计算机系统结构多处理机

02325计算机系统结构复习题一、单项选择题1．多处理机上两个程序段之间同时有先读后写和先写后读两种数据相关，则（C ）A．交换串行B．不能并行执行C．必须并行执行D．顺序串行2．输入输出系统硬件的功能对下面哪一类人员是透明的（A）A．应用程序员B．操作系统程序员C．机器语言程序设计员D．系统结构设计人员3．输入流水线的指令既无局部性相关也没有全局性相关，则（ B ）A．出现瓶颈B．可获得高的吞吐率和效率C．可靠性提高D．流水线的效率和吞吐率恶化4．相对较好的处理浮点数尾数的下溢的方法是（ D ）A．舍入法B．恒置1法C．截断法D．查表舍入法5．以下属于操作级并行SIMD计算机的是（ A ）A．阵列处理机B．多处理机C．超标量处理机D．超流水线处理机6．数据表示的含义是（ C ）A．程序中的数据格式B．数据结构C．硬件能直接识别引用的数据类型D．数据类型7．下面不是流水机器全局相关的处理方法的是（ B ）A．采取延迟转移B．堆栈法C．猜测法D．加快短循环程序的处理8．面向堆栈的寻址（ D ）A．能更好地支持向量的运算B．比面向寄存器的寻址访问速度快C．能更好地支持矩阵运算D．有利于子程序嵌套、递归调用参数、返回地址与现场的保存和恢复9．中断的优先级由高到低的是（ D ）A．程序性→I/O→机器校验B．外部→重新启动→程序性C．I/O→程序性→掉电D．通路错→程序性→I/O→重新启动10．多端口存储器适合于连接（ C ）A．机数很多的多处理机B．机数可变的多处理机C．紧耦合多处理机D．松耦合多处理机11．关于归约机的描述正确的是（ B ）A．归约机不是基于数据流的计算模型B．归约机采用需求驱动，执行的操作序列取决于对数据的需求C．归约机不是以函数式语言为机器语言D．归约机采是Von Neumann型计算机12．关于静态流水线的描述正确的是（ A ）A．某一时间内各段只能按一种功能联接流水的多功能流水线B．功能固定的流水线C．各段之间的连接是固定不变D．某一时间内可执行多种功能13．多处理机机间互连采用总线形式的优点是（ A ）A．结构简单、造价低、可扩充性好B．适用于处理机机数较多的场合C．系统增减模块不方便D．没有访问公用总线的冲突14．位片处理是指计算机采用___________方式对数据进行处理。

超标量处理机和超流⽔线处理机——计算机系统结构在表5.2中，基准标量处理机是⼀台普通的单流⽔线处理机。

为了便于进⾏⽐较，把基准标量处理机的机器流⽔线周期和指令发射等待时间都假设为1个时钟周期，同时发射的指令条数为⼀条，它的指令级并⾏度ILP（Instruction Level Parallelism）假设为1。

另外三种指令级并⾏处理机，即并⾏度为m的超标量处理机，并⾏度为n的超流⽔线处理机，以及并⾏度为（m，n）的超标量超流⽔线处理机，它们的性能都相对于基准标量处理机进⾏⽐较。

单流⽔线处理机只有⼀条指令流⽔线，只有⼀个多功能的操作部件，每个时钟周期"取指令"和"分析"完成⼀条指令。

在许多流⽔线处理机中，指令流⽔线的流⽔段数k＝4；它把⼀条指令的执⾏过程主要分解为"取指令"、"分析"、"执⾏"和"写结果"4个阶段。

指令所要执⾏的功能主要在多功能操作部件中，在"执⾏"这⼀流⽔段完成。

多数流⽔线处理机的多功能操作部件采⽤流⽔线结构。

有的简单指令，只要⼀个时钟周期就能够在"执⾏"流⽔段中完成，⽽⽐较复杂的指令往往需要多个时钟周期。

另外，还有条件转移等的影响；因此，⼀般流⽔线标量处理机每个时钟周期平均执⾏指令的条数⼩于1，即它的指令级并⾏度ILP＜1。

超标量、超流⽔线和超标量超流⽔线三种处理机在⼀个时钟周期内可以执⾏完成多条指令，即它们的指令级并⾏度ILP都⼤于1。

超标量处理机基本结构超标量处理机的典型结构是有多个操作部件，⼀个或⼏个⽐较⼤的通⽤寄存器堆，⼀个或两个⾼速Cache。

先进的超标量处理机⼀般都包含有三个处理单元，⼀个是定点处理单元，通常称为中央处理单元（CPU），它由⼀个或多个整数处理部件组成；第⼆个是浮点处理单元（FPU），它由浮点加减法部件和浮点乘除法部件等组成；第三个是图形加速部件，也称为图形处理单元（GPU），这是现代处理机中不可缺少的⼀个部分。

