多处理机-- 分布式共享存储器体系结构
计算机体系结构-第7章 多处理机
第7章 多处理机
主 CPU
主存
CIOP
高速系统总线 BIOP NIOP GIOP
ACOP
CIOP----字符处理机 BIOP----数组处理机 NIOP----网络处理机 GIOP----图形处理机 ACOP----向量加速处理机
图7.5 异构非对称式多处理机的一般结构
第7章 多处理机
2. 松耦合(loosely coupled)多处理机 松耦合多处理机是通过消息传递方式来实现处理机间的相互通 信的。 而每台处理机是由一个独立性较强的计算机模块组成，该模 块由处理器、较大容量的本地存储器(在运算时所需的绝大部分的 指 令 和 数 据 均 取 自 本 地 存 储 器 ) 、 I/O 设 备 以 及 与 消 息 传 递 系 统 (Message Transfer System，MTS)相连的接口组成。当不同模块上 运行的进程间需要通信时，可通过网络接口电路及消息传递系统 进行信息交换。由于这种相互间的耦合程度是很松散的，因此称 之为松耦合多处理机。 松耦合多处理机可分为非层次式和层次式两种结构。
第7章 多处理机
(5)合理地进行资源分配和任务调度。 在MIMD多处理机中，由于任务的大小不相同， 各处理机的速度也可能不相同(如异构型多处理机系统)， 互连网络的拓扑结构和通信延迟在不同的多处理机中 也有很大的差别，在执行并发任务时，并不是使用的 处理机个数越多，系统获得的性能就越高。因此需要 采用软件手段，合理地进行资源分配和任务调度，否 则系统性能将受较大影响。而在SIMD并行处理机中， 程序员只需用屏蔽的手段来设置部分处理单元为不活 跃状态，来控制实际参加并行操作的处理单元数目。
因此，Cm*是一个三层总线多处理机，三级的访 存时间分别为：计算机模块内3.5μs，计算机模块群内 9.3μs，而群间则为26μs。
第12章 分布式系统的应用
缺陷：顺序号丢失（空序）或乱序需要重传或可 能会产生错误。
《分布式系统》(十二) 08-06 24
存储器相关性问题
• 第 3 类的读复制算法是 DSM 系统中普遍采用的。 Li 和Hudak进一步提出了这类算法的3种实现方法。
– 集中管理者算法 – 分布式管理者算法 – 动态分布式管理者算法 （P272）
缺陷：发生颠簸。
《分布式系统》(十二) 08-06
20
存储器相关性问题
3. 读复制算法（转移和复制）
是一个“多读/单写”协议，其写操作：
1) （客户端）如果需要的数据不在本地，确定它的位置， 然后发出请求； 2)（远程主机）收到请求，发出数据对象；（转移） 3) （客户端）收到对象，并对所有拥有数据对象拷贝的站 点发出使无效或更新的组播； 4) （远程主机）收到使无效信号，使本地拷贝无效，或接 受更新信号并且更新本地拷贝；（复制） 5)（客户端）访问数据对象（写）。
设访问控制的文件访问）
• 用本地系统和远程系统的 UID 映射（域映射或域信 任等），以控制访问权； （如 Windows 域信任或 Unix 的
主机信任）
• 分布式系统中，每个用户有一个确定且唯一的 UID ， 这个 UID 在任何处理机上有效而且不需要映射。 （全局统一的用户UID和文件访问控制）
《分布式系统》(十二) 08-06 4
分布式操作系统
• 因此，分布式操作系统较网络操作系统的 关键区别是 Tanenbaum 提出的 8 个不同程度 的透明性概念：
– – – – – – – – 访问透明性 并发透明性 错误透明性 位置透明性 移植透明性 并行透明性 性能透明性 复制透明性
(P263)
《分布式系统》(十二) 08-06
计算机体系结构试题库—判断题
计算机体系结构试题库判断题（102题）1．（√）执行时间不是唯一的性能指标，但它是最普遍的性能表示形式。
2．（×）根据Moore定律，DRAM的周期时间是每三年降低四倍。
3．（×）MIPS是测量计算机性能的一致性指标。
4．（√）在计算机性能测量中，调和平均的含义是单位时间机器能够执行的程序数。
5．（×）可以用典型程序来设计和优化指令集。
6．（×）增加流水线的级数总可以增加流水线的性能。
7．（×）多处理机系统中的素数模低位交叉存储器可以避免所有访存冲突。
8．（√）部件的可靠性通常可以用平均无故障时间来衡量。
9．（√）在向量处理机中，链接只能在顺序的Convoy（向量指令并行集）之间进行。
