計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)問答題

1、第8章 多處理機(jī)1. 根據(jù)多處理機(jī)系統(tǒng)中處理器個數(shù)的多少，可把現(xiàn)有的MIMD機(jī)器分為哪兩類？根據(jù)多處理機(jī)系統(tǒng)中處理器個數(shù)的多少，把現(xiàn)有的MIMD機(jī)器分為：第一類為集中式共享存儲器結(jié)構(gòu)；第二類為分布式存儲器結(jié)構(gòu)；每一類代表了一種存儲器的結(jié)構(gòu)和互連策略。2. 在分布式存儲器結(jié)構(gòu)的機(jī)器中，將存儲器分布到各結(jié)點(diǎn)有什么好處？將存儲器分布到各結(jié)點(diǎn)有兩個好處：第一，如果大多數(shù)的訪問是針對本結(jié)點(diǎn)的局部存儲器，則可降低對存儲器和互連網(wǎng)絡(luò)的帶寬要求。第二，對局部存儲器的訪問延遲低。分布式存儲器結(jié)構(gòu)最主要的缺點(diǎn)是處理器之間的通信較為復(fù)雜，且各處理器之間訪問延遲較大。3.在分布式存儲器結(jié)構(gòu)的機(jī)器中，目前有哪兩種存儲器

2、地址空間的組織方案？(1) 第一種方案：物理上分離的多個存儲器作為一個邏輯上共享的存儲空間進(jìn)行編址。(2) 第二種方案：整個地址空間由多個獨(dú)立的地址空間構(gòu)成，它們在邏輯上也是獨(dú)立的，遠(yuǎn)程的處理器不能對其直接尋址。4. 在分布式存儲器結(jié)構(gòu)的機(jī)器中，對應(yīng)于兩種地址空間的組織方案，分別有哪兩種通信機(jī)制？它們是怎么實(shí)現(xiàn)的？(1)共享地址空間的機(jī)器：可利用load和store指令中的地址隱含地進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，因而可稱為共享存儲器機(jī)器。(2) 多個地址空間的機(jī)器：根據(jù)簡單的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，通過傳遞消息來請求某些服務(wù)或傳輸數(shù)據(jù)，從而完成通信。因而這種機(jī)器常稱為消息傳遞機(jī)器。5. 用哪三個關(guān)鍵的性能指標(biāo)來衡量通信機(jī)制

3、的性能？（1）通信帶寬：理想狀態(tài)下的通信帶寬受限于處理器、存儲器和互連網(wǎng)絡(luò)的帶寬。（2）通信延遲：通信延遲發(fā)送開銷跨越時(shí)間傳輸延遲接收開銷。（3）通信延遲的隱藏：如何才能較好地將通信和計(jì)算或多次通信之間重疊起來。 6. 共享存儲器通信機(jī)制主要有哪些優(yōu)點(diǎn)？(1) 與常用的集中式多處理機(jī)使用的通信機(jī)制兼容。 (2) 當(dāng)處理器通信方式復(fù)雜或程序執(zhí)行動態(tài)變化時(shí)，易于編程；同時(shí)在簡化編譯器設(shè)計(jì)方面占有優(yōu)勢。 (3) 當(dāng)通信數(shù)據(jù)較小時(shí)，通信開銷較低，帶寬利用較好。(4) 通過硬件控制的Cache減少了遠(yuǎn)程通信的頻度，減少了通信延遲以及對共享數(shù)據(jù)的訪問沖突。7. 消息傳遞通信機(jī)制主要有哪些優(yōu)點(diǎn)？(1) 硬件

4、較簡單。(2) 通信是顯式的，從而引起編程者和編譯程序的注意，著重處理開銷大的通信。8. 在消息傳遞通信機(jī)制的硬件上怎樣支持共享存儲器？所有對共享存儲器的訪問均要求操作系統(tǒng)提供地址轉(zhuǎn)換和存儲保護(hù)功能，即將存儲器訪問轉(zhuǎn)換為消息的發(fā)送和接收。9. 并行處理面臨著哪兩個重要挑戰(zhàn)？第一個是程序中有限的并行性。有限的并行性使機(jī)器要達(dá)到高的加速比十分困難。第二個是相對較高的通信開銷。10. 一致的存儲系統(tǒng)應(yīng)滿足哪些條件？若一個存儲系統(tǒng)滿足以下三點(diǎn)，則稱該存儲系統(tǒng)是一致的。(1) 處理器P對X單元進(jìn)行一次寫之后又對X單元進(jìn)行讀，讀和寫之間沒有其他處理器對X單元進(jìn)行寫，則讀的返回值總是寫進(jìn)的值。(2) 一個處

