系统结构 09 - 数据流计算机系统结构

第一章计算机系统结构的基本概念1.有一个计算机系统可按功能分成4级，每级的指令互不相同，每一级的指令都比其下一级的指令在效能上强M倍，即第i级的一条指令能完成第i-1级的M条指令的计算量。

现若需第i级的N 条指令解释第i+1级的一条指令，而有一段第1级的程序需要运行Ks，问在第2、3和4级上一段等效程序各需要运行多长时间？答：第2级上等效程序需运行：(N/M)*Ks。

第3级上等效程序需运行：(N/M)*(N/M)*Ks。

第4级上等效程序需运行：(N/M)*(N/M)*(N/M)*Ks。

note: 由题意可知：第i级的一条指令能完成第i-1级的M条指令的计算量。

而现在第i 级有N条指令解释第i+1级的一条指令，那么，我们就可以用N/M来表示N/M 表示第i+1级需(N/M)条指令来完成第i级的计算量。

所以，当有一段第1级的程序需要运行Ks时，在第2级就需要(N/M)Ks，以此类推2.硬件和软件在什么意义上是等效的？在什么意义上又是不等效的？试举例说明。

答：软件和硬件在逻辑功能上是等效的，原理上，软件的功能可用硬件或固件完成，硬件的功能也可用软件模拟完成。

但是实现的性能价格比，实现的难易程序不同。

在DOS操作系统时代，汉字系统是一个重要问题，早期的汉字系统的字库和处理程序都固化在汉卡（硬件）上，而随着CPU、硬盘、内存技术的不断发展，UCDOS把汉字系统的所有组成部份做成一个软件。

3.试以实例说明计算机系统结构、计算机组成与计算机实现之间的相互关系与影响。

答：计算机系统结构、计算机组成、计算机实现互不相同，但又相互影响。

（1）计算机的系统结构相同，但可采用不同的组成。

如IBM370系列有115、125、135、158、168等由低档到高档的多种型号机器。

从汇编语言、机器语言程序设计者看到的概念性结构相同，均是由中央处理机/主存，通道、设备控制器，外设4级构成。

其中，中央处理机都有相同的机器指令和汇编指令系统，只是指令的分析、执行在低档机上采用顺序进行，在高档机上采用重叠、流水或其它并行处理方式。

计算机系统结构论文--数据流计算机计算机系统结构论文数据流计算机在计算机科学的领域中，计算机系统结构的研究一直是推动技术发展的关键因素之一。

其中，数据流计算机作为一种独特的计算模型，具有其独特的特点和优势，为解决传统计算模式中的一些问题提供了新的思路和方法。

数据流计算机的基本概念源于对传统冯·诺依曼计算机体系结构的反思。

在传统计算机中，程序的执行顺序是由控制流决定的，即按照预先设定的指令顺序依次执行。

然而，数据流计算机则是以数据驱动的方式工作，数据的可用性决定了操作的执行，而非固定的指令顺序。

这种数据驱动的特性带来了许多显著的优点。

首先，数据流计算机能够实现高度的并行性。

由于操作的执行取决于数据的准备情况，而不是严格的顺序控制，因此多个操作可以在同一时间内并发执行，只要它们所需的数据已经就绪。

这极大地提高了计算机的处理能力，尤其是在处理大规模数据和复杂计算任务时，可以显著缩短计算时间。

其次，数据流计算机对于指令级并行的挖掘更加高效。

在传统计算机中，由于指令之间的依赖关系和控制流的限制，很难充分利用硬件资源来实现并行执行。

而在数据流计算机中，这些限制被打破，指令之间可以更加灵活地并行执行，从而充分发挥硬件的性能。

再者，数据流计算机在处理具有不规则数据依赖关系的应用时表现出色。

例如在人工智能中的一些算法，数据之间的依赖关系并非简单的线性或固定模式，数据流计算机能够更好地适应这种复杂的情况，提高计算效率。

然而，数据流计算机也面临着一些挑战和限制。

首先是硬件实现的复杂性。

为了支持数据驱动的执行方式，硬件需要具备高效的数据流向控制和资源分配机制，这增加了硬件设计的难度和成本。

其次，程序设计和调试的难度也相对较大。

由于数据流计算机的执行方式与传统计算机有很大的不同，程序员需要采用新的思维方式来设计和优化程序，这对于习惯了传统编程模式的开发者来说是一个不小的挑战。

此外，数据流计算机对于数据的缓存和存储管理也提出了更高的要求。

计算机系统结构复习总结计算机系统结构复习总结一、计算机系统结构概念1.1 计算机系统结构：程序员所看到的计算机的基本属性，即概念性结构与功能特性。

*注意：对不同层次上的程序员来说，由于使用的程序设计语言不同，可能看到的概念性结构和功能特性会有所不同。

1.2 计算机系统的层次结构现代计算机是一种包括机器硬件、指令系统、系统软件、应用程序和用户接口的集成系统。

现代计算机结构图*注意：计算机结构的层次模型依据计算机语言广义的理解，可将计算机系统看成由多级“虚拟”计算机所组成。

从语言层次上画分可得下图：计算机结构的层次模型1.3计算机系统结构组成与实现计算机系统结构：是计算机系统的软件与硬件直接的界面计算机组成：是指计算机系统结构的逻辑实现计算机实现：是指计算机组成的物理实现*计算机系统结构、组成与实现三者间的关系：计算机系统结构不同会影响到可用的计算机组成技术不同，而不同的计算机组成又会反过来影响到系统结构的设计。

因此，计算机系统结构的设计必须结合应用来考虑，要为软件和算法的实现提供更多更好的硬件支持，同时要考虑可能采用和准备采用哪些计算机组成技术，不能过多或不合理地限制各种计算机组成、实现技术的采用与发展。

