第八章并行处理机和多处理机
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第一章操作系统概述课后习题1. 硬件将处理机划分为两种状态,即管态和目态,这样做给操作系统设计带来什么好处 ? 答:便于设计安全可靠的操作系统。
管态和目态是计算机硬件为保护操作系统免受用户程序的干扰和破坏而引入的两种状态。
通常操作系统在管态下运行,可以执行所有机器指令;而用户程序在目态下运行,只能执行非特权指令。
如果用户程序企图在目态下执行特权指令,将会引起保护性中断,由操作系统终止该程序的执行,从而保护了操作系统。
2. 何为特权指令?举例说明之。
如果允许用户执行特权指令,会带来什么后果?答:只能在态下才能执行的指令称为特权指令。
如开关中断、置程序状态寄存器等。
如果允许用户执行特权指令,它将不仅影响当前运行的程序,而且还有可能影响操作系统的正常运行,甚至整个系统。
3. 中断向量在机器中的存储位置是由硬件确定的,还是由软件确定的 ? 答:中断向量在机器中的位置是由硬件确定的。
例如,在 INTEL 80x86 CPU 中,内存空间0x00000——0x003ff为中断向量空间。
4. 中断向量的内容是由操作系统程序确定的还是由用户程序确定的?答:中断向量的内容是由操作系统程序确定的。
向量的内容包括中断处理程序的入口地址和程序状态字(中断处理程序运行环境),中断处理程序是由操作系统装入内存的,操作系统将根据装入的实际地址和该中断处理程序的运行环境来填写中断向量。
5. 中断向量内的处理机状态位应当标明是管态还是目态 ? 为什么? 答:应当标明是管态。
该状态由系统初试化程序设置,这样才能保证中断发生后进入操作系统规定的中断处理程序。
6. 中断和程序并发之间的关系是什么?答:中断是程序并发的必要条件。
如果没有中断,操作系统不能获得系统控制权,无法按调度算法对处机进行重新分配,一个程序将一直运行到结束而不会被打断。
7. 说明“栈”和“堆”的差别.答:栈是一块按后进先出(FIFO)规则访问的存储区域,用来实现中断嵌套和子程序调用的参数和返回断点。
一、填空题
1、按弗林(Flynn)提出的计算机系统分类方法,多处理机属于( )
A.SISD
B.SIMD
C.MISD
D.MIMD
2、在共享主存的多处理机中,为减少访问主存冲突,采用的方式一般是( D )
A.虚拟存储器B.共享Cache存储器
C.用高速单体主存系统D.并行多体交叉主存系统
二、填空题
1、多处理器系统具有两种典型的结构:和;P222
2、在多核处理器中,根据集成的多核处理器核心是否相同,多核处理器可分为
和。
3、解决多处理cache一致性问题的方法有:软件方法、总线监听法和目录表法。
三、名词解释
1、超线程技术
P217
2、多处理器系统
3、多核处理器
四、简答题
1、单核处理器的发展受到那几个方面的限制?
或者这么问:(为什么单核处理器会被多核处理器取代?)
P219
2、多处理器系统,按组成规模,其分为哪4个层次?
P222
3、为了充分发挥多处理器系统的并行处理能力,需要面对哪2个问题?
解决方法是什么?
P227
4、解决多处理cache一致性问题的方法有哪3种?
5、集群系统的特点?
P241
6、构建集群系统的关键技术?P243
7、多核处理器的优点?
