高級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)期末考試復(fù)習(xí)總結(jié)

1、精選文檔第一章量化設(shè)計(jì)與剖析基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)性能提高表此刻哪些方面：半導(dǎo)體技術(shù)不停提高，如特色尺寸和時(shí)鐘頻次；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)造精益求精，如高級(jí)語(yǔ)言編譯器、標(biāo)準(zhǔn)化的操作系統(tǒng)和指令更加簡(jiǎn)單的RISC系統(tǒng)構(gòu)造。并行分類：1）應(yīng)用程序的并行分類：數(shù)據(jù)級(jí)并行(DLP)：同時(shí)操作多半據(jù)任務(wù)級(jí)并行(TLP)：創(chuàng)立了一些能夠獨(dú)立辦理但大批采納并行方式履行的工作任務(wù)2）硬件的系統(tǒng)構(gòu)造：指令級(jí)并行(ILP)：在編譯器幫助下。利用流水線的思想開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)級(jí)并行，利用推理履行的思想以中等水平開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)集并行。向量系統(tǒng)構(gòu)造和圖像辦理單元(GPUs)：將單條指令并行應(yīng)用于一個(gè)數(shù)據(jù)集，來(lái)達(dá)到數(shù)據(jù)集并行線程級(jí)并行：在緊耦合硬件模型中開(kāi)發(fā)數(shù)

2、據(jù)集并行或任務(wù)及并行，這種模型同意在線程之間進(jìn)行交互。懇求級(jí)并行：在程序員或操作系統(tǒng)擬訂的大批去耦合任務(wù)之間開(kāi)發(fā)并行Flynns分類是怎樣分類的？Flynns分類主要分為四類：1）單指令流、單數(shù)據(jù)流(SISD)：一條指令辦理一個(gè)數(shù)據(jù)，能夠利用指令級(jí)并行(ILP)2）單指令流、多半據(jù)流(SIMD)：將大批重復(fù)設(shè)置的辦理單元按必定方式互連成陣列，在單調(diào)控制零件CU(ContrulUnit)控制下對(duì)各自所分派的不一樣數(shù)據(jù)并行履行同一指令規(guī)定的操作，主要應(yīng)用于向量系統(tǒng)構(gòu)造、多媒體擴(kuò)展指令和圖像辦理單元(Graphicsprocessorunits)3）多指令流、單數(shù)據(jù)流(MISD)：用多個(gè)指令作用于單

3、個(gè)數(shù)據(jù)流，沒(méi)有商業(yè)實(shí)現(xiàn)4）多指令流多半據(jù)流(MIMD)：每個(gè)辦理器都提取自己的指令，對(duì)自己的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，主要用于開(kāi)發(fā)線程級(jí)并行TLP（緊耦合MIMD）和懇求級(jí)并行RLP（松耦合MIMD）什么是“真實(shí)”的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)造？1）知足目標(biāo)和功能需求的構(gòu)成和硬件；2）限制條件下最大化性能：成本、功耗、可用性；3）包含指令集系統(tǒng)構(gòu)造(ISA)，微系統(tǒng)構(gòu)造，硬件計(jì)算題：靠譜性的計(jì)算均勻無(wú)故障時(shí)間：Meantimetofailure(MTTF)，MTTF是故障率的倒數(shù)。均勻修復(fù)時(shí)間：Meantimetorepair(MTTR)均勻故障間隔時(shí)間：Meantimebetweenfailures(MTBF)=MT

4、TF+MTTR可用性：Availability=MTTF/MTBF例：設(shè)磁盤子系統(tǒng)的組件及MTTF以下：10個(gè)磁盤，1000000小時(shí)MTTF;1個(gè)ATA控制器，500000小時(shí)MTTF;1個(gè)電源，200000小時(shí)MTTF;1個(gè)電扇，200000小時(shí)MTTF;1根ATA電纜，1000000小時(shí)MTTF;采納簡(jiǎn)化假定，壽命切合指數(shù)分布，各故障互相獨(dú)立，試計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)的MTTF.解答：系統(tǒng)故障率=10*1/1000000+1/500000+1/200000+1/200000+1/1000000=23000FIT(每10億小時(shí)）.精選文檔MTTF=1/故障率=43500小時(shí)第二章儲(chǔ)存器層次構(gòu)造設(shè)計(jì)1