计算机组成与计算机实现可以折衷，它主要取决于器件的来源、厂家的技术特长和性能价格比能否优化。

应当在当时的器件技术条件下，使价格不增或只增很少的情况下尽可能提高系统的性能。

1.4 计算机系统结构的分类计算机结构分类方式主要有三种：（1）按“流”分类按“流”分类法是Flynn教授在1966年提出的一种分类方法，它是按照计算机中指令流（Instruction Stream）和数据流（Data Stream）的多倍性进行分类。

指令流是指机器执行的指令序列，数据流是指指令流调用的数据序列。

多倍性是指在计算机中最受限制（瓶颈最严重）的部件上，在同一时间单位中，最多可并行执行的指令条数或处理的数据个数。

*注意：按“流”分类法，即Flynn分类法的逻辑结构类型：①SISD计算机②SIMD计算机③MISD计算机④MIMD计算机（2）按“并行性”和“流水线”分类（3）按计算机系统结构的最大并行度进行分类1.5计算机系统的设计与实现随着大规模集成电路技术的发展和软件硬化的趋势，计算机系统软、硬件间界限已经变得模糊了。

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）。

硬件：尽量别换平台更换顺序：硬盘光驱软驱内存显卡CPU 主板要换先换前面的软件以硬件为主，不要因为软件更换硬件。

不要频繁重装系统。

计算机系统结构研究内容:从外部来研究计算机系统使用者所看到的物理计算机的抽象软硬件功能分配及分界面的确定学习目的:建立计算机系统的完整概念学习计算机系统的分析方法和设计方法掌握新型计算机系统的基本结构及其工作原理与其他学科的交叉主要包括:计算机组成原理,计算机操作系统,汇编语言,数据结构, 微机原理,高级语言等第一章计算机系统结构的基本概念一,计算机系统的组成由硬件和软件组成.1_ 硬件:可视为多种资源:1)处理信息资源—CPU;2)存储信息资源—存储器;3)交换信息资源—I/O设备.1.1 计算机系统结构的概念二,计算机系统的多级层次结构(逐级或越级向下实现)2 软件:即程序1)系统软件:各用户共同使用,如OS,编译/解释程序,汇编程序,诊断程序等;2)应用软件:为解决用户问题编写的程序.微程序级L0实际机器机器语言级L1实际机器操作系统级L2虚拟机汇编语言级L3虚拟机高级语言级L4虚拟机应用语言级L5虚拟机系统软件软,硬交界面硬件固件执行方式应用程序包翻译(用户)编译/解释程序翻译(程序员)汇编程序翻译(汇编语言程序员)机器语言程序解释(操作员)微指令程序解释(机器语言程序员)(逻辑设计员)1 机器语言级:二进制语言是计算机中必不可少的语言.2 汇编语言级:用符号表示的机器语言.3关于操作系统:①OS是管理计算机系统的系统软件;②OS的若干命令又可视为机器语言指令功能的扩充;③OS虽已发展成用高级语言编写,但其属服务于高级语言,汇编语言等的功能,并最终用机器语言或微指令程序解释执行的.4 虚拟机:以软件为主实现的机器.5 实际机器:由硬件或固件实现的机器.6 固件:将微程序固化在器件上的硬件.三,计算机系统结构定义及其属性一个计算机系统可以看成是由若干机器级组成的,从低层的硬件直到高层的应用程序级,在每一级上都可以定义一个系统结构,而传统的讲,计算机系统结构是指处在软件,硬件之间界面的描述,它反映了计算机系统的外特性._定义一:Amdahl于1964年在推出IBM360系列计算机时提出:计算机系统结构是程序员所看到的计算机系统的属性,包括概念结构和功能特性.是对计算机系统中各机器级之间界面的划分和定义,以及对各级界面上,下进行功能分配,各级都有它自己的系统结构.定义二:计算机系统结构主要研究软硬件功能分配和对软硬件界面的确定计算机系统由软件,硬件和固器组成,它们在功能上是同等的.同一种功能可以用硬件实现,也可以用软件或固件实现.不同的组成只是性能和价格不同.本课程定义计算机系统结构或称计算机体系结构(Computer Architecture)是汇编语言程序员所见到的计算机属性,即软,硬件的交界面(是机器语言,汇编语言或编译程序设计者看到的机器物理系统计算机系统结构,计算机组成,计算机实现之间界限越来越模糊.三个层次:计算机实现——器件选择,机械,封装,印板,机箱,电源,冷却设计计算机组成——逻辑设计计算机系统结构——外特性设计系统结构的研究范围外特性——指令系统,数据表示,寻址方式,寄存器集界面设计——确定硬件功能.新型系统结构设计——并行性,数据流,推理机,神经网性能成本评价——运算速度,存储容量,I/O带宽计算机系统结构的外特性1)指令系统:反映了机器指令的类型和形式,指令间排序和控制机构.2)数据表示:反映了能由硬件直接识别和处理的数据类型和指令.3)操作数的寻址方式:反映了系统能寻址的最小单位(寻址单位),寻址方式和表示.4)寄存器的构成定义:反映了通用寄存器和专用寄存器的数量,定义和使用方式.5)中断系统结构:表示中断的类型,分级和中断响应的硬件功能以及例外条件.6)存储体系和管理:包括主存储器,编址方式,最大可编址空间..7)I/O结构:包括I/O设备的连接方式,处理机,存储器与I/O设备间的数据传递方式和格式,传递的数据量及传递操作结束的表示及出错提示等.8)机器工作状态的定义和切换:如系统态和用户态等.9)信息保护:包括保护方式及有关的硬件支持等.3研究计算机系统结构的目的1)重点是软,硬件的界面:计算机系统设计师的主要任务是合理地研究哪些功能应由硬件予以支持,而哪些功能应由软件来完成.2)目的:提高计算机系统的性能/价格比.四,与计算机组成和计算机实现的联系计算机系统结构,计算机组成,计算机实现是3个不同的概念.它们各自包含不同的内容,但又有紧密的关系.计算机系统结构指的是计算机系统的软,硬件的界面,即机器语言程序员所看到的传统机器级所具有的属性.___ 计算机组成指的是计算机系统结构的逻辑实现,包括五大功能部件组成以及逻辑设计等.它着眼于物理机器级内各事件的排序方式与控制方式,各部件的功能以及各部件的联系.