10．（×）n维超立方体单级互连网络中的节点数为n。
11．（×）MIPS和MFLOPS是计算机性能衡量的两个可靠指标。
12．（×）RISC结构的机器性能一定要比CISC结构的机器性能高。
13．（×）平均每条指令的执行周期数（CPI）与程序无关。
14．（√）CPU性能公式中指令条数（IC）与指令集格式和编译器有关。
15．（√）CPU的组织在一定程度上会影响CPU所能达到的频率。
16．（√）解释执行比翻译执行花的时间多，但存储空间占用较少。
17．（×）计算机体系结构设计这不必关心指令集具体实现。
18．（×）当前没有任何一种指令集结构是堆栈型结构，因为它已经过时了。
19．（√）虽然结构相关会影响流水线的性能，但是我们在具体的流水线设计中仍然允许一定的结构相关存在。
20．（×）程序的时间局部性指程序即将用到的信息很可能与目前正在使用的信息在空间上相邻或者临近。
21．（×）程序的空间局部性指程序即将用到的信息很可能就是目前正在使用的信息。
22．（√）Amdahl定律揭示的性能递减规则说明如果仅仅对计算机中的一部分做性能改进，则改进越多，系统获得的效果越小。
第六章向量时钟
第11章分布式操作系统系统11.1分布式系统的体系结构分布式系统（distributed system)是由若干非共享内存和时钟的计算机组成，它们通过一个计算机网络彼此交换消息；并且每台计算机由自己的内存和运行自己的操作系统，如图1所示。
图 1 分布式系统的体系结构分布式系统的优点：●资源共享●增强的性能●改善的可靠性和可用性●模块可扩张性11.1.1分布式系统的体系结构类型Tanenbaum和Renesse将分布式系统分成三类：●小型机类型(minicomputer model)：在小型机类型中，分布式系统由若干小型机组成（例如，VAX)。
每个计算机支持多个用户并且提供访问远程资源。
处理机个数和用户数之比通常小于1。
●工作站类型(workstation model)：在工作站类型中，分布式系统由直到几百台工作站组成。
每个用户有一台工作站完成用户的任务。
藉助于分布式文件系统，用户可以访问任何数据，而不管其位置。
处理机个数和用户数之比通常等于1。
Athena和Andrew是其例子。
●处理机池类型(processor pool model)：在处理机池类型中，按照用户的需求分配一个或多个处理机给用户。
一旦完成任务它们返回处理机池等待新的分配。
处理机个数和用户数之比通常大于1。
Amoeba是一个工作站和处理机池类型组合的试验系统。
分布式操作系统是由一个通信网络连接的若干自治的计算机所组成的分布式计算系统的操作系统。
从用户观点看分布式操作系统是由一个虚拟单机组成。
11.1.2分布式操作系统的课题●全局知识(Global knowledge)●命名(Naming)●可伸缩性(Scalability)●兼容性(Compatibility)●进程同步(Process Synchronization)●资源管理(Resource Management)●安全(Security)●构造(Structuring)全局知识命名可伸缩性兼容性兼容性指的是在一个系统中的资源之间互操作性。
多处理机new
1. 二维数组的无冲突访问存储器 • 要求：一个n×n的二维数组，按行、列、对 角线和反对角线访问，并且在不同的变址位 移量情况下，都能实现无冲突访问。 • 顺序存储：按行、对角线访问没有冲突，但 按列访问每次冲突
0 号体 体内地址 0 1 2 3
2012年8月15日星期三
1 号体
2 号体
3 号体
16
3. 二维数组的无冲突访问存储方案(之二) • 规则：对于任意一个n×n的数组，如果能够 找到满足n＝22P关系的任意自然数p，则这个 二维数组就能够使用n个并行存储体实现按行、 列、对角线和反对角线的无冲突访问。 • 4×4数组用4个存储体的无访问冲突存储方案
0 号体 体内地址 0 1 2 3
或(SSM,Scalable Shared-Memory)
物理上分离的多个存储器可作为一个逻辑上共享的 存储空间进行编址.
• 通信机制:可利用Load和Store指令中的地址隐 含地进行数据通信. 2.多计算机(multicomputers)
整个地址空间由多个独立的地址空间构成,它们在逻 辑上是独立的,远程的处理器不能对其直接寻址.