5、.層次化儲(chǔ)存存放器多級(jí)CACHE內(nèi)存磁盤2.命中時(shí)間：命中時(shí)接見(jiàn)需要的時(shí)間，包含判斷能否命中的時(shí)間；缺失代價(jià)：從內(nèi)存中代替塊的時(shí)間；3.塊擱置策略有全相聯(lián)映照和組相聯(lián)映照兩種策略全相聯(lián)映照：一個(gè)塊能夠放在CACHE中的任何地點(diǎn)；需要檢索CACHE中的所有項(xiàng)：并行比較器組相聯(lián)映照：每個(gè)塊有n個(gè)地點(diǎn)可放的cache稱為n路組相聯(lián)cache;儲(chǔ)存器中的一個(gè)塊對(duì)應(yīng)到cache中獨(dú)一的組，可是能夠放在組內(nèi)的隨意地點(diǎn)上1）命中方法的兩種方式有寫直抵法和寫回法寫直抵法：保持CACHE和主存的一致；寫回法：修悔過(guò)的塊被代替時(shí)才寫入主存；2）不命中（寫缺失）的兩種方式有寫分派和寫不分派寫分派：分派CACHE中的

6、塊，并寫入CACHE；寫不分派：不分派，直接寫主存。缺失率是什么？致使缺失的原由是什么？缺失率是指CACHE接見(jiàn)不命中的比率。致使缺失的原由有強(qiáng)迫缺失、容量缺失和矛盾缺失強(qiáng)迫缺失：第一次接見(jiàn)相應(yīng)cache塊，cache中必定沒(méi)有改cache塊容量缺失：cache塊被移除后又被接見(jiàn)矛盾缺失:重復(fù)接見(jiàn)的多個(gè)地點(diǎn)映照在CACHE的同一地點(diǎn)6.性能的定量計(jì)算：程序履行時(shí)間=CPU履行程序的時(shí)間+等候儲(chǔ)存接見(jiàn)的時(shí)間鑒于CPI的計(jì)算：儲(chǔ)存器堵塞時(shí)鐘周期=（儲(chǔ)存器總接見(jiàn)次數(shù)/指令數(shù)）*缺失率*缺失代價(jià)均勻接見(jiàn)時(shí)間（AMAT）=命中時(shí)間+缺失率*缺失代價(jià).精選文檔舉例1：假定指令cache的缺失率為2%，數(shù)據(jù)

7、cache的缺失率為4%，辦理器的CPI為2（沒(méi)有儲(chǔ)存器堵塞），且每次缺失的代價(jià)為100個(gè)時(shí)鐘周期，那么配置一個(gè)從不發(fā)生缺失的理想的cache，辦理器的速度快多少？假定所有LOAD和STORE的頻次為36%.解：指令缺失機(jī)鐘周期：1*2%100=2.0I數(shù)據(jù)缺失：136%*4%*100=1.44I總儲(chǔ)存器堵塞：2.0I+1.44I=3.44I總CPU：2+3.44=5.44配置理想cache：5.44/2=2.72倍舉例2：辦理器時(shí)鐘周期的時(shí)間1ns,缺失代價(jià)是20個(gè)時(shí)鐘周期，缺失率為每條指令0.05次缺失，cache的接見(jiàn)時(shí)間（包含命中判斷）為1個(gè)時(shí)鐘周期。假定讀操作和寫操作的缺失代價(jià)同樣并

8、且忽視其余寫堵塞。請(qǐng)計(jì)算AMAT.解：每條指令的均勻儲(chǔ)存器接見(jiàn)時(shí)間為：AMAT=命中時(shí)間+缺失率缺失代價(jià)=1+0.0520=2個(gè)時(shí)鐘周期舉例3：假定辦理器基本的CPI為1.0，時(shí)鐘頻次為4GHz。假定主存接見(jiàn)時(shí)間為100ns，其中包含缺失辦理時(shí)間。設(shè)一級(jí)cache中每條指令缺失率為2%。假如增添一個(gè)二級(jí)cache，命中或缺失接見(jiàn)的時(shí)間都是5ns，并且容量大到一定使接見(jiàn)主存的缺失率減少到0.5%,這時(shí)的辦理器速率能提高多少？解：主存的缺失代價(jià)：100ns/(0.25ns/時(shí)鐘周期）=400個(gè)時(shí)鐘周期只有一級(jí)cache時(shí)：總的CPI=1.0+2%*400=9關(guān)于兩級(jí)cache：二級(jí)cache的缺失

