计算机体系结构-第7章 多处理机

《计算机组成原理》唐朔飞第⼆版_笔记第1章概论1，计算机系统的软硬件概念1）硬件：计算机的实体部分，它由看得见摸得着的各种电⼦元器件，各类光、电、机设备的实物组成，如主机、外部设备等。

2）软件：由⼈们事先编制的具有各类特殊功能的程序组成，分为系统软件和应⽤软件。

①系统软件⼜称为系统程序，主要⽤来管理整个计算机系统，监视服务，使系统资源得到合理的调度，⾼效运⾏。

它包括：标准程序库、语⾔处理程序（编译程序）、操作系统、、服务程序（如诊断、调试、连接程序）、数据库管理系统、⽹络软件等。

②应⽤软件⼜称应⽤程序，它是⽤户根据任务需要所编制的各种程序，如科学计算程序、数据处理程序、过程控制程序、实物管理程序。

2、计算机系统的层次结构：1）硬联逻辑级：第零级是硬联逻辑级，这是计算机的内核，由门，触发器等逻辑电路组成。

2）微程序级：第⼀级是微程序级。

这级的机器语⾔是微指令集，程序员⽤微指令编写的微程序，⼀般是直接由硬件执⾏的。

3）传统机器级：第⼆级是传统机器级，这级的机器语⾔是该机的指令集，程序员⽤机器指令编写的程序可以由微程序进⾏解释。

操作4）系统级：第三级是操作系统级，从操作系统的基本功能来看，⼀⽅⾯它要直接管理传统机器中的软硬件资源，另⼀⽅⾯它⼜是传统机器的延伸。

5）汇编语⾔级：第四级是汇编语⾔级，这级的机器语⾔是汇编语⾔，完成汇编语⾔翻译的程序叫做汇编程序。

6）⾼级语⾔级：第五级是⾼级语⾔级，这级的机器语⾔就是各种⾼级语⾔，通常⽤编译程序来完成⾼级语⾔翻译的⼯作。

7）应⽤语⾔级：第六级是应⽤语⾔级，这⼀级是为了使计算机满⾜某种⽤途⽽专门设计的，因此这⼀级语⾔就是各种⾯向问题的应⽤语⾔。

把计算机系统按功能分为多级层次结构，就是有利于正确理解计算机系统的⼯作过程，明确软件，硬件在计算机系统中的地位和作⽤。

3、计算机组成和计算机体系结构1）计算机体系结构：是指那些能够被程序员所见到的计算机系统的属性，即概念性的结构与功能特性。

计算机体系结构课后答案【篇一：计算机体系结构习题(含答案)】1、尾数用补码、小数表示，阶码用移码、整数表示，尾数字长p=6（不包括符号位），阶码字长q=6（不包括符号位），为数基值rm=16，阶码基值re=2。

对于规格化浮点数，用十进制表达式写出如下数据（对于前11项，还要写出16进值编码）。

（1）最大尾数（8）最小正数（2）最小正尾数（9）最大负数（3）最小尾数（10）最小负数（4）最大负尾数（11）浮点零（5）最大阶码（12）表数精度（6）最小阶码（13）表数效率（7）最大正数（14）能表示的规格化浮点数个数2．一台计算机系统要求浮点数的精度不低于10-7.2，表数范围正数不小于1038，且正、负数对称。

尾数用原码、纯小数表示，阶码用移码、整数表示。

(1) 设计这种浮点数的格式(2) 计算（1）所设计浮点数格式实际上能够表示的最大正数、最大负数、表数精度和表数效率。

3．某处理机要求浮点数在正数区的积累误差不大于2-p-1 ，其中，p是浮点数的尾数长度。

(1) 选择合适的舍入方法。

(2) 确定警戒位位数。

(3) 计算在正数区的误差范围。

4．假设有a和b两种不同类型的处理机，a处理机中的数据不带标志符，其指令字长和数据字长均为32位。

b处理机的数据带有标志符，每个数据的字长增加至36位，其中有4位是标志符，它的指令数由最多256条减少到不到64条。

如果每执行一条指令平均要访问两个操作数，每个存放在存储器中的操作数平均要被访问8次。

对于一个由1000条指令组成的程序，分别计算这个程序在a处理机和b处理机中所占用的存储空间大小（包括指令和数据），从中得到什么启发？5．一台模型机共有7条指令，各指令的使用频率分别为35%，25%，20%，10%，5%，3%和2%，有8个通用数据寄存器，2个变址寄存器。