P221。
操作系统五大管理功能包括哪些操作系统的五个基本管理功能你知道是什么呢?下面由店铺整理了操作系统五大管理功能包括哪些的相关知识,希望对你有帮助。
操作系统五大管理功能包括哪些1) 设备管理:主要是负责内核与外围设备的数据交互,实质是对硬件设备的管理,包括对输入输出设备的分配,初始化,维护与回收等。
例如管理音频输入输出。
2) 作业管理:这部分功能主要是负责人机交互,图形界面或者系统任务的管理。
3) 文件管理:这部分功能涉及文件的逻辑组织和物理组织,目录结构和管理等。
从操作系统的角度来看,文件系统是系统对文件存储器的存储空间进行分配,维护和回收,同时负责文件的索引,共享和权限保护。
而从用户的角度来说,文件系统是按照文件目录和文件名来进行存取的。
4) 进程管理:说明一个进程存在的唯一标志是pcb(进程控制块),负责维护进程的信息和状态。
进程管理实质上是系统采取某些进程调度算法来使处理合理的分配给每个任务使用。
5)存储管理:数据的存储方式和组织结构。
补充:操作系统的四大类操作系统的类型也可以分为几种:批处理系统,分时操作系统,实时操作系统,网络操作系统等。
下面将简单的介绍他们各自的特点:1) 批处理系统:首先,用户提交完作业后并在获得结果之前不会再与操作系统进行数据交互,用户提交的作业由系统外存储存为后备作业;数据是成批处理的,有操作系统负责作业的自动完成;支持多道程序运行。
2) 分时操作系统:首先交互性方面,用户可以对程序动态运行时对其加以控制;支持多个用户登录终端,并且每个用户共享CPU和其他系统资源。
3) 实时操作系统:会有时钟管理,包括定时处理和延迟处理。
实时性要求比较高,某些任务必须优先处理,而有些任务则会被延迟调度完成。
4) 网络操作系统:网络操作系统主要有几种基本功能(1) 网络通信:负责在源主机与目标主机之间的数据的可靠通信,这是最基本的功能。
(2) 网络服务:系统支持一些电子邮件服务,文件传输,数据共享,设备共享等。
并行处理机名词解释
并行处理机(Parallel Processing Machine,PPM)是一种具有多个处理器的计算机系统,可以同时运行多个程序或处理大量的数据。
并行处理机最初被设计用于处理大量的科学计算,但现在已经广泛应用于各种领域,包括数据库管理、图像处理、机器学习等。
并行处理机可以分为对称多处理机(SMP)和非对称多处理机(NUMA)两种类型。
SMP系统中,所有的处理器都可以访问共享内存,因此所有的处理器都可以同时访问同一块内存。
在NUMA系统中,每个处理器都有自己的本地内存,但仍然可以访问全局内存。
在并行处理机中,任务通常被分成许多子任务,然后分配给不同的处理器处理,这样可以加快计算速度。
并行处理机中的任务分配和调度通常由操作系统或者硬件调度器完成,以确保处理器之间的负载均衡,同时最大限度地利用系统的资源。
并行处理机的性能通常可以通过增加处理器的数量来提高。
然而,这也需要更复杂的编程技术和算法,以确保任务之间的正确同步和协调。
此外,为了获得最佳性能,必须选择合适的硬件、操作系统和算法,并优化任务分配和数据访问模式。
总之,并行处理机是一种强大的计算机系统,可以通过多处理器和并行计算来提高计算速度和性能,适用于需要处理大量数据和复杂计算的应用程序。
并行处理技术摘要:并行处理计算机是计算机设计的未来。
当代面临着的重大科学技术问题要依赖于计算技术协助解决,一方面要作大型计算以得到更精确的解,另一方面要作计算机模拟,以便进一步了解所探讨问题的结构与运动规律。
这两个方面都离不开并行处理技术。
虽然许多人都认识到并行处理技术的重要性,但并行处理技术的发展道路并不平坦。
从70年代到90年代中期,中间几起几落,究其原因,就是并行计算技术仍然遇到若干困难,使其无法推广应用。
这其中既有软件方面的(并行程序设计)问题,也有硬件方面(并行处理机)的原因。
本文主要从并行程序设计和并行处理机两方面对并行处理技术进行了简要的介绍。
