§3 共享主存构形阵列处理机中 并行存储器的无冲突访问
2022年南京大学计算机科学与技术专业《操作系统》科目期末试卷B(有答案)
2022年南京大学计算机科学与技术专业《操作系统》科目期末试卷B（有答案）一、选择题1、某硬盘有200个磁道（最外侧磁道号为0），磁道访问请求序列为：130，42，180，15，199.当前磁头位于第58号磁道并从外侧向内侧移动。
按照SCAN调度方法处理完上述请求后，磁头移过的磁道数是（）。
A.208B.287C.325D.3822、在文件的索引节点中存放直接索引指针10个，一级和：级索引指针各1个。
磁盘块大小为IKB，每个索引指针占4B。
若某文件的索引节点已在内存中，则把该文件偏移量（按字节编址）为1234 和307400处所在的磁盘块读入内存，需访问的磁盘块个数分别是（）。
A.1.2B.1.3C.2.3D.2.43、进程和程序的本质区别是（）A.前者分时使用CPU，后者独占CPUB.前者存储在内存，后者存储在外存C.前者在一个文件中，后者在多个文件中D.前者为动态的，后者为静态的4、有两个并发执行的进程P1和P2，共享初值为1的变量x。
P1对x加1，P2对x减1。
加1操作和减1操作的指令序列分别如下所示：//加1操作load R1，x ① //取x到寄存器R1中inc R1 ②store x, R1:③ //将R1的内容存入x//减1操作load R2，x ① //取x到寄存器R1中inc R2 ②store x, R2:③ //将R1的内容存入x两个操作完成后，x的值（）。
A.可能为-1或3B.只能为1C.可能为0，1或2D.可能为-1，0，1或25、有若干并发进程均将一个共享变量count的值加1 次，那么有关count中的值说法正确的是（）。
1）肯定有不止确的结果2）肯定有止确的结果3）若控制这些并发进程互斥执行count加1操作，count中的值正确A.1）和3）B.2）和3）C.3）D.1）、2）、3）的说法均不正确6、假定某页式管理系统中，主存为128KB，分成32块，块号为0，1，2，3，....31：某作业有5块，其页号为0，1，2，3，4，被分别装入主存的3，8，4，6，9块中。
并行计算机体系结构与应用
并行计算机体系结构与应用一、介绍并行计算机是一种基于多处理器系统的计算机，将一个大问题分成多个小问题，每个处理器同时解决一个小问题，然后将所有的结果合并起来得到最终结果。
并行计算机的主要特点是高性能和可扩展性。
在计算密集型应用中，它比传统的单处理器计算机有更好的性能表现。
在本文中，我们将介绍并行计算机体系结构和应用。
二、并行计算机体系结构并行计算机体系结构可以分为共享内存和分布式内存两种类型。
共享内存并行计算机中，所有处理器共享系统内存，每个处理器可以访问内存中的任何数据。
分布式内存并行计算机中，处理器之间没有共享内存，它们通过网络互连。
每个处理器只能访问它本地的内存。
1、共享内存并行计算机在共享内存并行计算机中，所有的处理器都共享一个物理内存。
当一个处理器需要访问内存的时候，它会向内存发出请求。
内存控制器会负责处理请求，并将数据保存在缓存中，如果其它处理器要访问相同的数据，那么它们可以从缓存中取出数据，这可以节省大量的访问时间。
共享内存并行计算机的优点是处理器之间可以共享数据，并且程序员不需要考虑数据的分配问题。
但是，这种体系结构也存在一些缺点，比如内存访问冲突和缺乏可靠性。
2、分布式内存并行计算机在分布式内存并行计算机中，每个处理器都有自己的物理内存，它们通过网络互连。
处理器之间的通信是通过发送和接收消息来完成的。
在分布式内存并行计算机中，处理器需要显式地将数据发送到其它处理器，这使得程序员需要考虑数据的分配问题。
然而，分布式内存并行计算机可以通过增加处理器的数量来提高性能，比共享内存并行计算机更具有扩展性。
三、并行计算机应用并行计算机的主要应用是在大型科学计算和工程领域。
以下是一些常见的应用领域：1、气象模拟气象模拟需要处理海量的数据，并且需要比较高的计算性能。
使用并行计算机可以加快气象模拟的速度，从而提高预报准确性。
2、生物信息学生物信息学需要处理大量的基因数据和蛋白质数据。
这些数据的处理需要快速和准确地分析和比较。
第6章阵列处理机
第 6 章 并行处理机和相联处理机
第6章 阵列处理机
6.1 阵列处理机的原理
第 6 章 并行处理机和相联处理机
6.1.2 ILLIACⅣ的处理单元阵列结构 由于阵列处理机上的并行算法的研究是与结构紧密联系 在一起的，因此，下面先介绍一下ILLIACⅣ阵列机上处理单 元的互连结构。ILLIACⅣ是采用如图6-1所示的分布存储器构 形，其处理单元阵列结构如图6-3所示。其中，PUi 为处理部 件，包含64位的算术处理单元PEi、所带的局部存储器PEMi和
用到下面的累加和并行算法。即使如此，就K的并行来说，