___ 计算机实现指的是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.它着眼于器件技术和微组装技术,其中器件技术在实现技术中占主导作用.【例1】①机器指令集的确定属于计算机系统结构._______ ②指令的实现,如取指令,取操作数,运算,送结果等具体操作及其排序方式属于计算机组成._______ ③实现指令集中所有指令功能的具体电路,器件的设计,装配技术等属于计算机实现.【例2】①确定是否有乘法指令属于._______ ②乘法指令是用专门的乘法器实现,还是经加法器用重复的相加和右移操作来实现,属于._______ ③乘法器,加法器的物理实现,如器件的选定(器件集成度,类型,数量,价格)及所用微组装技术等,属于计算机系统结构计算机组成计算机实现【例3】①主存容量与编址方式(按位,按字节,按字访问等)的确定属于.________ ②为达到所定性能价格比,主存速度应多快,在逻辑结构上需采用什么措施(如多体交叉存储等)属于._______ ③主存系统的物理实现,如存储器器件的选定,逻辑电路的设计,微组装技术的选定属于.计算机系统结构计算机组成计算机实现可以看出,具有相同计算机系统结构(如指令系统相同)的计算机因为速度要求不同等因素可以采用不同的计算机组成.例如,取指令,译码,取操作数,运算,存结果可以在时间上按顺序方式进行,也可以让它们在时间上按重叠方式进行以提高执行速度.____同样,一种计算机组成可以采用多种不同的计算机实现.例如,主存器件可以采用SRAM 芯片,也可以采用DRAM芯片.可以采用大规模集成电路单个芯片,也可以采用中小规模集成电路进行构建.显然,这取决于性能价格比的要求与器件技术的现状.五,计算机系统结构,组成和实现三者的相互影响1.2 计算机系统结构的发展一,从提高CPU的利用率出发对CPU的基本要求1)要有高速度,节省处理时间;2)要一直处于忙状态,充分发挥高速性;3)要忙在数据的处理上.1 任务单一化1)传统计算机的操作:CPU除完成运算,还要进行入,出管理的操作,由于入,出所用的时间较长,所以浪费CPU时间太多——经常处于等待中.2)改进办法:①减少I/O处理时间:(采用中断方式)对高速外设采用DMA方式.②下放I/O管理权限:I/O处理机,通道.3)对系统结构的影响:在计算机结构中,引入I/O处理机,由它来管理入,出,使CPU专注数据处理.2 操作重迭化1)一条指令的几个过程段①取指令②译码分析③执行2)传统机器的执行方式:存在的问题,未能充分发挥对CPU的利用率.取译码执行取译码执行第i条第i+1条t3)重迭执行:把一条指令解释为取指,译码和执行三个阶段,使之在同一时刻,不同的指令在不同的过程上.重迭执行可以提高指令的吞吐率,图示如下:第i条第i+1条第i+1条取译码执行取译码执行取译码执行t4)实现重迭操作需要的支持①必须有先行部件:指令执行时,需要提前取出后继指令,进行相应处理,这就是先行.具体部件主要包括:先行地址站(包括指令地址,操作数地址),先行数站,先行指令译码分析部件,先行操作码译码.②能解决对存储器的频繁访问,源源不断地取指令,存/取操作数(存放结果).最好采用存储器的多体结构.5)对系统结构的影响除要求存储器为多体结构外,对CPU内部的微观结构具有深刻的影响.3吞吐匹配化1)要求:存储器提供数据的速度要与CPU处理数据的速度匹配.2)存在的问题:存储器的速度往往比CPU的处理速度低1～2个数量级.3)解决的方法:①直接提高主存速度当存储器的速度达到一定数量级别时,进一步提高速度所花代价更高,因而不利于性能/价格比的提高.②在CPU与主存之间加入高速缓存(cache)此法有利于提高存储系统的性能/价格比.③借助于辅助硬件(MC:存储控制器件)使cache与主存构成一个整体.4 程序多道化——用户分时化1)单用户系统存在的问题①CPU的实际利用率往往很低——程序运行时间往往比信息入出时间少很多.②因编程不当而出现死循环时,更浪费CPU时间.2)办法:充分利用入出时间,采用程序多道化,让CPU分时轮流为各用户服务.3)需要解决的问题:①存贮容量不足问题:直接增加主存容量,但不会提高计算机的性/价比;采用虚拟存贮器:把高速辅存伪装成主存使用.②多用户复杂现场的保护与恢复问题:为此引入通信控制器(CC)来解决.综上所述,从提高对CPU的利用率出发,计算机应有如下结构:器件发展对组成技术的影响器件速度与处理机工作主频器件发展对提高处理机主频起决定性作用需要研究新的器件来提高主频器件速度与指令执行时间40多年来,器件速度提高小于104;指令执行加快108.系统结构和组成技术的作用器件速度的提高最慢,已经没有太大潜力二,从单机向多机发展1 问题的提出:当对单机系统采用上述四条途径都不能满足要求时,就要求用多机系统完成.如:遥感通信卫星,每秒发回100万个图象要素,要求计算机每秒处理10亿～100亿次数据处理速度.现在的银河机,事实上是多机完成的达到几十亿次2__ 多机系统的分类1)多处理机系统(SIMD)阵列式多处理机系统(处理机相同,但需严格排列)并行式多处理机系统(处理机相同)分布式多处理机系统(处理机不相同)2)多计算机系统(具有多个指令部件,属MIMD)1.3计算机系统的并行性发展并行计算机系统绝大部分为MIMD系统并行向量机(PVP,Parallel V ector Processor);对称多处理机(SMP,Symmetric Multiprocessor);大规模并行处理机(MPP,Massively Parallel Processor);机群(Cluster);分布式共享存储多处理机(DSM,Distributied Shared Memory)■并行计算机系统绝大部分为MIMD系统,包括:HPC:处于什么样的阶段机群高性能计算系统已经成熟,步入量产阶段国内曙光,联想,浪潮,还有大量小公司高性能计算应用的快速扩展阶段从去年开始,机群销量猛增,应用在科学计算和信息服务等所有领域高性能计算教育相对滞后,人才相对稀缺阶段北大,清华,科大等有限几所高校设置相应专业课程并行计算基本概念并行处理定义并行算法的定义与分类数据相关性与可并行化并行计算模型●并行处理用是指同时对多个任务或多条指令,或同时对多个数据项进行处理.