(1) 要求操作码的平均长度最短，请设计操作码的编码，并计算所设计操作码的平均长度。

6．某处理机的指令字长为16位，有双地址指令、单地址指令和零地址指令3类，并假设每个地址字段的长度均为6位。

念1.1计算机系统的多级层次结构1.2计算机系统结构、组成与实现1.2.1结构、组成、实现的定义与内涵1.2.2计算机系统结构、组成和实现三者的相互影响1.3软硬件取舍与计算机系统设计思路1.3.1软硬件取舍的基本原则1.3.2计算机系统的设计思路1.4结构设计要解决好软件的可移植性1.4.1统一高级语言1.4.2采用系列机1.4.3模拟与仿真1.5应用与器件的发展对系统结构的影响1.5.1应用的发展对系统结构的影响1.5.2器件的发展对系统结构的影响1.6系统结构中的并行性发展及计算机系统的分类1.6.1并行性概念1.6.2并行处理系统的结构与多机系统的耦合度1.6.3计算机系统的分类第2章数据表示与指令系统2.1数据表示2.1.1数据表示与数据结构2.1.2高级数据表示2.1.3引入数据表示的原则2.1.4浮点数尾数基值大小和下溢处理方法的选择2.2寻址方式2.2.1寻址方式分析2.2.2逻辑地址与主存物理地址2.3指令格式的优化设计2.3.1操作码的优化2.3.2指令字格式的优化2.4按CISC方向发展与改进指令系统2.4.1面向目标程序优化实现改进2.4.2面向高级语言优化实现改进2.4.3面向操作系统优化实现改进2.5按RISC方向发展与改进指令系统2.5.1 RISC的提出2.5.2设计RISC的原则2.5.3设计RISC结构用的基本技术2.5.4 RISC技术的发展第3章总线、中断与输入输出系统3.1输入输出系统的基本概念3.2总线设计3.2.1总线的类型3.2.2总线的控制方式3.2.3总线的通讯技术3.2.4数据宽度与总线线数3.3中断系统3.3.1中断的分类和分级3.3.2中断系统的软硬件功能分配3.4通道处理机3.4.1工作原理3.4.2通道流量的分析第4章存储体系4.1存储体系概念与并行主存系统4.1.1发展存储体系的必要性4.1.2并行主存系统频宽的分析4.1.3存储体系的形成与分支4.1.4存储体系的性能参数4.2虚拟存储器4.2.1不同的虚拟存储管理方式4.2.2页式虚拟存储器的构成4.2.3页式虚拟存储器实现中的问题4.3高速缓冲(Cache)存储器4.3.1基本结构4.3.2地址的映象与变换4.3.3替换算法的实现4.3.4 Cache存储器的透明性及性能分析第5章重叠、流水和向量处理机5.1重叠方式5.1.1基本思想和一次重叠5.1.2相关处理5.2流水方式5.2.1基本概念5.2.2流水线处理机的主要性能5.2.3流水机器的相关处理和控制机构5.3向量的流水处理与向量流水处理机5.3.1向量的流水处理5.3.2向量流水处理机5.4指令级高度并行的超级处理机5.4.1超标量处理机5.4.2超长指令字(VLIW)处理机5.4.3超流水线处理机第6章阵列处理机6.1阵列处理机原理6.1.1阵列处理机的基本构形6.1.2阵列处理机的特点6.2阵列处理机的并行算法6.2.1 ILLIACⅣ的处理单元阵列结构6.2.2阵列处理机的并行算法举例6.3 SIMD计算机的互连网络6.3.1互连网络的设计目标及互连函数6.3.2基本的单级互连网络6.3.3多级互连网络6.4并行存储器的无冲突访问6.5并行处理机举例6.5.1 MPP位平面阵列处理机6.5.2 CM连接机第7章多处理机7.1多处理机的特点及主要技术问题7.2多处理机的硬件结构7.2.1紧耦合和松耦合7.2.2机间互连形式7.3程序并行性7.3.1并行算法7.3.2程序并行性的分析7.3.3并行程序设计语言7.4多处理机的性能7.4.1任务粒度与系统性能7.4.2性能模型与分析7.5多处理机的操作系统7.5.1主从型操作系统7.5.2各自独立型操作系统7.5.3浮动型操作系统第8章其它计算机结构8.1脉动阵列机8.1.1脉动阵列结构的原理和特点8.1.2通用的脉动阵列结构8.2大规模并行处理机MPP与机群系统8.2.1大规模并行处理机MPP8.2.2机群系统8.3数据流机8.3.1数据驱动的概念8.3.2数据流程序图和语言8.3.3数据流计算机的结构8.3.4数据流机器存在的问题8.4归约机8.5智能机8.5.1智能信息处理与智能机正的实处理机代替虚拟机器；可以增加存储寄存器组织、指令系统、存储系统组织、中断系统、管态目态定义与转换、逐级往以上方法存在的问题是软、硬件脱语义同一语言在不同机器上不通用；程序员汇编语言，结构相同机器间搞系列但到一定时还可采用模拟仿困难；重新设计软件经济上不划处理单络设计，数据在存储器中的分布算进程间的同步间调度。