速度的提高也不是8倍，而只是8/log28，接近于2.7倍。
第 6 章 并行处理机和相联处理机
3.累加和 这是一个将N个数的顺序相加转为并行相加的问题。为 得到各项累加的部分和与最后的总和，要用到处理单元中的 活跃标志位。只有处于活跃状态的处理单元才能执行相应的 操作。为叙述方便取N=8，即有8个数A(I)顺序累加，其中 0≤I≤7。 在SISD计算机上可以写成下列FORTRAN程序： C=0
PEM内，且在全部64个PEM中，让A、B和C的各分量地址
均对应取相同的地址α、α+1和α+2，如图6-4所示。这样， 实现矩阵加只需用下列三条ILLIACⅣ汇编指令：
第 6 章 并行处理机和相联处理机
LDA ADRN
Hale Waihona Puke ALPHA ;全部(α)由PEMi送PEi的累加器RGAi ALPHA+1 ;全部(α+1)与(RGAi)浮点加，结果送 RGAi
计算机系统结构 第六章自考练习题答案
5.阵列处理机是（ 单 ）指令流（ 多 ）数据流的计算机。 6.ILLIAC IV 8×8 的阵列中，任意两个处理单元之间通信的最大距离不会超过（ 步。推广到一般， n × n 的阵列中，则为（
n -1
7 ）
）步。 ） ,Shuffle(Shuffle
7.8 个节点混洗网络， 其混洗函数为 Shuffle P 2 P1 P 0 ） （ P1 P 0 P 2 （ ＝ （ P 2 P1 P 0 ）) ＝（ P 0 P 2 P1 ） 。
N /2
） 。
不同的多级互连网络，在所用的（ 交换开关 ） 、拓扑结构和（ 控制方 式 ）上各有不同。 4. 阵列处理机按存储器的组织方式不同，分为两种不同的基本构形，一种是采用（ 分 布 ）存储器的阵列处理机构形，另一种是具有（ 集中 ）共享存储器的阵列处理机 构形。 5. 简述去安排列网络的概念及实现全排列网络的两种方法。 （P174-175） 6.
（参考 P176-177）
同步强化练习
一．单项选择题。
1. 2. （ 3. 4. 多级混洗交换网络又称为（ B ） 。 A.移数网络 B.Omega C.STARAN 网络 D.数据交换网络 存储器分体数 m 为质数时，访问一维数组的元素无冲突，要求数组变址的跳距为 A ） 。 A.与 m 互质 B.是 m 的倍数 C.与 m 不等 D.与 m 相等 ILLIAC IV 是一种（ C ） 。 A.流水线处理机 B.指令重叠处理机 C.阵列处理机 D.多处理机 N 个结点的单级立方体网络，互连函数种数为（ B ） 。 A.N 5. B. log
计算机系统结构自考复习资料
第六章 阵列处理机 历年真题精选
1. 拓 扑 结 构 用 多 级 立 方 体 网 络 ， 二 功 能 交 换 单 元 ， 级 控 制 方 式 ， 这 种 网 络 称 为 （ B ） 。 A. Omega 网络 B. 交换网络 C. 间接二进制 n 方体网络 D. 数据变换网络 2．N 个结点的 PM2I 单级网络的最短距离是（ 3. log 2
计算机系统结构自考真题及答案解析(一)
计算机系统结构自考真题及答案解析（一）总分：140分题量：55题一、单选题（共39题，共78分）1.IBM370系统将中断的类型分为（）A.3类B.4类C.5类D.6类正确答案：D本题解析：暂无解析2.下列属于总线标准的是（）A.电气B.速率C.流量D.吞吐率正确答案：A本题解析：暂无解析3.为了解决主存的容量满足不了要求，采用的技术是（）A.寄存器B.虚拟存储器C.高速缓存D.控制存储器正确答案：B本题解析：暂无解析4.标量流水处理机的性能指标主要有（）A.吞吐率、加速比、时间延迟B.吞吐率、效率、时间延迟C.吞吐率、加速比、效率D.加速比、效率、时间延迟正确答案：C本题解析：暂无解析5.多处理机属于（）A.SISD系统B.SIMD系统C.MISD系统D.MIMD系统正确答案：D本题解析：暂无解析6.在计算机系统多级层次结构中,机器级从低级到高级，相对顺序正确的是()。
A.汇编语言——操作系统——高级语言B.微程序一传统机器语言一汇编语言C.传统机器语言——高级语言——汇编语言D.汇编语言——应用语言——高级语言正确答案：B本题解析：暂无解析7.下列对系统程序员不透明的是()。
A.Cache存储器B.数据通路宽度C.指令缓冲寄存器D.虚拟存储器正确答案：D本题解析：暂无解析8.下列予寻址方式的三种面向的是()。
A.面向主存B.面向辅存C.面向寄存器D.面向堆栈正确答案：B本题解析：暂无解析9.浮点数尾数的基值rm=-8，尾数的计算机位数m=8位，可表示的尾数的个数为()。
A.23×7B.24×7C.25×7D.26×7正确答案：C本题解析：暂无解析10.IBM370系统中，通道动作故障引起的中断属于()。
A.机器校验中断B.访管中断C.程序性中断D.I/O中断正确答案：A本题解析：暂无解析11.程序员编写程序时使用的地址是()。