●完成此项处理的计算机系统称为并行处理计算机系统.并行处理定义同时性(simultaneity)——两个或多个事件在同一时刻发生.并发性(concurrency)——两个或多个事件在同一时间间隔内发生.流水特性(pipelining)——在一个重叠的时间内所发生的流水事件.为什么要开发并行处理技术对单用户,可以提高加速比(Speedup Oriented);对多用户,可以提高吞吐率(Throughput Oriented).例1.天气预报1990年10次台风登陆,福建,浙江两省损失79亿元,死亡950余人.天气预报模式为非线性偏微分方程,预报台风暴雨过程,计算量为1014—1016次浮点运算,需要10GFlops—100GFlops的巨型机.用途:局部灾害性天气预报.例2.石油工业地震勘探资料处理油藏数值模拟测井资料处理地震勘探由数据采集,数据处理和资料解释三阶段组成.目前采用的三维地震勘探比较精确的反映地下情况,但数据量大,处理周期长.100平方公里的三维勘探面积,道距25米,60次覆盖,6秒长记录,2毫秒采样,一共采集2.88 1010个数据,约为116GB.叠加后数据为4.8 108个数据.用二维叠前深度偏移方法精确的产生地下深度图像,需要进行25 1012FLOP,采用100MFLOPs机器计算250天,1GFLOPs机计算25天,10GFLOPs机器35分.考虑到机器持续速度常常是峰值速度的10-30%,所以需要100GFlops的机器.Cray T932/32约为60GFLOPs.例3.航空航天研究三维翼型对飞机性能的影响.数值模拟用时间相关法解Navier-Stoker方程,网格分点为120 40 50,需内存160MB,6亿计算机上解12小时,如果在数分钟内完成设计,则需要千亿次计算机.例4.重大挑战性课题需求计算空气动力学:千亿次/秒(1011)图像处理: 百亿次/秒(1010)AI: 万亿次/秒(1012)例5.核武器核爆炸数值模拟,推断出不同结构与不同条件下核装置的能量释放效应.压力: 几百万大气压温度: 几千万摄氏度能量在秒级内释放出来.设计一个核武器型号,从模型规律,调整各种参数到优选,需计算成百上千次核试验.Los Alamos实验室要求计算一个模型的上限为8-10小时.千万次机上算椭球程序的计算模型需要40-60CPU小时.二维计算,每方向上网格点数取100,二维计算是一维的200倍,三维是一维的33000倍.若每维设1000网格点,则三维计算是一维的几十万倍之多.此时对主存储器容量要数十,数百亿字单元(64位).另外还有I/O能力的要求,可视化图形输出.解决方案只有开发并行处理技术才能满足要求:3T performance:Teraflops of Computing PowerTerabyte of Main MemoryTerabyte/s of I/O bandwidth并行算法的定义与分类算法是解题的精确描述,是一组有穷的规则,它规定了解决某一特定类型问题的一系列运算.并行计算时可同时求解的诸进程的集合,这些进程相互作用和协调动作,并最终获得问题的求解并行算法的定义与分类并行算法就是对并行计算过程的精确描述并行算法可以从不同的角度分类为数值计算并行算法和非数值计算并行算法同步并行算法和异步并行算法共享存储并行算法和分布存储并行算法问题规模问题规模有可分为输入输出规模,计算规模,内存需求,通信(同步)规模,分别表示问题求解所需要的I/O量,计算量,内存大小和通信量(包括通信次数与通信数据量). 问题规模根据消耗资源程度,又相应分为CPU密集应用,memory密集应用,disk密集应用和网络密集应用.不同类型的问题,性能瓶颈也往往不同.并行算法就是要又针对性的消除相应的瓶颈,从而达到缩短计算时间的目的.数据相关P1: A=B+CP2: D=A×B其中,变量A是导致P1和P2发生数据相关的原因.为了保证程序执行的语义正确性,变量A必须是先在P1中写入后方可从P2中读出,即必须先写后读.显然,P1和P2不能并行执行.数据反相关P1: A=B×CP2: C=E+DP1通过变量C数据相关于P2.为保证语义正确性,必须等P1将变量C读出后,P2方可向变量C进行写入操作,即必须先读后写.也不可并行化数据输出相关P1: A=B+CP2: A=D×E为保证语义正确性,必须保证P1先写入A,然后允许P2再写入A.除了上述3种相关外,还存在一种特殊情况,即两个程序段的输入变量互为输出变量."数据交换",此时,两者必须并行执行,方可保证语义的正确性.这就要求硬件机构能保证两者进行同步读写.但若两个处理机各带有局部存储器,则可降低同步要求.P1: A=BP2: B=A并行计算模型计算模型是对计算机的抽象计算模型为设计,分析和评价算法提供基础冯.偌依曼机就是一个理想的串行计算模型但现在还没有一个通用的并行计算模型PRAM模型LogP模型PRAM模型PRAM(Parallel Random Access Machine)模型,即并行随机存取模型,是一种抽象的并行计算模型.假设存在着一个容量无限大的共享存储器;每台处理器有简单的算术运算和逻辑判断功能;在任何时刻各处理器均可以通过共享存储单元交换数据.PRAM模型SIMD-PRAM计算模型控制单元P1LMP2LMPnLM互连网络全局共享存储器PRAM模型MIMD-PRAM计算模型控制器1P1LMP2LMPnLM互连网络全局共享存储器控制器2控制器nLogP 模型充分说明了互连网络的性能特点,而未涉及网络的结构.模型主要由4个参数描述.L(Latency) 源处理机与目的处理机进行消息(一个或几个字)通信所需要的等待或延迟时间的上限.o(overhead) 处理机准备发送或准备接受每个消息的时间开销(包括操作系统核心开销和网络软件开销),在这段时间里处理机不能执行其他操作.LogP 模型g(gap) 一台处理机连续两次发送或连续两次接受消息时的最小时间间隔,其倒数即为处理机的通信带宽.P(Processor) 处理机的个数.