的设计（bottom-up） 3、从中间开始（middle-out） Flynn分类法把计算机系统的结构分为以下四类： （1）单指令流单数据流 （2）单指令流多数据流 （3）多指令流单数据流 (4) 多指令流多数据流 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。 名词解释： 虚拟机：用软件实现的机器叫做虚拟机，但虚拟机不一定完全由软件实现，有些操作可以由硬件或固件（固件是指具有软件功能的固件）实现。 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。 兼容机：它是指由不同公司厂家生产的具有相同系统结构的计算机。 流水线技术：将一个重复的时序过程，分解成为若干个子过程，而每一个子过程都可有效地在其专用功能段上与其它子过程同时执行。 单功能流水线：指流水线的各段之间的连接固定不变、只能完成一种固定功能的流水线。 多功能流水线：指各段可以进行不同的连接，以实现不同的功能的流水线。 顺序流水线：流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流入的顺序完全相同。 乱序流水线：流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流入的顺序可以不同，允许后进入流水线的任务先完成。这种流水线又称为无序流水线、错序流水线、异步流水线。 吞吐率：在单位时间流水线所完成的任务数量或输出结果的数量。 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。 超标量： 一种多指令流出技术。它在每个时钟周期流出的指令条数不固定，依代码的具体情况而定，但有个上限。 超流水：在一个时钟周期分时流出多条指令。 多级存储层次： 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，各存储器之间一般满足包容关系，即任何一层存储器中的容都是其下一层（离CPU更远的一层）存储器中容的子集。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。 写直达法： 在执行写操作时，不仅把信息写入Cache中相应的块，而且也写入下一级存储器中相应的块。写回法： 只把信息写入Cache中相应块，该块只有被替换时，才被写回主存。 集中式共享多处理机： 也称为对称式共享存储器多处理SMP。它一般由几十个处理器构成，各处理器共享一个集中式的物理存储器，这个主存相对于各处理器的关系是对称的， 分布式共享多处理机： 它的共享存储器分布在各台处理机中，每台处理机都带有自己的本地存储器，组成一个“处理机-存储器”单元。但是这些分布在各台处理机中的实际存储器又合在一起统一编址，在逻辑上组成一个共享存储器。这些处理机存储器单元通过互连网络连接在一起，每台处理机除了能访问本地存储器外，还能通过互连网络直接访问在其他处理机存储器单元中的“远程存储器”。 多Cache一致性： 多处理机中，当共享数据进入Cache，就可能出现多个处理器的Cache中都有同一存储器块的副本，要保证多个副本数据是一致的。 写作废协议： 在处理器对某个数据项进行写入之前，它拥有对该数据项的唯一的访问权 。 写更新协议： 当一个处理器对某数据项进行写入时，它把该新数据广播给所有其它Cache。这些Cache用该新数据对其中的副本进行更新。 机群：是一种价格低廉、易于构建、可扩放性极强的并行计算机系统。它由多台同构或异构
计算机系统结构张晨曦版课后答案
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。
计算机系毕业论文
计算机系毕业论文 计算机系毕业论文篇一：计算机系统结构简述 摘要：计算机系统结构是一个有多个层次组合而成的有机整体，随着科技的不断发展，未来的计算机将会朝着微型化、网络化和智能化的方向发展，为了使大家对计算机系统结构有一个大概的了解，本文主要介绍了计算机系统结构的一些基本概念、计算机系统结构的发展、计算机系统结构的分类方法和计算机系统设计的方法。 关键词：计算机系统结构;冯诺依曼结构;Flynn分类法;冯氏分类法 世界上第一台电子计算机ENIAC诞生于1946年，在问世将近70年的时间里，计算机共历经电子管计算机时代、晶体管计算机时代、中小规模集成电路计算机时代、大规模和超大规模集成电路计算机时代和巨大规模集成电路计算机时代，计算机更新换代的一个重要指标就是计算机系统结构。 1 计算机系统结构的基本概念 1.1 计算机系统层次结构的概念 现代计算机系统是由硬件和软件组合而成的一个有机整体，如果继续细分可以分成7层。L0：硬联逻辑电路;L1：微程序机器级;L2：机器语言级;L3：操作系统级;L4：汇编语言级;L5：高级语言级;L6：应用语言级。其中L0级由硬件实现;L1级的机器语言是微指令级，用固件来实现;L2级的机器语言是机器指令集，用L1级的微程序进行解释执行;L3级的机器语言由传统机器指令集和操作系统级指令组成，除了操作系统级指令由操作系统解释执行外，其余用这一级语言编写的程序由L2和L3共同执行;L4级的机器语言是汇编语言，该级语言编写的程序首先被翻译成L2或L3级语言，然后再由相应的机器执行;L5级的机器语言是高级语言，用该级语言编写的程序一般被翻译到L3或L4上，个别的高级语言用解释的方法实现;L6级的机器语言适应用语言，一般被翻译到L5级上。 1.2 计算机系统结构的定义 计算机系统结构较为经典的定义是Amdahl等人在1964年提出的：由程序设计者所看到的一个计算机系统的属性，即概念性结构和功能特性。由于计算机具有不同的层次结构，所以处在不同层次的程序设计者所看到的计算机的属性显然不同。