A.主存地址B.逻辑地址C.物理地址D.有效地址正确答案：B本题解析：暂无解析12.对指令间“一次重叠”描述不正确的是()。
2022年四川大学计算机科学与技术专业《操作系统》科目期末试卷B(有答案)
2022年四川大学计算机科学与技术专业《操作系统》科目期末试卷B（有答案）一、选择题1、在现代操作系统中，文件系统都有效地解决了重名（即允许不同用户的文件可以具有相同的文件名）问题。
系统是通过（）来实现这一功能的。
A.重名翻译结构B.建立索引表C.树形目录结构D.建立指针2、驱动调度算法中，（）算法可能会随时改变移动臂的运动方向。
A.电梯调度B.最短寻道时间优先C.扫描D.单向扫描3、关于临界问题的一个算法（假设只有进程P0和P1，能会进入临界区）如下（i为0或1代表进程P0或者P1）：Repeatretry：if（turn！=-1）turn=i；if（turn！=i）go to retry；turn=-1；临界区：turn=0；其他区域；until false；该算法（）。
A.不能保持进程互斥进入临界区，且会出现“饥饿”B.不能保持进程互斥进入临界区，但不会出现“饥饿”C.保证进程互斥进入临界区，但会出现“饥饿”D.保证进程互斥进入临界区，不会出现“饥饿”4、进行P0和P1；的共享变量定义及其初值为：boolean flag[2]；int turn=0；flag[0]=false；flag[1]=false；若进行P0和P1，访问临界资源的类C代码实现如下：void Po（）//进程Po{while（TRUE）{flag[0]=TRUE；turn=1；While（flag[1]&&（turn==l））；临界区；flag[0]=FALSE；}}void P1（）//进程P1{while（TRUE）{flag[1]=TRUE；turn=0；While（flag[0]&&（turn==0））；临界区；flag[1]=FALSE；}}并发执行进程P0和P1时产生的情况是（）。
A.不能保证进程互斥进入临界区、会出现“饥饿”现象，B.不能保证进程互斥进入临界区、不会出现“饥饿”现象C.能保证进程互斥进入临界区、会出现“饥饿”现象D.能保证进程互斥进入临界区、不会出现“饥饿”现象5、在操作系统中，一方面每个进程具有独立性，另一方面进程之间具有相互制约性。
计算机系统结构08SIMD计算机(并行处理机)121106
B6700 内存
B6700 CPU
48
48 BIOM 128
CDC
...
DFS
I/O 总线
256 1024
256
IOS
1024
16
实 时 装 置
1.阵列控制器 阵列控制器CU实际是一台小型计算机。 对阵列处理机单元实行控制和完成标量操作。 标量操作与各PE的数组操作可以重叠执行。 控制器的功能有以下五个方面： (1)对指令进行译码，并执行标量指令； (2)向各PE发出执行数组操作指令的控制信号； (3)产生地址,并向所有处理单元广播公共地址； (4)产生数据,并向所有处理单元广播公共数据； (5)接收和处理PE、I/O操作以及B6700产生的陷 阱中断信号。
25
3.文件存储器 (1)计算任务文件从系统管理机家载到文件 存储器，由控制处理机执行。 (2)文件存储器是在BSP直接控制下的唯一 外围设备。 (3)程序执行过程中所产生的暂存文件和输 出文件，在将它们送给系统管理机输出 给用户之前是存在文件存储器中的。 (4)文件存储器的数据传输率较高，大大地 缓解了I/O受限制问题。
14
8.3.1 lllialv并行处理机
(1)1963年，美国西屋电器公司提出“Slotnick,The SOLOMON Compuer,Simultaneous Operation linked Ordinal Modular Network”. (2)1966年美国国防远景研究规划局ARPR与伊利诺 依大学签定合同。原计划：256PE，运算速度为 1GFLOPS。 (3)Burroughs公司和伊利诺依大学于1972年共同设 计和生产，1975年实际投入运行。用了4倍的经 费，只达到1/20的速度。只实现了8*8=64个PE， 只达到50MFLOPS。 (3)llliaclv的影响非常大。它是并行处理机的典型代 表，也是分布存储器并行处理机的典型代表。 15
自考《计算机系统结构》第9章精讲
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）。
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一维数组
连续访问m=4个元 素访问，无冲突 按2变址，冲突， 降低一半 M应取质数，避免 冲突（只要变址跳 距与m互质）
0 a0 a4 a8 a12 1 2 3 a1 a2 a3 a5 a6 a7 a9 a10 a11 . . .