其它并行处理计算机技术1.数据流技术data flow以数据驱动机制代替控制流机制当功能部件输入端的操作数可用时就启动执行;可开发程序中所有的并行性,但费用昂贵,实际性能与功能部件数量,存储器带宽以及挂起和可用部件相匹配的程度有关.2.多线程每台处理机有多个控制线程,同时运行多个现场,是实现时延隐藏的一种有效机制.成本高.3.逻辑推理与规约结构逻辑推理:日本第五代机,面向逻辑语言,执行速度慢,软件与程序设计环境欠丰富.规约结构:Alice,PGR,面向函数语言,执行速度慢,软件与环境欠丰富.多处理机1,多处理机的定义两个或两个以上处理机(包括PU和CU),通过高速互连网络连接起来,在统一的操作系统管理下,实现指令以上级(任务级,作业级)并行.多处理机2,多处理机的一般模型__流水线机器通过若干级流水的时间并行技术来获得高性能.阵列处理机器由多台处理机组成,每台处理机执行相同的程序.这两类机器都是执行单个程序,可对向量或数组进行运算.这种系统结构能高效地执行适合于SIMD的程序,所以这类机器对某些应用问题非常有效.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.Flynn称这种结构为MIMD(多指令流多数据流)结构.在多处理机系统中,处理机与处理机之间通过互连网络进行连接,从而实现程序之间的数据交换和同步.处理机之间的连接频带比较低,一般通过输入输出接口连接.例如,IBM公司的机器,都可以通过通道到通道的连接器CTC(Channel To Channel)把两个不同计算机系统的IOP连接起来.可以通过并行口或串行口把多台计算机连接起来.例如,用串行口加一个MODEL拨号上网,也可以直接连接;多台计算机之间的连接需要有多个接口.Ethernet通过网络接口连接多台计算机.速度达10Mb,100Mb,1Gb.Mynet已经达到1.28Gb和2.56Gb.松散耦合多处理机…CPUCPU1CPUn-1LMLM1IOPIOP1互连网络LMn-1IOPn-1处理机之间共享主存储器,通过高速总线或高速开关连接. 紧密耦合多处理机…M…CPUCPU1CPUn-1MAPMAPIOPIOP1CPU-MM-IOP互连网络MAPIOPd-1MMMM1MMm-1主存储器有多个独立的存储模块.每个CPU能够访问任意一个存储器模块,需要通过映象部件MAP把全局逻辑地址变换成局部物理地址.通过互连网络寻找合适的路径,并分解访问存储器的冲突.多个输入输出处理机IOP也连接载互连网络上,输入输出设备与CPU共享主存储器. MIMD计算机,它和SIMD计算机的阵列处理机相比,有很大的差别.它们的本质差别在于并行性级别的不同: MIMD多处理机要实现任务或作业一级的并行,而SIMD阵列处理机只实现指令一级的并行.多处理机的特点1.4 计算机系统的设计技术一, 软硬件取舍1,软件与硬件实现的特点硬件实现:速度快,成本高;灵活性差,占用内存少软件实现:速度低,复制费用低;灵活性好,占用内存多理论上,有两种极端实现方法:全硬件机器,包括操作系统,高级语言,应用程序等硬件只有1位加法和分支操作,其他都用软件实现关键问题:性能与价格的关系,软硬件实现在功能上等效硬件实现的比例越来越高软件所占的成本越来越高二,从价格因素考虑的软硬件取舍另外,还要从处理机速度和国家需要等方面来考虑.结论1:经常使用的基本功能适宜用硬件实现结论2:生产台数很多时适宜用硬件实现三,从改进性能考虑的软硬件取舍1,系统设计的定量原理1).加快经常性事件的速度这是广泛采用的设计原则,使经常性事件的处理速度加快能明显提高整个系统的性能.2).Amdahl定理系统中某一部件采用某种更快的执行方式后整个系统的性能与这种执行方式的使用频率或占总执行时间的比例有关.没有改进措施前执行任务时间改进措施后执行任务时间加速比=可改进部分占用时间改进前任务的执行时间Fe:总小于1改进前改进部分的执行时间改进后改进部分的执行时间.Se:总大于1(1-Fe)表示不可改进部分.改进后整个任务的执行时间Tn为:FeSeTn=T0(1- Fe+)T0是改进前的整个任务执行时间·改进后整个系统的加速比Sn为:1((1-Fe)+Sn=T0Tn=FeSe))例假设将某个系统的某个部件的处理速度加快10倍,但该部件的原处理时间仅为整个运行时间的40%,则采用加快措施后使整个系统的性能提高多少解: 由题意可知:Fe=0.4,Se=10,根据Amdahl定律,Sn=1/(0.6+0.4/10)=1/0.64≈1.563).访问的局部性原理实验表明:一个程序用90%的执行时间去执行10%的程序代码.4).CPU的性能CPU时间=(IC*CPI)/频率上式表明,CPU的性能取决于三个要素:①时钟频率;②每条指令所花的时钟周期数;③指令条数IC.时钟频率取决于硬件技术和组织;CPI取决于系统结构组织和指令集;指令数目取决于系统结构的指令集和编译技术.每条指令的平均时钟周期数CPI:CPI=CPU时钟周期数目/IC5),改进性能的主要途径面向目标代码改进:用一条指令代替一串指令方法:统计某条指令,某类指令或某个指令串的使用频度(动态和静态)增加数据传送指令的功能:增加运算型指令的功能:如函数运算指令等面向高级语言和编译程序改进:方法:统计语句使用频度例如:一般程序中赋值语句占30%以上,为此,许多处理机中设置了寄存器与寄存器,寄存器与存储器,存储器与存储器之间的成组传送指令,存储器到存储器之间的运算指令.方法:(1)增强对高级语言和编译程序支持的指令的功能(2)研制高级语言计算机面向操作系统改进:方法:系统结构设计要规整,消除例外情况寄存器定义要统一,操作要均匀,所有存储部件要对称四,计算机系统的设计方法1 从上到下的设计(层次结构中的上下).1)依据:用户的要求(包括性能及功能).方法1:由上向下(Top-Down)设计过程:由上向下面向应用的数学模型面向应用的高级语言。