9、代價(jià)：5ns/(0.25ns/時(shí)鐘周期）=20個(gè)時(shí)鐘周期總的CPI=1+2%*20+0.5%*400=3.4有二級(jí)cache的辦理器性能是沒(méi)有二級(jí)cache性能的9.0/3.4=2.6倍層次化儲(chǔ)存優(yōu)化方法有6種基本的CACHE優(yōu)化方法:1）更大的cache塊：強(qiáng)迫缺失減少；容量和矛盾缺失增添，缺失代價(jià)增添；2）更大的CACHE容量：缺失率降低；命中時(shí)間，功耗增添；3）更高的相聯(lián)度：矛盾缺失減少；命中時(shí)間增添，功耗增添；4）更多級(jí)CACHE：內(nèi)存接見(jiàn)時(shí)間減少；5）讀缺失優(yōu)先級(jí)更高：缺失代價(jià)降低；6）緩存索引時(shí)期防止地點(diǎn)變換：減少命中時(shí)間；第三章指令級(jí)并行1.開(kāi)發(fā)指令級(jí)并行的目標(biāo)：最小化CPI（履

10、行指令均勻時(shí)鐘周期數(shù)）流水線CPI=理想流水線CPI+構(gòu)造冒險(xiǎn)停留+數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)停留+控制冒險(xiǎn)停留2.Load指令的5個(gè)階段或5級(jí)流水線的分法？5個(gè)階段的詳細(xì)內(nèi)容？Load指令的5個(gè)階段：Ifetch(取指)、Reg/Dec(取數(shù)和譯碼)、Exec(履行)、Mem(讀儲(chǔ)存器)和Wr(寫存放器)Ifetch(取指):從指令儲(chǔ)存器取指令并計(jì)算PC+4（指令儲(chǔ)存器、Addr）Reg/Dec(取數(shù)和譯碼):存放器取數(shù)，同時(shí)對(duì)指令進(jìn)行譯碼(存放器堆讀口、指令譯碼器)Exec(履行):計(jì)算內(nèi)存單元地點(diǎn)(擴(kuò)展器、ALU).精選文檔Mem(讀儲(chǔ)存器):從數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器中(數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器)Wr(寫存放器):將數(shù)據(jù)寫到存放器

11、中(存放器堆寫口)用什么解決數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)？方法1：硬件堵塞（stall）方法2：軟件插入“NOP”指令方法3：編譯優(yōu)化：調(diào)整指令次序方法4：合理實(shí)現(xiàn)存放器堆的讀/寫操作即前半時(shí)鐘周期寫，后半時(shí)鐘周期讀，若同一個(gè)時(shí)鐘內(nèi)前面指令寫入的數(shù)據(jù)正好是后邊指令所讀數(shù)據(jù)，則不會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)方法5：轉(zhuǎn)發(fā)（Forwarding或Bypassing旁路）技術(shù)，若有關(guān)數(shù)據(jù)是ALU結(jié)果，可經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)解決；若有關(guān)數(shù)據(jù)是上條指令DM讀出內(nèi)容，不可以經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)解決，隨后指令需被堵塞一個(gè)時(shí)鐘或加NOP指令。稱為L(zhǎng)oad-use數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)！4.怎樣解決控制冒險(xiǎn)？方法1：硬件上堵塞（stall）分支指令后三條指令的履行使后邊三條指令清0或

12、其操作信號(hào)清0，以插入三條NOP指令方法2：軟件上插入三條“NOP”指令（以上兩種方法的效率太低，需聯(lián)合分支展望進(jìn)行）方法3：分支展望（Predict）簡(jiǎn)單（靜態(tài)）展望：老是展望條件不知足(nottaken)，即：持續(xù)履行分支指令的后續(xù)指令?？杉訂⒌鲜揭?guī)則：在特定狀況下老是展望知足(taken)，其余狀況老是展望不知足。如：循環(huán)頂（底）部分支老是展望為不知足（知足）。能達(dá)65%-85%的展望正確率動(dòng)向展望：依據(jù)程序履行的歷史狀況，進(jìn)行動(dòng)向展望調(diào)整，能達(dá)90%的展望正確率注：采納分支展望方式時(shí)，流水線控制一定保證錯(cuò)誤展望指令的履行結(jié)果不可以奏效，并且要能從正確的分支地點(diǎn)處從頭啟動(dòng)流水線工作方法4