二维数组
同时访问某一行、 主对角线或次对角 线上的所有元素， 无冲突 同时访问某一列， 冲突，降低成1/4
§3 共享主存构形阵列处理机中并 行存储器的无冲突访问
访问需求
并行存取向量中各分量信息； 可按行、列、对角线等方法存取(步长不一致)。
存在问题
存储器带宽限制—存储器带宽达不到向量带宽； 访存方式(步长)不同，产生访存冲突。
解决方法
采用多体交叉存储器--增加MEM带宽 对向量分组操作--解决MEM带宽小于向量带宽问题
虚拟直通(virtual cut through)
当出现寻径阻塞时，只能将整个消息存 储在寻径结点中。 主要优点：通信延迟与结点数无关。 主要缺点：每个结点需要有足够大的缓 冲区来存储最大信息包。在最坏的情况 下与存储转发方式的 通信时延是一样的， 经过的每个结点都发生阻塞，都需缓冲
虫蚀寻径(wormhole)
线路交换： 无冲突，独享，资源浪费
存储转发(store and forward)
每个结点有一个包缓冲区，包从源结点经过中 间结点到达目的结点。 存储转发网络的时延与源和目的地之间的距离 成正比。传输时延公式： T = (L/B) ∗D + L/B = (D + 1) ∗ L/B 优点：占用物理通路的时间比较短。 缺点：包缓冲区大，时延大（与结点距离成正 比）。
0 a00 a10 a20 a30 1 a01 a11 a21 a31 2 a02 a12 a22 a32 3 a03 a13 a23 a33
错位存放
0 a00 a13 a22 a31 1 a01 a10 a23 a32 2 a02 a11 a20 a33 3 a03 a12 a21 a30 0 1 a00 a01 a13 a21 a22 a30 2 a02 a10 a23 a31 3 4 a03 a11 a12 a20 a32 a33
消息格式：消息是结点间通信的逻辑单位，
它常常由任意数目的长度固定的包所组成，因 此其长度是可变的。
包是包含寻径目的地址的基本单位。每个包需要一 个序号，以便重新组装消息。 可以将包进一步分成一些固定长度的片，寻径信息 和序号形成头片，其余的片是数据片。
消息
包
片
D
D
D
D
D
D
S
R
R：导径信息 S：序号 D：数据片 R：在消息传递网络中通信的信息单位：消息、包和片的格式
把包分成更小的片。每个结点的寻径器 中有片缓冲区。 用头片直接开辟一条从输入结点到输出 结点的路径。每个消息中的片以流水方 式在网络中向前“蠕动”。 当消息的头片到达一个结点A的寻径器后， 寻径器根据头片的寻径消息立即做出路 由选择
线路交换(circuit switch)
先建立一条从源结点到目的结点的物理通路， 然后再传递消息。传输时延公式： T = (Lt/B)∗D+L/B，
其中：Lt为建立路径所需小信息包的长度 L为信息包的长度 D为经过的结点数 B为带宽。
优点：实际通信时间较短，使用缓冲区 缺点：建立源结点到目的结点的物理通路 开销很大，占用物理通路的时间长。
总结
选择适当的存储体数m--达到无冲突访问
一维向量：错位存放，满足行、列、对 角线等方式； 常用方法：存储体数为质数，将向量变 换成一维数组S，再对S进行处理。
消息寻径方式
四种寻径方式：线路交换，存储转 发、虚拟直通和虫蚀寻径等。
Buffer Buffer Buffer
有冲突，有缓冲，分片，路由 Stored and Forward（存储转发）
虚拟直通(virtual cut through)
当接收到用作寻径的消息头部时， 即开始路由选择。通信时延公式：
T=(Lh/B) ∗ D + L/B = (Lh ∗ D+ L)/B 其中：Lh是消息的寻径头部的长度， 一般有，L>>Lh×D； 通信时延可以近似为：T＝L/B，与结点 数无关。