全国自考（计算机系统结构）模拟试卷9(题后含答案及解析)题型有：1. 单项选择题 2. 填空题 3. 简答题 4. 简单应用题 5. 综合应用题单项选择题1．虚拟存储器是因何而提出来的( )A．主存速度满足不了要求B．外存速度满足不了要求C．主存容量满足不了要求D．外存容量满足不了要求正确答案：C解析：虚拟存储器是因主存容量满足不了要求而提出来的。

在主存和辅存之间，增设辅助的软、硬件设备，让它们构成一个整体，所以也称为主存一辅存存储层次。

2．根据存储映像算法的不同，可有多种不同的存储管理方式的虚拟存储器，其中不属于其主要管理方式的是( )A．段式B．页式C．段页式D．页段式正确答案：D解析：根据存储映像算法的不同，可有多种不同存储管理方式的虚拟存储器，其中主要管理方式是段式、页式、段页式。

3．下列哪个算法是选择最早装入内存的页作为被替换的页( )A．FIFOB．LRUC．OPTD．FILO正确答案：A解析：FIFO指的是先进先出算法，是选择最早装入内存的页作为被替换的页。

4．Cache存储器的性能主要取决于命中率的高低，下列与命中率无关的是( )A．主存容量B．替换算法C．块的大小D．采用组相联时组的大小正确答案：A解析：评价Cache存储器的性能主要是看命中率的高低，而命中率与块的大小、块的总数(即Cache的总容量)、采用组相联时组的大小(组内块数)、替换算法和地址流的簇聚性等有关。

5．虚拟存储器中段式管理虚地址不包含的部分是( )A．基号B．段号C．页号D．段内位移正确答案：C解析：虚拟存储器中段式管理虚地址包含的部分是基号、段号、段内位移。

6．下列不属于堆栈型替换算法的是( )A．近期最少使用算法B．先进先出替换算法C．优化替换算法D．近期最久未使用算法正确答案：B解析：先进先出替换算法不属于堆栈型替换算法，而近期最少使用算法和优化替换法是堆栈型替换算法。

7．最易出现块冲突的Cache地址映像方式是( )A．段相联B．直接相联C．全相联D．组相联正确答案：B解析：直接相联是把主存空间按Cache大小等分成区，每区内的各块只能按位置一一对应到Cache的相应块位置上。