2012年8月15日星期三 计算机系统结构 第九章 多处理机 18
7.2.1.2 多处理机的Cache一致性
1. Cache不一致性原因
• 在并行处理机和多处理机系统中，采用局部 Cache会引起Cache与共享存储器之间的一致 性问题。 • 出现不一致性问题的原因有三个： 共享可写的数据、进程迁移、I/O传输
第七章 多处理机
• 多处理机定义： 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。 • 按照Flynn分类法，多处理机系统属于 MIMD计算机 • 研究多处理机的目的：提前10年得到性能 高100倍的高性能计算机系统。
本科专业认证《计算机体系结构》教学大纲
《计算机体系结构》教学大纲课程名称：计算机体系结构英文名称：Computer Architecture课程编号：0812000485课程性质：选修学分/学时：2/32。
其中，讲授 32学时，实验 0学时，上机 0学时，实训 0学时。
课程负责人：先修课程：模拟电路，数字电路，计算机组成原理，汇编语言，操作系统，算法与程序设计方法一、课程目标通过本课程的教学，使学生先掌握计算机系统结构的基本概念，以及计算机系统结构的形成和发展过程，再以现代计算机系统结构为主线，掌握计算机系统结构的合成、存储系统结构、流水线结构、多处理机系统、RISC结构、分布计算环境结构及数据流计算机结构等现代计算机的系统结构，并了解软件对计算机系统结构的影响，最后了解现代计算机系统结构的最新发展。
本课程帮助学生了解计算机系统结构的基本概念，基本原理、基本结构、基本分析方法以及近年来的重要进展。
通过本课程的学习，达到以下教学目标：1. 工程知识1.1 掌握必要的计算机体系结构基础理论知识。
1.2 能够应用计算机体系结构理论知识解决复杂工程技术问题。
2. 问题分析2.1 能够理解并恰当表述计算机体系结构的实际问题。
2.2 能够找到合适的解决计算机体系结构实际问题的程序与方法。
2.3 在一定的限制条件下能够合理解决计算机体系结构方面的实际问题。
3．设计/开发解决方案能够运用计算机系统结构基础知识初步进行计算机系统的规划与设计并体现创新意识。
4. 研究4.1能够采用计算机系统结构理论知识进行研究并合理设计实验方案。
4.2具备采集有效数据的能力。
5. 使用现代工具能够正确运用工具与资源对计算机系统的性能提升等问题进行设计与实现。
6. 终身学习6.1具有自觉搜集阅读与整理资料的能力。
6.2了解计算机系统结构的发展前沿。
6.3具有终身学习的意识与能力。
二、课程内容及学时分配如表1所示。
三、教学方法课程教学以课堂教学、实验教学、课外作业、综合讨论、网络课程等共同实施。
重庆大学 系统结构 题库 名词解释
传输时延（Transport latency）：它等于"飞行"时间和传输时间之和。它是消息在互连网络上 所花费的时间，但不包括消息进入网络和到达目的结点后从网络接口硬件取出数据所花费的时 间。（9）
16、MPP：基于分布存储的大规模并行处理系统（10）
17、S2MP：是一种共享存储的体系结构，和大规模的消息传递系统相比，它支持简单的编程 模型，系统使用方便，是对 SMP 系统在支持更高扩展能力方面的发展。（10）
18、SMP：SMP 称为共享存储型多处理机(Shared Memory mulptiProcessors), 也称为对称型 多处理机（Symmetry MultiProcessors）(10)
"飞行"时间（Time of flight）：消息的第一位信息到达接收方所花费的时间，它包括由于网络 中转发或其它硬件所起的时延（9）
传输时间（Transmission time）：消息通过网络的时间，它等于消息长度除以频宽。（9）
频宽（Bandwidth）：它是指消息进入网络后，互连网络传输信息的最大速率。它的单位是兆 位/秒，而不用兆字节/秒。
28、虚拟直通(virtual cut through) ：目前有一些多计算机系统采用的是虚拟直通的寻径方式 。 虚拟直通的寻径方式的思想是，为了减少时延，没有必要等到整个消息全部缓冲后再作路由选 择，只要接收到用作寻径的消息头部即可判断。 （9）
29、存储转发寻径：存储转发寻径(store and forward) 在存储转发网络中包是信息流的基本单
(3) 顺序流动：一串连续任务在流水线中是一个接一个地在各个功能段中间流过的。从流水线 的输出端看，任务流出流水线的顺序与输入端的任务流入顺序完全相同 ，这种控制方式称为顺 序流动方式
计算机体系结构试题库—名词解释
计算机体系结构试题库名词解释（100题）1．计算机体系结构：计算机体系结构包括指令集结构、计算机组成和计算机实现三个方面的内容。
