第1章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)及并行性的開發(fā)

1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成、實(shí)現(xiàn)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成、實(shí)現(xiàn)三者互不相同，但又相互影響。

1.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟、硬件取舍和性能評(píng)測(cè)及定量設(shè)計(jì)原理

1.3.1 軟硬件取舍的基本原則

簡(jiǎn)答、選擇、填空

1. 應(yīng)考慮在現(xiàn)有硬件、器件條件下，系統(tǒng)要有高的性能價(jià)格比。
2. 要考慮準(zhǔn)備采用和可能采用的組成技術(shù)，使之盡可能不要過多或不合理地限制各種組成、實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)的采用。
3. 把如何為編譯和操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及如何為高級(jí)語(yǔ)言程序的設(shè)計(jì)提供更多、更好的硬件支持放在首位。

1.3.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能評(píng)測(cè)及定量設(shè)計(jì)原理

IC：總指令條數(shù)

CPI：平均每條指令的時(shí)鐘周期數(shù)

f[c]：主時(shí)鐘頻率

CPU程序執(zhí)行時(shí)間 T[cpu]

T[cpu] = IC × CPI × (1 / f[c])

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的定量設(shè)計(jì)原理

盡可能加速處理高概率事件遠(yuǎn)比加速處理低概率事件對(duì)性能的提高要顯著。

性能可改進(jìn)比 f[new] ：系統(tǒng)性能可改進(jìn)部分占用時(shí)間與改進(jìn)前系統(tǒng)總執(zhí)行時(shí)間比值，0<=f[new]<=1

部件加速比 r[new] ：系統(tǒng)性能可改進(jìn)部分，在改進(jìn)后系能提高的比值，r[new]>1

系統(tǒng)加速比 S[p] ：系統(tǒng)改進(jìn)后的性能與未改進(jìn)時(shí)的性能的比值

S[p] = T[old] / T[new] = 1 / ((1 - f[new]) + f[new] / r[new])

解釋：

• 性能是時(shí)間的倒數(shù)，即 S[p] = 改進(jìn)后性能 / 改進(jìn)前性能 = (1 / T[new]) / (1 / T[old])

選擇、填空、簡(jiǎn)答

程序訪問的 局部性定律 ：包括時(shí)間上和空間上的兩個(gè)局部性。

1.3.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)和方法

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

• 由上往下
• 由下往上
• 由中間開始

1.5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的并行行開發(fā)及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類

并行性 ： 同一時(shí)刻 或 同一間隔 完成 兩種及以上 性質(zhì) 相同或不同 的工作

1.5.1 并行性的概念和開發(fā)

開發(fā)并行性的途徑

• 時(shí)間重疊（流水線）
• 資源重復(fù)（陣列）
• 資源共享（多處理機(jī)）

多機(jī)系統(tǒng)包含 多處理機(jī)系統(tǒng) 和 多計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 。

馮氏分類法 字W 位B 串S 并P

• 字串位串 (WSBS)
• 字串位并 (WSBP)
• 字并位串 (WPBS)
• 字并位并 (WPBP)

習(xí)題1

1-3

1-10

第2章 指令系統(tǒng)

2.4 指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進(jìn)

• CISC 復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)
• RISC 精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)

2.4.3 按RISC方向發(fā)展和改進(jìn)指令系統(tǒng)

選擇、簡(jiǎn)答

設(shè)計(jì)RISC的基本原則

1. 確定指令系統(tǒng)時(shí)，只選擇使用頻度很高的那些指令（一般不超100條）。
2. 減少指令系統(tǒng)所用尋址方式種類，一般不超過兩種。精簡(jiǎn)指令格式限制在兩種之內(nèi)，并使全部指令等長(zhǎng)。
3. 所有指令都在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成。
4. 擴(kuò)大通用寄存器數(shù)，一般不少于32個(gè)，盡量減少訪存，僅STORE和LOAD可訪存，其他指令一律只操作寄存器。
5. 大多數(shù)指令用硬聯(lián)控制實(shí)現(xiàn)，提高指令執(zhí)行速度，少數(shù)指令才用微程序。
6. 通過精簡(jiǎn)指令和優(yōu)化設(shè)計(jì)編譯程序，簡(jiǎn)單有效地支持高級(jí)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。

設(shè)計(jì)RISC結(jié)構(gòu)采用的基本技術(shù)

1. 選取其中常用的基本指令，使指令數(shù)精簡(jiǎn)。
2. 邏輯實(shí)現(xiàn)采用硬聯(lián)和微程序相結(jié)合。
3. 在CPU中設(shè)置大量工作寄存器并采用重疊寄存器窗口。

第5章 標(biāo)量處理機(jī)

5.1 重疊方式

5.1.1 重疊原理與一次重疊

實(shí)現(xiàn)指令的重疊解釋必須在計(jì)算機(jī)組成上滿足:

1. 要解決訪主存的沖突。
2. 要解決“分析”與“執(zhí)行”操作的并行。
3. 要解決“分析”與“執(zhí)行“操作控制上的同步。
4. 要解決指令間各種相關(guān)的處理。

一次重疊：取值和分析重疊，同時(shí)有 兩個(gè) 工作進(jìn)行。N次重疊同時(shí)有N+1個(gè)工作。

5.2 流水方式

流水的分類

依據(jù) 向下擴(kuò)展 和 向上擴(kuò)展 的思路。

按多功能流水線的各段能否允許同時(shí)用于多種不同功能連接流水，可把流水線分為 靜態(tài)流水線 和 動(dòng)態(tài)流水線 。

重點(diǎn)掌握動(dòng)態(tài)流水線

5.2.2 標(biāo)量流水線的主要性能 需要擴(kuò)展

直接做題

標(biāo)量流水線的主要性能

• 吞吐率： T[p]
• 加速比： S[p]
• 效率： η

最大吞吐率： T[p[max]]

各個(gè)子過程時(shí)間長(zhǎng)度不一時(shí)，最大吞吐率由最長(zhǎng)的字過程時(shí)間決定

T[p[max]] = 1 / max{Δt}

實(shí)際吞吐率 T[p] 總小于最大吞吐率

T[p] = 實(shí)際任務(wù)數(shù) / 實(shí)際時(shí)間

加速比 S[p] 總大于1

S[p] = 流水線方式性能 / 非流水線性能 = (1 / 流水線方式總時(shí)間) / (1 / 非流水線總時(shí)間)

即

S[p] = 非流水線總時(shí)間 / 流水線方式總時(shí)間

效率 μ

μ = 實(shí)際使用時(shí)間 / 整個(gè)運(yùn)行時(shí)間

可以按陰影區(qū)面積與整個(gè)時(shí)空區(qū)面積的比求

具體公式看 P175

設(shè)m段流水線，各段經(jīng)過時(shí)間相同，完成n個(gè)任務(wù)，則

T[p] = n / (m × Δt[0] + (n - 1) × Δt[0]) 或

T[p] = 1 / Δt[0] × (1 + (m - 1) / n) 或

T[p] = T[p[max]] / (1 + (m - 1) / n)

S[p] = m / (1 + (m - 1) / n)

若m段每段經(jīng)過時(shí)間Δt[i]不等，其中瓶頸段時(shí)間為Δt[j]，完成n個(gè)任務(wù)，則

T[p] = n / (Σ(i=1, m)Δt[i] + (n - 1)Δt[j]) 或

T[p] = 任務(wù)數(shù) / (第一個(gè)任務(wù)時(shí)間 + 其余任務(wù)額外花費(fèi)的時(shí)間)

S[p] = n個(gè)任務(wù)線性處理花費(fèi)的時(shí)間 / (第一個(gè)任務(wù)時(shí)間 + 其余任務(wù)額外花費(fèi)的時(shí)間)

其余任務(wù)額外花費(fèi)的時(shí)間受瓶頸段時(shí)間影響，即 (n - 1) × 瓶頸段時(shí)間

5.2.3 標(biāo)量流水機(jī)的處理和控制機(jī)構(gòu)

5.2.3.4 非線性流水的調(diào)度

大題？
直接做題

5.3 指令集高度并行的超級(jí)處理機(jī)

5.3.1 超標(biāo)量處理機(jī)

采用多指令流水線，每個(gè)Δt同時(shí)流出m條指令

5.3.3 超流水線處理機(jī)

每個(gè)Δt'仍舊只流出一條指令，但Δt'值小

第6章 向量處理機(jī)

6.1 向量的流水處理和向量流水處理機(jī)

• 向量橫向處理：向量的處理方式，但不是向量的流水處理方式
• 向量縱向處理、分組縱橫處理：向量的處理方式，也是向量的流水處理方式

基本思路

橫縱結(jié)合 寄存器組 寫后讀

6.2 陣列處理機(jī)的原理

6.2.1 陣列處理機(jī)的構(gòu)型和特點(diǎn) 需要擴(kuò)展

定義、特點(diǎn)

6.2.2 ILLIAC IV的處理單元陣列結(jié)構(gòu) 需要擴(kuò)展

選擇、填空

6.3 SIMD計(jì)算機(jī)的互連網(wǎng)絡(luò)

注意：互 連 網(wǎng)絡(luò)

6.3.1 互連網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)目標(biāo)與互連函數(shù)

簡(jiǎn)答

SIMD中，處理單元之間、處理單元與存儲(chǔ)分體之間，都要通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換

SIMD系統(tǒng)的互連網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)目標(biāo)

1. 結(jié)構(gòu)不要過分復(fù)雜，以降低成本；
2. 互連要林或，以滿足算法和應(yīng)用的需要；
3. 處理單元間信息交換所需傳送步數(shù)要盡可能少，以提高系統(tǒng)性能
4. 能用規(guī)整單一的基本構(gòu)件組合而成（模塊化）

