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(gè)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(gè)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(chǔ)器結(jié)構(gòu)；第二類為分布式存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)；每一類代表了一種存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)和互連策略。2. 在分布式存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的機(jī)器中，將存儲(chǔ)器分布到各結(jié)點(diǎn)有什么好處？將存儲(chǔ)器分布到各結(jié)點(diǎn)有兩個(gè)好處：第一，如果大多數(shù)的訪問是針對(duì)本結(jié)點(diǎn)的局部存儲(chǔ)器，則可降低對(duì)存儲(chǔ)器和互連網(wǎng)絡(luò)的帶寬要求。第二，對(duì)局部存儲(chǔ)器的訪問延遲低。分布式存儲(chǔ)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(chǔ)器結(jié)構(gòu)的機(jī)器中，目前有哪兩種存儲(chǔ)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(gè)存儲(chǔ)器作為一個(gè)邏輯上共享的存儲(chǔ)空間進(jìn)行編址。(2) 第二種方案：整個(gè)地址空間由多個(gè)獨(dú)立的地址空間構(gòu)成，它們?cè)谶壿嬌弦彩仟?dú)立的，遠(yuǎn)程的處理器不能對(duì)其直接尋址。4. 在分布式存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的機(jī)器中，對(duì)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(chǔ)器機(jī)器。(2) 多個(gè)地址空間的機(jī)器：根據(jù)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，通過傳遞消息來請(qǐng)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(gè)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(chǔ)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(chǔ)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(dòng)態(tài)變化時(shí)，易于編程；同時(shí)在簡(jiǎn)化編譯器設(shè)計(jì)方面占有優(yōu)勢(shì)。 (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(duì)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(jiǎn)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(chǔ)器？所有對(duì)共享存儲(chǔ)器的訪問均要求操作系統(tǒng)提供地址轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)保護(hù)功能，即將存儲(chǔ)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(gè)重要挑戰(zhàn)？第一個(gè)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(gè)是相對(duì)較高的通信開銷。10. 一致的存儲(chǔ)系統(tǒng)應(yīng)滿足哪些條件？若一個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)滿足以下三點(diǎn)，則稱該存儲(chǔ)系統(tǒng)是一致的。(1) 處理器P對(duì)X單元進(jìn)行一次寫之后又對(duì)X單元進(jìn)行讀，讀和寫之間沒有其他處理器對(duì)X單元進(jìn)行寫，則讀的返回值總是寫進(jìn)的值。(2) 一個(gè)處

5、理器對(duì)X單元進(jìn)行寫之后，另一處理器對(duì)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(duì)同一單元的寫是順序化的，即任意兩個(gè)處理器對(duì)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(jiǎn)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(duì)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(chǔ)器對(duì)應(yīng)部分的內(nèi)容不同。（2）對(duì)共享數(shù)據(jù)，不同處理器的Cache都保存有對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)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(duì)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(duì)存儲(chǔ)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(duì)存儲(chǔ)器帶寬的要求，還可減少多個(gè)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(chǔ)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(gè)稱為目錄的地方。(2) 監(jiān)聽：每個(gè)Cache除了包含物理存儲(chǔ)器中塊的數(shù)據(jù)副本之外，也保存著各個(gè)塊的共享狀態(tài)信息。Cache通常連在共享存儲(chǔ)器的總線上，各個(gè)Cache控制

7、器通過監(jiān)聽總線來判斷它們是否有總線上請(qǐng)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(gè)處理器寫某個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)之前保證它對(duì)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(gè)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(duì)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(duì)同一數(shù)據(jù)的多個(gè)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(duì)同一塊中多個(gè)字進(jìn)行寫，寫更新協(xié)議對(duì)每個(gè)字的寫均要進(jìn)行一次廣播，而在寫作廢協(xié)議下僅在對(duì)本塊第一次寫時(shí)進(jìn)行作廢操作即可。寫作廢是針對(duì)Cache塊進(jìn)行

8、操作，而寫更新則是針對(duì)字(或字節(jié))進(jìn)行操作。 (3) 從一個(gè)處理器寫到另一個(gè)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(gè)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(gè)或多個(gè)處理器上具有這個(gè)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(gè)處理器上有此塊的副本，且已對(duì)此塊進(jìn)行了寫操作，而主存的副本仍是舊的。這個(gè)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(cè)試請(qǐng)求鎖的循環(huán))對(duì)本地Cache塊進(jìn)行操作，而不用每次請(qǐng)求鎖時(shí)必須先進(jìn)行一次全局的存儲(chǔ)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(huì)使用，這種狀況下鎖可駐留在那個(gè)處理器的Cache中，大大