2．透明性：在计算机技术中，对这种本来是存在的事物或属性，但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性(transparency)。
3．程序访问的局部性原理：程序总是倾向于访问最近刚访问过的信息，或和当前所访问的信息相近的信息，程序对信息的这一访问特性就称之为程序访问的局部性原理。
4．RISC：精简指令集计算机。
5．CPI——指令时钟数（Cycles per Instruction）。
6．Amdahl定律——加快某部件执行速度所获得的系统性能加速比，受限于该部件在系统中的所占的重要性。
7．系列机：在一个厂家内生产的具有相同的指令集结构，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。
8．软件兼容：同一个软件可以不加修改地运行于体系结构相同的各档机器，而且它们所获得的结果一样，差别只在于有不同的运行时间。
9．基准程序：选择一组各个方面有代表性的测试程序，组成的一个通用测试程序集合，用以测试计算机系统的性能。
10．合成测试程序：首先对大量的应用程序中的操作进行统计，得到各种操作的比例，再按照这个比例人为制造出的测试程序。
11．Benchmarks：测试程序包，选择一组各个方面有代表性的测试程序，组成的一个通用测试程序集合。
12．核心程序：从真实程序提取出来的用于评价计算机性能的小的关键部分。
13．通用寄存器型机器：指令集结构中存储操作数的存储单元为通用寄存器的机器，称之为通用寄存器型机器。
14．Load/Store型指令集结构：在指令集结构中，除了Load/Store指令访问存储器之外，其它所有指令的操作均是在寄存器之间进行，这种指令集结构称之为Load/Store型指令集结构。
15．虚拟机器：（virtual machine），由软件实现的机器。
16．操作系统虚拟机：直接管理传统机器中软硬件资源的机器抽象，提供了传统机器所没有的某些基本操作和数据结构，如文件系统、虚拟存储系统、多道程序系统和多线程管理等。
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目录协议必须实现两种基本操作
处理读失效
处理对共享、干净块的写
对共享块写失效的处理是这两个操作的简单组合 (2) 目录必须跟踪记录每个存储块的状态 存储块的状态有三种：
虚拟存储器的特点
7.3 分布式共享存储器体系结构
共享 在一个或多个处理器上具有这个块的副本，
且主存中的值是最新值（所有Cache
理器是否有该块的拷贝。 当该块为专有时，可根据位向量来寻找其拥
虚拟存储器的特点
虚拟存储器的特点
7.3 分布式共享存储器体系结构
结点之间发送的消息 及其作用
虚拟存储器的特点
虚拟存储器的特点
虚拟存储器的特点
目录状态转换图
虚拟存储器的特点
虚拟存储器的特点
虚拟存储器的特点
虚拟存储器的特点
虚拟存储器的特点
虚拟存储器的特点
虚拟存储器的特点
7.3 分布式共享存储器多种改进
有限映射目录 链式结构目录
基于目录的Cache一致性协议是完全由硬件实现的。
此外，还可以用软硬结合的办法实现。
虚拟存储器的特点
虚拟存储器的特点
7.3 分布式共享存储器体系结构
缺点： (1) 实现透明的软件Cache一致性的编译机制能力 有限。
(2) 没有Cache一致性，机器就不能利用取出同一
块中的多个字的开销接近于取一个字的开销 这个优点，这是因为共享数据是以Cache块为
单位进行管理的。当每次访问要从远程存储
器取一个字时，不能有效利用共享数据的空 间局部性。 (3) 诸如预取等延迟隐藏技术对于多个字的存取 更为有效，比如针对一个Cache块的预取。
未缓冲 所有处理器的Cache 专有 仅有一个处理器上有该块的副本，且已对该块
进行了写操作，而主存的拷贝仍是旧的。这个处理器 称为该块的拥有者。
虚拟存储器的特点
7.3 分布式共享存储器体系结构
(3) 由于写作废操作的需要，还必须记录哪些处理器
有该块的拷贝 方法：对每个主存块设置一个位向量
当该块被共享时，每个位指出与之对应的处
第７章 多处理机
7.3
分布式共享存储器体系结构
存储器分布于各结点中，所有的结点通过网络互
连。访问可以是本地的，也可是远程的。 可以不支持Cache一致性：规定共享数据不进入Cache， 仅私有数据才能保存在Cache中。 优点： 所需的硬件支持很少
(因为远程访问存取量仅是一个字(或双字)而
不是一个Cache块)
虚拟存储器的特点
7.3 分布式共享存储器体系结构
解决Cache一致性问题的关键： 寻找替代监听协议的一致性协议。。
目录协议
在每个结点增加目录存储器，用于存放目录
对每个结点增加目录表后的分布式存储器的系统结构
虚拟存储器的特点
7.3 分布式共享存储器体系结构
7.3.1 基于目录的Cache一致性及其实现