5、理器對X單元進(jìn)行寫之后，另一處理器對X單元進(jìn)行讀，讀和寫之間無其他寫，則讀X單元的返回值應(yīng)為寫進(jìn)的值。(3) 對同一單元的寫是順序化的，即任意兩個處理器對同一單元的兩次寫，從所有處理器看來順序都應(yīng)是相同的。11.簡述多處理機(jī)中產(chǎn)生Cache一致性問題的原因。（1）Cache的引進(jìn)對IO操作產(chǎn)生了一致性問題，因?yàn)镃ache中的內(nèi)容可能與由IO子系統(tǒng)輸入輸出形成的存儲器對應(yīng)部分的內(nèi)容不同。（2）對共享數(shù)據(jù)，不同處理器的Cache都保存有對應(yīng)存儲器單元的內(nèi)容，因而在操作中就可能產(chǎn)生數(shù)據(jù)的不一致。12.在集中式共享多處理機(jī)中支持對共享數(shù)據(jù)和私有數(shù)據(jù)的Cache緩存有什么好處？私有數(shù)據(jù)緩沖在Cache中

6、降低了平均訪存時(shí)間和對存儲器帶寬的要求，使程序的行為類似于單機(jī)。共享數(shù)據(jù)的Cache緩存可降低訪存時(shí)間和對存儲器帶寬的要求，還可減少多個處理器同時(shí)讀共享數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的沖突。13. 實(shí)現(xiàn)Cache一致性協(xié)議的關(guān)鍵是什么？關(guān)鍵是跟蹤共享數(shù)據(jù)塊的狀態(tài)。目前有兩類協(xié)議，它們采用了不同的共享數(shù)據(jù)狀態(tài)跟蹤技術(shù)。14. 實(shí)現(xiàn)Cache一致性協(xié)議時(shí)，有哪兩種跟蹤共享數(shù)據(jù)狀態(tài)的技術(shù)？(1) 目錄：物理存儲器中共享數(shù)據(jù)塊的狀態(tài)及相關(guān)信息均被保存在一個稱為目錄的地方。(2) 監(jiān)聽：每個Cache除了包含物理存儲器中塊的數(shù)據(jù)副本之外，也保存著各個塊的共享狀態(tài)信息。Cache通常連在共享存儲器的總線上，各個Cache控制

7、器通過監(jiān)聽總線來判斷它們是否有總線上請求的數(shù)據(jù)塊。15. 實(shí)現(xiàn)Cache一致性協(xié)議有哪兩類？ (1) 寫作廢協(xié)議：在一個處理器寫某個數(shù)據(jù)項(xiàng)之前保證它對該數(shù)據(jù)項(xiàng)有唯一的訪問權(quán)。 (2) 寫更新協(xié)議：當(dāng)一個處理器寫某數(shù)據(jù)項(xiàng)時(shí)，通過廣播使其他Cache中所有對應(yīng)的該數(shù)據(jù)項(xiàng)副本進(jìn)行更新。16. 寫更新協(xié)議和寫作廢協(xié)議在性能上有哪些差別？(1) 對同一數(shù)據(jù)的多個寫而中間無讀操作的情況，寫更新協(xié)議需進(jìn)行多次寫廣播操作，而在寫作廢協(xié)議下只需一次作廢操作。 (2) 對同一塊中多個字進(jìn)行寫，寫更新協(xié)議對每個字的寫均要進(jìn)行一次廣播，而在寫作廢協(xié)議下僅在對本塊第一次寫時(shí)進(jìn)行作廢操作即可。寫作廢是針對Cache塊進(jìn)行

8、操作，而寫更新則是針對字(或字節(jié))進(jìn)行操作。 (3) 從一個處理器寫到另一個處理器讀之間的延遲通常在寫更新模式中較低，因?yàn)樗鼘憯?shù)據(jù)時(shí)馬上更新了相應(yīng)的其他Cache中的內(nèi)容(假設(shè)讀的處理器Cache中有此數(shù)據(jù))。而在寫作廢協(xié)議中，需要讀一個新的副本。17. 目錄協(xié)議中，Cache塊有哪三種狀態(tài)？（1）共享：在一個或多個處理器上具有這個塊的副本，且主存中的值是最新值(所有Cache均相同)。（2）未緩沖：所有處理器的Cache都沒有此塊的副本。（3）專有：僅有一個處理器上有此塊的副本，且已對此塊進(jìn)行了寫操作，而主存的副本仍是舊的。這個處理器稱為此塊的擁有者。18. 采用多處理機(jī)的一致性機(jī)制實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)鎖有什么好處？第一，可使“環(huán)繞”的進(jìn)程(不停測試請求鎖的循環(huán))對本地Cache塊進(jìn)行操作，而不用每次請求鎖時(shí)必須先進(jìn)行一次全局的存儲器訪問；第二，可利用鎖訪問的局部性，即處理器最近使用過的鎖不久又會使用，這種狀況下鎖可駐留在那個處理器的Cache中，大大