关键词:并行处理技术、并行处理机、并行程序引言人类对计算能力的需求是永无止境的,而在各种类型的计算系统中,超级计算机的性能最高。
90年代以来,超级计算机在工业、商业和设计等民用领域的重要性越来越明显了。
因此,超级计算机的发展,不仅会深刻地改变产品和材料的设计方法,改变研究和实验的方式,而且将逐步影响人们的生活方式。
超级计算机已经成为体现一个国家经济和国防力量的重要标志。
20多年来,超级计算机的工作频率只提高了将近10倍,而峰值速度却提高了1万倍。
这说明,主要的性能改善来自结构的进步,尤其是来自各种形式的并行处理技术。
但是,超级计算机的用户们关心的并不是系统在理论上的最高速度,而是实际解题所需要的时间和程序设计及移植的工作量。
并行处理是提高计算机系统性能的重要途径。
目前几乎所有的高性能计算机系统,都或多或少地采用了并行处理技术。
本文将就并行处理技术做简要的介绍。
何为并行并行性主要是指同时性或并发性,并行处理是指对一种相对于串行处理的处理方式,它着重开发计算过程中存在的并发事件。
并行性通常划分为作业级、任务级、例行程序或子程序级、循环和迭代级以及语句和指令级。
作业级的层次高,并行处理粒度粗。
粗粒度开并行性开发主要采用MIMD方式,而细粒度并行性开发则主要采用SIMD方式。
1. 计算机基本组成:运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。
2.并行性是指计算机系统具有可以同时进行运算或操作的特性,包括同时性与并发性。
3.基本思想:时间重叠、资源重叠、资源共享。
4.传统串行方式:优:控制简单,节省设备缺:执行指令速度慢,功能部件利用率低。
5.流水线处理机:优:程序执行时间短,功能部件利用率高缺:增加硬件,控制过程较复杂。
6.并行处理机SIMD 一个控制器CU,N个处理单元PE,一个互连网络IN 。
7.并行处理机主要特点:⑴单指令流多数据流方式工作。
⑵采用资源重复方法引入空间因素。
⑶以某一类算法为背景的专用计算机。
⑷并行处理机的研究必须与并行算法研究密切结合。
⑸异构型多处理系统。
8.多处理机系统组成MIMD:N个处理机+1个处理机存储器互联网络(PMIN)。
9.多处理机系统特点:⑴结构灵活并行处理机处理单元很多;多处理机有较强通用性,适用多样算法,处理单元数量较少。
⑵程序并行性并行处理11.RISC与CISC比较主要特点如下:⑴指令数目较少,一般选用使用频度最高的一些简单指令。
⑵指令长度固定,指令格式种类少,寻址方式种类少。
⑶大多数指令可在一个机器周期内完成。
⑷通用寄存器数量多,只有存数/取数指令访问存储器,其余指令无关寄存器之间进行操作。
两者主要区别在于设计思想上。
12.存储系统分类:高速缓冲存储器(Cache,双极半导体)主存储器(MOS半导休,又称内存储器,包括高速缓存和主存)辅助存储器。
13.存储器的层次:高速缓存-主存主存-辅存14.主存的基本组成:双极型MOS型(由存储体、地址译码器、驱动器、I/O控制、片选控制、读/写控制)。
15.存储器的主要技术指标:存储容量、存取速度(访问时间、存储周期TM)TM>TA、读出时间TM>TW、写入时间、可靠性、MTBF平均故障间隔时间。
16.计算机应用领域:科学计算、信息管理、计算机图形学与多媒体技术、语言与文字处理、人工智能。
多处理机操作系统的分类随着计算机技术的发展,计算机的性能越来越强大,同时单一的中央处理器(CPU)已经无法满足用户的需求,因此多处理机(Multiprocessor)系统开始得到广泛应用。
多处理机操作系统是针对多处理器系统进行设计的操作系统,为了更好地管理多个处理器资源,多处理机操作系统一般具有以下几种分类:1.对称多处理(SMP)操作系统对称多处理(SMP)操作系统是最常见的多处理机操作系统,它是一种完全对称的多处理器系统,即每个处理器都完全相同,可以运行相同的操作系统和应用程序,并且可以共享系统资源(例如内存)。