第七章课后题1.多处理机在结构、程序并行性、算法、进程同步、资源分配和调试上与并行处理机有什么差别？答：多处理机与并行处理机的主要差别是并行性的等级不同。

（1）结构灵活性。

多处理机制结构灵活性高于并行处理机。

（2）程序并行性。

多处理是指令、任务、作业并行，并行性的识别较难;并行处理机是操作级并行，并行性的识别较易。

（3）并行任务派生。

并行处理机工作能否并行工作由指令决定，多处理机必须有专门指令指明程序能否并行执行，派生的任务数是动态变化的。

（4）进程同步。

并行处理机的进程同步是自然的，而多处理机必须采取同步措施。

（5）资源分配和任务调度。

多处理机的资源分配和任务调度比并行处理机复杂得多。

2.多处理机有哪些基本特点？发展这种系统的主要目的可能有哪些？多处理着重解决哪些技术问题？答：○多处理机的基本特点：多处理机具有两台以上的处理机,在操作系统控制下通过共享的主存或输入/输出子系统或高速通讯网络进行通讯.结构上多个处理机用多个指令部件分别控制,通过机间互连网络通讯;算法上不只限于处理向量数组,还要实现更多通用算法中的并行;系统管理上要更多地依靠软件手段,有效解决资源分配和管理,特别是任务分配,处理机调度,进程的同步和通讯等问题.○使用多处理机的目的:一是用多台处理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,二是依靠冗余的处理机及其重组来提高系统的可靠性,适应性和可用性.○多处理着重要解决的技术问题:（1）硬件结构上，如何解决好处理机、存储器模块及I/O子系统间的互连。

（2）如何最大限度开发系统的并行性，以实现多处理要各级的全面并行。

（3）如何选择任务和子任务的大小，即任务的粒度，使并行度高，辅助开销小。

（4）如何协调好多处理机中各并行执行任务和进程间的同步问题。

（5）如何将任务分配到多处理机上，解决好处理机调度、任务调度、任务调度和资源分配，防止死锁。

（6）一旦某个处理发生故障，如何对系统进行重新组织，而不使其瘫痪。

第九章并⾏处理技术 本章讲述的重点内容就是阵列处理机和多处理机，对阵列机的基本结构、主要特点、以及阵列机的互连络和并⾏存储器的⽆冲突访问等内容要加强理解。

本章应掌握的概念有：阵列处理机、络拓扑结构、单级⽴⽅体络、多级⽴⽅体等。

⼀、并⾏处理技术（识记）： 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。

开发计算机并⾏性的⽅法主要有：资源重复、时间重叠和资源共享三种⽅法。

⼆、SIMD并⾏计算机（阵列处理机） 阵列机也称并⾏处理机。

它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，是操作并⾏的SIMD计算机。

它采⽤资源重复的措施开发并⾏性。

是以SIMD（单指令流多数据流）⽅式⼯作的。

1、阵列机的基本结构（识记） 阵列机通常由⼀个控制器CU、N个处理器单元PE（Processing Element）、M个存储模块以及⼀个互连络部件（IN）组成。

根据其中存储器模块的分布⽅式，阵列机可分为两种基本结构：分布式存储器的阵列机和共享存储器的阵列机（理解⼆者不同之处）。

阵列机的主要特点： 它采⽤资源重复的⽅法引⼊空间因素，这与利⽤时间重叠的流⽔线处理机是不⼀样的。

它是利⽤并⾏性中的同时性⽽不是并发性，所有的处理单元必须同时进⾏相同操作（资源重复同时性）（我们想象⼀下亚运会的开幕式⼤型团体操表演，每个⼈就是⼀个PE，他们听从⼀个总指挥的指令，同时进⾏⾃⼰的操作，很快地就能"计算"出⼀个结果（队形）来。