13、：延緩分支（Delayedbranch）（經(jīng)過(guò)編譯程序優(yōu)化指令次序！）把分支指令前面與分支指令沒(méi)關(guān)的指令調(diào)到分支指令后邊履行，也稱延緩轉(zhuǎn)移5.動(dòng)向展望基本方法采納一位展望位：老是按上一次實(shí)質(zhì)發(fā)生的狀況來(lái)展望下次，其特色：1）1表示近來(lái)一次發(fā)生過(guò)轉(zhuǎn)移（taken），0表示未發(fā)生（nottaken）2）展望時(shí)，若為1，則展望下次taken，若為0，則展望下次nottaken3）實(shí)質(zhì)履行時(shí)，若展望錯(cuò)，則該位取反，不然，該位不變4）可用一個(gè)簡(jiǎn)單的展望狀態(tài)圖表示5）弊端：當(dāng)連續(xù)兩次的分支狀況發(fā)生改變時(shí)，展望錯(cuò)誤采納二位展望位1）用2位組合四種狀況來(lái)表示展望和實(shí)質(zhì)轉(zhuǎn)移狀況2）依據(jù)展望狀態(tài)圖進(jìn)行展望和調(diào)整3

14、）在連續(xù)兩次分支發(fā)生不一樣時(shí)，只會(huì)有一次展望錯(cuò)誤.精選文檔兩位展望狀態(tài)圖基本思想：只有兩次展望錯(cuò)誤才改變展望方向00狀態(tài)時(shí)展望發(fā)生（強(qiáng)轉(zhuǎn)移），實(shí)質(zhì)不發(fā)生時(shí)，轉(zhuǎn)到狀態(tài)01（弱轉(zhuǎn)移），下次仍展望為發(fā)生，假如再次展望錯(cuò)誤（實(shí)質(zhì)不發(fā)生），才使下次展望調(diào)整為不發(fā)生11。第四章數(shù)據(jù)級(jí)并行1.SIMD并行的3種實(shí)現(xiàn)方法：向量系統(tǒng)構(gòu)造、SIMD擴(kuò)展和圖形辦理單元(GPUs)向量系統(tǒng)構(gòu)造的基本思想：讀儲(chǔ)存器中分布的數(shù)據(jù)集至“vectorregisters”；存放器操作；分別結(jié)果儲(chǔ)存至儲(chǔ)存器；SIMD擴(kuò)展的基本思想：固定了操作中操作數(shù)的數(shù)量：向量系統(tǒng)構(gòu)造采納向量長(zhǎng)度存放器；SIMD擴(kuò)展沒(méi)有復(fù)雜的尋址模式：步幅和集

15、中-分別尋址模式；.精選文檔沒(méi)有遮罩存放器。圖形辦理單元(GPUs)的基本思想：異構(gòu)履行模型是CPU為主機(jī),GPU為加快器；開(kāi)發(fā)類C的編程語(yǔ)言；一致所有的GPU并行為CUDA線程；編程模型“SIMT”。GPU架構(gòu)的3種方法各有什么異同點(diǎn)？同樣點(diǎn)：NVIDIAGPU架構(gòu)與向量機(jī)近似，善于數(shù)據(jù)級(jí)并行；集中-分別；遮罩存放器；大的存放器組。不一樣點(diǎn)：沒(méi)有標(biāo)量辦理器；使用多線程隱蔽內(nèi)存接見(jiàn)延緩；有好多功能單元深度流水化。第五章線程級(jí)并行1.UMA和NUMA的兩個(gè)特色？UMA（UniformMemoryAccess）模型：物理儲(chǔ)存器被所有節(jié)點(diǎn)共享；所有節(jié)點(diǎn)接見(jiàn)隨意存儲(chǔ)單元的接見(jiàn)時(shí)間同樣；發(fā)生訪存競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，

16、仲裁策略同等對(duì)待每個(gè)節(jié)點(diǎn)，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)機(jī)均等；各節(jié)點(diǎn)的CPU可帶有局部私有高速緩存；外頭I/O設(shè)施也能夠共享，且每個(gè)節(jié)點(diǎn)有同等的接見(jiàn)權(quán)益。NUMA（Non-UniformMemoryAccess）模型：物理儲(chǔ)存器被所有節(jié)點(diǎn)共享，隨意節(jié)點(diǎn)能夠直接接見(jiàn)隨意內(nèi)存模塊；節(jié)點(diǎn)接見(jiàn)內(nèi)存模塊的速度不一樣，接見(jiàn)當(dāng)?shù)貎?chǔ)存模塊的速度一般是接見(jiàn)其余節(jié)點(diǎn)內(nèi)存模塊的3倍以上；發(fā)生訪存競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，仲裁策略對(duì)節(jié)點(diǎn)可能是不一樣等的；各節(jié)點(diǎn)的CPU可帶有局部私有高速緩存cache；外頭I/O設(shè)施也能夠共享，但對(duì)各節(jié)點(diǎn)是不一樣等的。2.計(jì)算題：例：假定有一個(gè)應(yīng)用程序運(yùn)轉(zhuǎn)在包含32個(gè)辦理器的多辦理器上，它在引用遠(yuǎn)程儲(chǔ)存器時(shí)需要的時(shí)間為