在SMP系统中,所有处理器都具有同等的权限,因此操作系统必须能够管理所有处理器的资源使用情况,以保证系统的稳定性和性能。
例如,一些常见的SMP操作系统包括Windows和Linux等。
2.非对称多处理(ASMP)操作系统非对称多处理(ASMP)操作系统是另一种多处理机操作系统,它是一种非对称的多处理器系统,即系统中的处理器具有不同的权限,并且不一定能够共享所有系统资源。
ASMP操作系统通常由主处理器(master processor)和从处理器(slave processor)组成,主处理器负责系统的整体管理和调度,而从处理器则负责执行具体的计算任务。
ASMP操作系统常用于大型服务器或超级计算机系统中,以实现高性能的计算和并行处理任务。
3.混合多处理(Hybrid MP)操作系统混合多处理(Hybrid MP)操作系统是介于SMP和ASMP之间的一种多处理机操作系统。
它既具有SMP操作系统的对称性和资源共享特性,又具有ASMP操作系统的异构性和任务分配特性。
混合多处理操作系统通常使用多个架构不同的处理器进行设计,以便能够最大限度地发挥各处理器的优点,并且支持灵活的负载均衡和资源分配功能。
例如,一些常见的混合多处理操作系统包括Solaris和AIX等。
总之,多处理机操作系统是一个复杂的技术领域,需要考虑许多方面的因素,包括系统硬件、软件、资源管理、并发控制等。
并行计算的参考题目1、讨论某一种算法的可扩放性时,一般指什么?88答:讨论某一种算法的可扩放性时,实际上是指该算法针对某一特定机器结构的可扩放性2、使用“Do in Parallel”语句时,表示的是什么含义105答:表示算法的若干步要并行执行3、并行计算机的存储访问类型有哪几种?26答:存储访问类型有:UMA(均匀存储访问)、NUMA(非均匀存储访问)、COMA(全高速缓存存储访问)、CC-NUMA(高速缓存一致性非均匀存储访问)、NORMAl(非远程存储访问)4、什么是同步?它有什么作用?如何实现?107答:同步是在时间上强使各执行进程在某一点必须相互等待。
作用:确保个处理器的正确工作顺序以及对共享可写数据的正确访问(互斥访问)。
实现方法:用软件、硬件和固件的方法实现。
5 在并行加速比的计算中,常用的三种加速比定律分别是哪三种?(P83)答:常用的三种加速比定律分别是:适用于固定计算负载的Amdahl定律,适用于可扩放问题的Gustafson定律和受限于存储器的Sun和Ni定律。
6、试比较Amdahl定律、Gustafson定律、Sun和Ni定律三种加速定律的应用场合。
83 答:Amdahl定律适用于固定计算负载的问题Gustafson定律适用于可扩放性问题Sun和Ni定律适用于受限于存储器的问题。
7.并行算法的基本设计技术有哪些?它们的基本思想是什么?139答:(1)基本技术有:划分设计技术(又分为均匀划分技术、方根划分技术、对数划分技术和功能划分技术)、分治设计技术、平衡树设计技术、倍增设计技术、流水线设计技术等。
(2)基本思想分别如下:a.划分设计技术:(P139) 将一原始问题分成若干部分,然后各部分由相应的处理器同时执行。
b.分治设计技术:(P144)将一个大二复杂的问题分解成若干特性相同的子问题分而治之。
若所得的子问题规模仍嫌过大,可反复使用分治策略,直至很容易求解诸子问题为止。
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 (6)第3章流水线技术 (8)第4章指令级并行 (21)第5章存储层次 (30)第6章输入输出系统 (38)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。
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。