） 它是以某类算法为背景的专⽤计算机，基本上是专⽤于向量处理的计算机（某类算法专⽤机）。

计算机系统结构的组成
计算机系统结构通常包括以下几个主要组成部分：
1. 处理器：处理器是计算机的核心部分，负责执行程序中的指令。

它从内存中获取指令并执行，然后处理数据，并将结果存储回内存中。

处理器的能力决定了计算机的速度和性能。

2. 内存：内存是计算机的临时存储设备，用于存储正在处理的程序和数据。

内存分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

RAM可以随时读写，而ROM只能读取不能写入。

3. 输入/输出设备：输入/输出设备是计算机与外部世界交互的工具。

常见的输入设备包括键盘、鼠标、触摸屏等，常见的输出设备包括显示器、打印机、音响等。

4. 存储器：存储器是计算机的永久性存储设备，用于长期存储数据和程序。

常见的存储器包括硬盘、闪存盘、光盘等。

5. 总线：总线是计算机中各个部分之间传输数据的通道。

总线带宽决定了数据传输的速度，总线类型决定了计算机各个部分之间的连接方式。

6. 操作系统：操作系统是计算机的管理和控制软件，
负责管理计算机的资源，控制程序的执行，并提供用户界面。

操作系统是计算机的重要组成部分，它使得计算机更易于使用和管理。

7. 应用软件：应用软件是为特定目的而编写的程序，例如办公软件、图像处理软件等。

应用软件使计算机具有各种功能和用途。

以上这些部分共同构成了计算机系统结构的主要组成部分。

在实际应用中，根据不同的需求和用途，还可以对计算机系统结构进行更详细或更概括的分类。

计算机系统结构自考笔记一、计算机系统结构概述。

1. 计算机系统的层次结构。

- 从底层到高层：硬件、操作系统、系统软件、应用软件。

- 各层次的功能及相互关系。

例如，硬件为软件提供运行平台，软件控制硬件资源的使用等。

2. 计算机系统结构的定义。

- 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。

- 包括指令系统、数据类型、寻址技术、I/O机制等方面的属性。

3. 计算机系统结构的分类。

- 按指令流和数据流的多倍性分类。

- 单指令流单数据流（SISD）：传统的单处理器计算机。

- 单指令流多数据流（SIMD）：如阵列处理机，适合进行数据并行处理。

- 多指令流单数据流（MISD）：较少见的结构。

- 多指令流多数据流（MIMD）：多处理器系统，如对称多处理机（SMP）。

- 按存储程序原理分类。

- 冯·诺依曼结构：程序和数据存储在同一存储器中，按地址访问。

- 哈佛结构：程序存储器和数据存储器分开，有各自独立的地址空间。

二、数据表示与指令系统。

1. 数据表示。

- 数据类型。

- 数值型数据（整数、浮点数）：不同的表示格式，如定点数的原码、反码、补码表示；浮点数的IEEE 754标准表示。

- 非数值型数据（字符、字符串、逻辑数据等）。

- 数据的存储方式。

- 大端存储与小端存储：大端存储是高位字节存于低地址，小端存储是低位字节存于低地址。

2. 指令系统。

- 指令格式。

- 操作码：表示指令的操作类型，如加法、减法等操作。

- 地址码：指出操作数的地址或操作数本身。

有零地址、一地址、二地址、三地址等指令格式，每种格式的特点及适用场景。

- 指令类型。

- 数据传送指令：在寄存器、存储器等之间传送数据。

- 算术运算指令：加、减、乘、除等运算。

- 逻辑运算指令：与、或、非等逻辑操作。

- 控制转移指令：如无条件转移、条件转移、子程序调用与返回等，用于改变程序的执行顺序。

三、存储系统。

1. 存储器层次结构。

- 高速缓冲存储器（Cache） - 主存储器 - 辅助存储器的层次结构。

完成以下带队号的题√. 各章所占试题的比例第一章 30％第二章 10% 第三章 30%第五章10％第六章10% 第七章10％所用教材计算机系统结构张晨曦第一章计算机体系结构的基本概念√1. 解释下列术语：层次结构翻译解释体系结构透明性系列机软件兼容兼容机计算机组成计算机实现并行性时间重迭资源重复资源共享同构型多处理机异构型多处理机紧密耦合响应时间测试程序大概率事件优先系统加速比Amdahl 定律程序的局部性原理CPI√2。

传统的存储程序计算机的主要特征是什么?存在的主要问题是什么?我们目前的计算机系统是如何改进的？√3。

假设在某程序的执行过程中，浮点操作时间占整个执行时间的10% ，现希望对浮点操作加速. （1）设对浮点操作的加速比为Sf。

画出程序总加速比Sp和Sf之间的关系曲线;（2)请问程序的最大加速比可达多少?√4。

计算机系统中有三个部件可以改进方法，这三个部件的部件加速比如下：部件加速比1 = 30部件加速比2 = 20部件加速比3 = 10（1）如果部件1和部件2的可改进比例均为30％,那么当部件3的可改进比例为多少时，系统加速比才可以达到10?（2）如果三个部件的可改进比例分别为30%、30％和20%，三个部件同时改进，那么系统中不可加速部分的执行时间在总执行时间中占的比例是多少?(3）如果相对某个测试程序三个部件的可改进比例分别为20％、20%和70％，要达到最好改进效果，仅对一个部件改进时,要选择那个部件?如果允许改进两个部件，又如何选择？第二章计算机指令集结构设计1. 解释下列术语堆栈型机器累加器型机器通用寄存器型机器有效地址√CISC√RISC指令集结构的正交特性2。

堆栈型机器、累加器型机器和通用寄存器型机器各自有什么优缺点？3。

常见的三种类型的通用寄存器型机器的优缺点有哪些？4. 指令集结构设计所涉及的内容有哪些？√ 5. 简述CISC指令集结构功能设计的主要目标。

从当前的计算机技术观点来看，CISC 指令集结构的计算机有什么缺点?√6。