计算机体系结构习题一、名词解释第一章：计算机组成：指的是计算机系统结构的逻辑实现，包含物理机器中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。

它着眼于物理机器级内各事物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：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起主导作用。

程序的局部性原理：指程序执行时所访问的存储器地址不是随机分布的，而是相对簇聚。

常用的经验规则：程序执行时间的90%都是在执行程序中的10%的代码。

数据访问也具有局部性。

第二章：RISC:即精简指令集计算机，它是尽可能地把指令系统简化，不仅指令的条数少，而且指令的功能比较简单。

（P36页）CISC:即复杂指令集计算机，它是增强指令功能，把越来越多的功能交由硬件实现，指令的数量也越来越多。

（P36页）寻址方式：指指令系统中如何形成所要访问的数据的地址。

第三章：流水线技术：（P53页）把一个重复的过程分解为若干个子过程（相当于上面的工序），每个子过程由专门的功能部件来实现，把多个处理过程在时间上错开，依次通过各功能段，这样，每个子过程就可以与其他的子过程并行进行，这就是流水线技术。

线性流水线：（见P57页）线性流水线是指各段串行连接、没有反馈回路的流水线。

数据通过流水线中的各段时，每个段最多只流过一次。

非线性流水线：（见P57页）非线性流水线是指各段除了有串行的连接外，还有反馈回路的流水线。

数据相关：（见P73页）考虑两条指令i和j，i在j的前面，如果下述条件之一成立，则称指令j与指令i数据相关：（1）指令j使用指令i产生的结果；（2）指令j与指令k数据相关，而指令k又与指令i数据相关。

系统级流水线（P55）是把多个处理机串行连接起来，对同一数据流进行处理，，每个处理机完成整个任务中的一部分。

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。

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。

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）。

第一章1、计算机系统多级层次结构从高到低：（6级）应用程序计算机、高级语言、汇编语言、操作系统、机器语言、微机程序控制、（0级）硬联逻辑计算机。

第0级由硬件实现，第1级由微程序（固件）实现，2—6级机器由软件实现。

2、透明性现象：一种本来存在的有差异的事物或属性，从某种角度来看似乎不再存在。

3、计算机组成是计算机系统的逻辑实现；计算机实现是计算机组成的物理实现。

4、计算机系统结构是计算机系统的软、硬件的界面；系统结构、组成和实现所包含的具体内容第随不同机器而变化的，且三者之间的界限越来越模糊。

5、系统结构分类①按“流”分：SISD单指令流单数据流，SIMD单指令流多数据流，MISD多指令流单数据流，MIMD多指令流多数据流。

Flynn分类法：按指令流（机器执行的指令序列）和数据流（指令流调用的数据序列，include输入数据和中间结果）的多倍性（指在系统最受限制的原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）概念进行分类。

缺点：对于标量及向量流水计算机应属于哪一类系统，不是很明确。

②按“并行级”和“流水线”分类：程序控制部件PCU的个数是K，算术逻辑部件ALU/处理部件PE的个数是d，每个ALU包含基本逻辑线路ELC 的套数是w。

T系统型号=（k，d，w）。

③按“并行度”分类：WSBS字串位串，WPBS字并位串，WSBP字串位并，WPBP字并位并。

6、*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取决于这种执行方式的使用频率或占总执行时间的比例。

实际上定义了加快某部分功能处理后，整个系统所获得的性能改进或执行时间的加速比的大小。

加速比与两个因素有关：一是计算机执行某个人物的总时间中可被改进部分的时间所占的百分比，Fe=可改进部分占用的时间/改进前整个任务的执行时间，它总小于1；二是改进部分采用改进措施后比没有采用改进措施前性能提高倍数，Se=改进前改进部分的执行时间/改进后改进部分的执行时间，它总大于1。