6.3.2 互連網(wǎng)絡(luò)應(yīng)抉擇的幾個(gè)問題

選擇、填空

需要對(duì) 操作方式 、 控制策略 、 交換方法 和 網(wǎng)絡(luò)的拓補(bǔ)結(jié)構(gòu) 作出抉擇。

• 操作方式：同步、異步、同步與異步組合。 陣列處理機(jī)根據(jù)其SIMD性質(zhì)均為同步 ，異步與組合多用于多處理機(jī)。
• 控制策略：集中、分布。 多數(shù)SIMD采用集中控制部件 。
• 交換方法：線路交換、包交換、線路與包交換組合。 SIMD多采用硬連線路交換 ，包交換多用于多處理機(jī)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中。

6.3.3 基本的單級(jí)互連網(wǎng)絡(luò) 需要擴(kuò)展

計(jì)算、選擇、填空

1. 立方體單級(jí)網(wǎng)絡(luò)
2. PM21 單級(jí)網(wǎng)絡(luò)
3. 混洗交換單級(jí)網(wǎng)絡(luò)
4. 蝶形單級(jí)網(wǎng)絡(luò)

6.3.4 基本的多級(jí)互連網(wǎng)絡(luò)

選擇、填空

不同的多級(jí)互連網(wǎng)絡(luò)，在所用的 交換開關(guān) 、 拓補(bǔ)結(jié)構(gòu) 、 控制方式 上各有不同。

• 交換開關(guān)：兩個(gè)入端和兩個(gè)出端的交換單元。
• 拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)：各級(jí)間出端與入端互連的模式。
• 控制方式：各個(gè)交換開關(guān)進(jìn)行控制的方式。

利用這三個(gè)參量，可以描述各種多級(jí)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。

大題
直接做題

6.3.4.1 多級(jí)立方體互連網(wǎng)絡(luò) 需要擴(kuò)展

STARAN網(wǎng)絡(luò)用作交換網(wǎng)絡(luò)時(shí)，采用級(jí)控制，實(shí)現(xiàn)的是 交換函數(shù) 。

• 交換函數(shù)：將一組元素首尾對(duì)稱地進(jìn)行交換。

填空

STARAN網(wǎng)絡(luò)用作移數(shù)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，采用 部分級(jí)控制 。

6.3.4.2 多級(jí)混洗交換網(wǎng)絡(luò) 需要擴(kuò)展

6.4 共享主存構(gòu)形的陣列處理機(jī)中并行存儲(chǔ)器的無(wú)沖突訪問 需要擴(kuò)展

選擇

第7章 多處理機(jī)

7.1 多處理機(jī)的概念、問題和硬件結(jié)構(gòu)

7.1.2 多處理機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)

1. 緊耦合和松耦合
2. 機(jī)間互連形式
3. 存儲(chǔ)器的組織

選擇、填空、簡(jiǎn)答

P248 流水、向量或陣列處理機(jī)中，主存一般都不采用高位交叉編址的方案。

但在多處理機(jī)中會(huì)有不同的考慮，當(dāng)各個(gè)處理機(jī)上活躍的進(jìn)程是共享統(tǒng)一集中連續(xù)物理地址空間中的數(shù)據(jù)時(shí)，主存采用低位交叉編址是有力的。然而，當(dāng)它們只是較少或基本不共享集中的數(shù)據(jù)時(shí)，主存采用低位交叉編址反倒會(huì)引起不希望的訪存沖突，不如采用高位交叉編址為好。

7.2 緊耦合多處理機(jī)多 Cache 的一致性問題 可能需要擴(kuò)展

選擇、填空

7.2.1 多 Cache 的一致性問題的產(chǎn)生

7.2.2 多 Cache 的一致性問題的解決辦法

1. 解決進(jìn)程遷移引起的多 Cache 不一致性
2. 以硬件為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)多 Cache 的一致性
3. 以軟件為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)多 Cache 的一致性

7.3 多處理機(jī)的并行性和性能 需要擴(kuò)展

7.3.1 并行算法

大題？

7.3.2 程序并行性分析 需要擴(kuò)展

7.3.3 并行語(yǔ)言與并行編譯

大題
直接做題

7.4 多處理機(jī)的操作系統(tǒng)

• 主從型
• 各自獨(dú)立型
• 浮動(dòng)型

第8章 數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)和規(guī)約機(jī)

8.1 數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)

基于異步性和函數(shù)性的一種計(jì)算模型

• 異步性：一旦操作數(shù)到齊就開始操作
• 函數(shù)性：消耗一組輸入產(chǎn)生一組輸出

8.1.1 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的概念

8.1.3 數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)

1. 靜態(tài)數(shù)據(jù)流機(jī)
2. 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流機(jī)