《计算机体系结构》复习题一、填空题1. 推动计算机系统结构发展的主要动力是( 计算机应用 )。

2. ( 器件 )的发展是促使计算机系统结构不断发展的最活跃因素。

3. 衡量计算机系统性能可采用各种尺度，但最为可靠的衡量尺度是( 时间 )。

4. CPI表示执行每条指令所需的( 平均时钟周期数 )。

5. 计算机系统中的数据表示是指可由硬件直接辨认的( 数据类型 )。

6. 在向量处理中经常会遇到稀疏向量，为了节省存储空间和处理时间( 压缩向量 )的表示方法。

7. 在当今的RISC机的指令系统中，全都是( 定字长 )指令格式。

8. 增强向量流水处理性能的方法主要有：多功能部件并行操作和采用( 链接 )技术。

9. 数组多路通道与设备之间的数据传送的基本单位是( 数据块 )。

10. 数据流系统结构是基于数据驱动和( 消息传送 )的计算模型。

11. 现代计算机系统是由（硬件/固件）和（软件）组成的十分复杂的系统。

12. 计算机系统应能支持软件可移植，实现可移植性的常用方法有3种，即（采用系列机），（仿真和模拟），统一高级语言。

13. 可以将当前大多数通用寄存器型指令集结构进一步细分为3种类型，即（ RM结构）、（ RR结构）和存储器-存储器型指令集结构。

14.MIPS指令DADDIU R14，R5，#6属于（ I ）类型的指令格式；MIPS指令SD R4，300（R5）属于（ I ）类型的指令格式。

15.描述流水线的工作，常采用时空图的方法。

在时空图中，横坐标表示（时间），纵坐标代表（空间或流水线各段）。

16.在MIPS指令实现的简单数据通路中，在WB周期中，有两大类指令执行操作：（ Load ）和（ ALU ）指令。

17.存储器的层次结构中，“Cache－主存”层次是为了弥补主存（速度）的不足，“主存－辅存”层次是为了弥补主存（容量）的不足。

18.Cache实现的映像规则有全相联映像、（直接）和（组相联）三种。

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。

计算机系统结构复习资料、名词解释1. 时间局部性【答案】时间局部性是指最近访问过的代码是不久将被访问的代码2. 空间局部性【答案】空间局部性是指那些地址上相邻近的代码可能会被一起访问3. 物理地址空间【答案】主存储器中所有存储字构成的物理地址空间 。

4. 从执行程序的角度看，并行性等级可分为哪些？【答案】指令内部并行、指令级并行、任务级或过程级并行、作业或程序级并行5. CPI【答案】每条指令平均时钟周期数其中h =指令i 在程序中执行的次数 6. 从机器（汇编）语言程序员看，以下哪些是透明的？指令地址寄存器；指令缓冲器；时标发生器；条件码寄存器；乘法器；主存地址 寄存器；磁盘外设；先行进位链；移位器；通用寄存器；中断字寄存器【答案】透明的有：指令缓冲器、时标发生器、乘法器、先行进位链、移位器7. 高位存储交叉存取【答案】用存储器地址的高位指明存储体的体号， 而低位用于指明存储体的体内 地址。

8. 直接映射高速缓存组织的优缺点【答案】直接映射的优点在于硬件比较简单， 不需要相联查找，不需要页面替换 算法，因而成本较低且速度较高。

缺点是命中率较低。

9. 写回【答案】在M +i 中的修改延迟到M 中正在修改的字被替换或从 M 中消除后才进行。

10. 虚拟地址空间【答案】应用程序员用来编写程序的地址空间，这个地址空间非常大。

11. 动态互连网络【答案】设臵有源开关，可以根据需要借助控制信号对连接通路加以重新组合实 CPI=CPU 寸钟周期数/IC （指令的条数） n(CPI i *=i 丄 IC12．向量横向处理方式【答案】向量计算是按行的方式自左向右横向的进行。

13．动态流水线【答案】在同一时间内，多功能流水线的各段可以按照不同的方式连接，同时执行多种功能。

其中流水线中各个功能部件不能发生冲突。

14．程序中的数据相关【答案】数据相关指在执行本条指令的过程中，如果用到的指令、操作数、变址偏移量等是前面指令的执行结果，则必须等待前面的指令执行完成，并把结果写到主存或通用寄存器中之后，本条指令才能开始执行。

计算机系统结构（09Q计算机专升本）模拟题答案计算机系统结构（专升本）模拟题答案⼀、单选1. 对汇编语⾔程序员透明的是（A ）。

A.Cache内容的存取B.浮点运算C.程序性中断D.存取操作数2. 通常计算机中采⽤浮点数来表⽰数学中的实数，如果浮点数尾数基值取⼤，下列说法中不正确的是（C ）。

A.扩⼤浮点数的表⽰范围B.增加可表⽰数的个数C.增加数据的表⽰精度D.提⾼运算速度3. RISC计算机中采⽤重叠寄存器窗⼝的作⽤是（B ）。

A.减少运算过程中对内存储器的访问B.减少过程切换时参数保存和传递所花费的时间C.减少对内存容量的要求D.加快运算器的运算速度4. ⾮线性流⽔线的特征是（B ）。

A.⼀次运算中使⽤流⽔线中的多个功能段B.⼀次运算中要多次使⽤流⽔线中的某些功能段C.流⽔线中某些功能段在各次运算中的作⽤不同D.流⽔线的各功能段在不同运算中可以有不同的连接5. CRAY-1的两条向量指令：；属于（ B ）。

A.没有功能部件冲突和源Vi冲突，可以并⾏B.没有功能部件冲突和源Vi冲突，可以链接C.没有源Vi冲突，可以交换执⾏顺序D.有向量Vi冲突，只能串⾏6. 流⽔机器对全局性相关的处理不包括（D ）。

A.猜测法B.提前形成条件码C.加快短循环程序的执⾏D.设置相关专⽤通道7. 系列机软件应做到（ B）。

A.向前兼容，并向上兼容B.向后兼容，⼒争向上兼容C.向前兼容，并向下兼容D.向后兼容，⼒争向下兼容8. 以提⾼存储容量为⽬的的存储器是（B）。

A.Cache存储器B.虚拟存储器C.并⾏访问存储器D.交叉访问存储器9. RISC执⾏程序的速度⽐CISC要快的关键原因是（ C）。

A.RISC的指令系统的指令数较少B.程序在RISC上编译⽣成的⽬标程序较短C.RISC的指令平均周期数较少D.RISC只允许Load指令和store指令访存10. 对于机器语⾔程序员⽽⾔，以下（C ）是透明的。