17、200ns。關(guān)于這一應(yīng)用程序，假定除波及通訊的引用以外，其余所有引用都會(huì)在當(dāng)?shù)貎?chǔ)存器層次構(gòu)造中命中。辦理器會(huì)在遠(yuǎn)程懇求時(shí)停留，辦理器時(shí)鐘頻次為3.3GHz。假如基礎(chǔ)CPI（假定所有引用都在緩存中命中）為0.5，請(qǐng)對(duì)照在沒(méi)有通訊、0.2%的指令涉及遠(yuǎn)程通訊引用這兩種狀況下，多辦理器會(huì)快多少？解：沒(méi)有遠(yuǎn)程引用時(shí)，CPI為0.5；有遠(yuǎn)程引用時(shí)：CPI=基礎(chǔ)CPI+遠(yuǎn)程懇求率*遠(yuǎn)程懇求成本=0.5+0.2%*遠(yuǎn)程懇求成本=0.5+0.2%*（200ns*3.3G/s)=0.5+1.2=1.7當(dāng)所有引用均為當(dāng)?shù)匾脮r(shí)，多辦理器快：1.7/0.5=3.4倍粒度的觀點(diǎn)，并行級(jí)別按粒度分類？各級(jí)其余權(quán)衡標(biāo)準(zhǔn)？

18、粒度：權(quán)衡一個(gè)軟件進(jìn)度的計(jì)算量的胸懷。最簡(jiǎn)單的是指此程序段中的指令數(shù)。分細(xì)、中、粗三種。按粒度的不一樣，并行性級(jí)別能夠分為指令級(jí)、循環(huán)級(jí)、過(guò)程級(jí)、子程序級(jí)和作業(yè)級(jí)等不一樣的層次。指令級(jí):細(xì)粒度，一般少于20條指令。循環(huán)級(jí):典型循環(huán)含少于500條指令。易于并行（向量化）過(guò)程級(jí):中粒度并行，指令少于2000條。并行較困難子程序級(jí)：粗/中粒度并行，幾千條指令。常在messagepassing多計(jì)算機(jī)上以SPMD或MPMD方式履行。并行性主要由算法設(shè)計(jì)人員與程序員開(kāi)發(fā)。.精選文檔作業(yè)級(jí)：粗粒度并行，數(shù)萬(wàn)條指令。常由加載程序和操作系統(tǒng)辦理這種并行性，靠算法有效性來(lái)保證。MESI協(xié)議的四個(gè)狀態(tài)？各個(gè)狀態(tài)的意思？畫(huà)出相應(yīng)的圖？MESI協(xié)議的四個(gè)狀態(tài)分別為M(Modified)、E(Exclusive)、S(Share)和I(Invalid).E狀態(tài)：數(shù)占有效，數(shù)據(jù)和內(nèi)存中的數(shù)據(jù)一致，數(shù)據(jù)只存在于本Cache中。S狀態(tài)：數(shù)占有效，數(shù)據(jù)和內(nèi)存中的數(shù)據(jù)一致，數(shù)據(jù)存在于好多Cache中。M狀態(tài)：數(shù)占有效，數(shù)據(jù)被改正了，和內(nèi)存中的數(shù)據(jù)不一致，數(shù)據(jù)只存在于本Cache中。I狀態(tài)：數(shù)據(jù)無(wú)效MESI協(xié)議狀態(tài)遷徙圖：第六章以庫(kù)房級(jí)計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)懇求級(jí)、數(shù)據(jù)級(jí)并行1.庫(kù)房級(jí)計(jì)算機(jī)的定義？與HPC“集群”、數(shù)據(jù)中心有何不一樣？庫(kù)房級(jí)計(jì)算機(jī)是用來(lái)供給互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，主要用于搜尋、交際網(wǎng)絡(luò)、在線地圖、視頻分享、在線購(gòu)