A.通⽤寄存器B.程序性中断C.Cache数据的存取D.主存储器11. 利⽤时间交叉概念实现并⾏处理的是（A ）。

word 文档下载后可自由复制编辑你计算机系统结构清华第 2 版习题解答word 文档下载后可自由复制编辑1 目录1.1 第一章（P33）1.7-1.9 （透明性概念），1.12-1.18 （Amdahl定律），1.19、1.21 、1.24 （CPI/MIPS）1.2 第二章（P124）2.3 、2.5 、2.6 （浮点数性能），2.13 、2.15 （指令编码）1.3 第三章（P202）3.3 （存储层次性能）， 3.5 （并行主存系统），3.15-3.15 加 1 题（堆栈模拟），3.19 中（3）（4）（6）（8）问（地址映象/ 替换算法-- 实存状况图）word 文档下载后可自由复制编辑1.4 第四章(P250)4.5 （中断屏蔽字表/中断过程示意图），4.8 （通道流量计算/通道时间图）1.5 第五章（P343）5.9 （流水线性能/ 时空图），5.15 （2种调度算法）1.6 第六章（P391）6.6 （向量流水时间计算），6.10 （Amdahl定律/MFLOPS）1.7 第七章（P446）7.3 、7.29（互连函数计算），7.6-7.14 （互连网性质），7.4 、7.5 、7.26（多级网寻径算法），word 文档下载后可自由复制编辑7.27 （寻径/ 选播算法）1.8 第八章(P498)8.12 ( SISD/SIMD 算法)1.9 第九章(P562)9.18 ( SISD/多功能部件/SIMD/MIMD 算法)（注：每章可选1-2 个主要知识点，每个知识点可只选 1 题。

有下划线者为推荐的主要知识点。

）word 文档 下载后可自由复制编辑2 例 , 习题2.1 第一章 (P33)例 1.1,p10假设将某系统的某一部件的处理速度加快到 10倍 ,但该部件的原处理时间仅为整个运行时间的40%，则采用加快措施后能使整个系统的性能提高多少？解：由题意可知： Fe=0.4, Se=10，根据 Amdahl 定律S n To T n1 (1Fe )S n 1 10.6 0.4100.64 Fe Se 1.56word 文档 下载后可自由复制编辑例 1.2,p10采用哪种实现技术来求浮点数平方根 FPSQR 的操作对系统的性能影响较大。

计算机系统结构复习第一章计算机系统结构基本概念1.1计算机系统结构计算机系统层次结构·计算机系统结构主要研究软件、硬件功能分配和对软件硬件界面的确定，即哪些功能由软件完成、哪些功能由硬件完成。

·软件与硬件实现的特点：硬件实现：速度快、成本高；灵活性差、占用内存少。

软件实现：速度低、复制费用低；灵活性好、占用内存多。

·计算机组成的任务是在计算机系统结构确定分配给硬件子系统的功能及其概念结构之后，研究各组成部分的内部构造和相互联系，以实现机器指令级的各种功能和特性。

·系统结构是计算机系统的软硬件界面；计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现；计算机实现是计算机组成的物理实现。

·计算机系统结构的分类：①Flynn分类法：指令流：机器执行的指令序列。

数据流：由指令调用的数据序列，包括输入数据和中间结果。

多倍性：在系统最受限制的元件上同时处于同一执行阶段的指令或数据的最大可能个数。

按照数据流和指令流的组织方式分为：SISD、SIMD、MISD、MIMD。

②冯氏分类法：用最大并行度分类，最大并行度：计算机系统在单位时间内能够处理的最大的二进制位数。

分为：1、字串位串WSBS；2、字并位串WPBS；3、字串位并WSBP；4、字并位并WPBP。

③Handler分类法：根据并行度和流水线分类，把计算机的硬件结构分成三个层次：1、程序控制部件（PCU）的个数k；2、算术逻辑部件（ALU）或处理部件PE的个数d；3、每个算术逻辑部件包含基本逻辑线路（ELC）的套数w。

1.2计算机系统设计技术·计算机系统设计的定量原理：①、加快经常性时间的处理速度；②、Amdahl定律：系统中某一部件由于采用某种更快的执行方式后整个系统性能的提高与这种执行方式的使用频率或占总执行时间的比例有关。

加速比=（采用改进措施后的性能）/（没有采用改进措施性能）=（没有采用改进措施前执行某任务的时间）/（采用改进措施后某任务执行时间）。

计算机系统结构的基本概念计算机系统的层次结构计算机系统= 硬件/固件 + 软件计算机语言从低级向高级发展：高一级语言的语句相对于低一级语言来说功能更强。

，更便于应用，但又都以低级语言为基础。

从计算机语言的角度，把计算机系统按照功能划分成多层次结构。

物理机：用硬件或固件实现的机器虚拟机：由软件实现的机器，虚拟机中有些操作可以由硬件或固件实现。

固件是具有软件功能的硬件。

各机器级的实现主要靠翻译或解释或两者结合。

翻译：先用转换程序将高一级机器上的程序转换成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。

解释执行比编译后再执行所花的时间多，但占用的存储空间较少。

计算机系统结构的定义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。

按照计算机系统的多级层次结构，不同级程序员所看到的计算机具有不同的属性。

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。

广义的系统结构定义：指令系统结构、组成、硬件。

计算机系统结构的实质：确定计算机系统中软硬件的界面，界面之上是软件实现的功能，界面之下是硬件和固件实现的功能。

计算机组成和计算机实现计算机系统结构：计算机系统的软、硬件的界面，即机器语言程序员所看到的传统机器所具有的属性。

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。

着眼于物理机器级内各事件的排序方式与控制方式、各部件的功能以及各部件之间的联系。

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、冷却以及整机装配技术等。

着眼于器件技术（起主导作用）、微组装技术。