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1、第8章多处理机8.1 解释以下术语集中式共享多处理机：也称为对称式共享存储器多处理SMP。它一般由几十个处理器构成，各处理器共享一个集中式的物理存储器，这个主存相对于各处理器的关系是对称的，分布式共享多处理机： 它的共享存储器分布在各台处理机中， 每台处理机都带有自己的本地存储器，组成一个“处理机 - 存储器”单元。但是这些分布在各台处理机中的实际存储器又合在一起统一编址， 在逻辑上组成一个共享存储器。这些处理机存储器单元通过互连网络连接在一起 ，每台处理机除了能访问本地存储器外，还能通过互连网络直接访问在其他处理机存储器单元中的 “远程存储器 ”。通信延迟：通信延迟发送开销跨越时间传输时间接
2、收开销。计算 /通信比：反映并行程序性能的一个重要的度量。在并行计算中，每次数据通信要进行的计算与通信开销的比值。多 Cache 一致性：多处理机中，当共享数据进入 Cache，就可能出现多个处理器的都有同一存储器块的副本，要保证多个副本数据是一致的。Cache 中监听协议： 每个 Cache 除了包含物理存储器中块的数据拷贝之外， 也保存着各个块的共享状态信息。 Cache 通常连在共享存储器的总线上，各个 Cache 控制器通过监听总线来判断它们是否有总线上请求的数据块。目录协议： 用一种专用的存储器所记录的数据结构。 它记录着可以进入的访问状态、该块在各个处理器的共享状态以及是否修改过等
3、信息。Cache 的每个数据块写作废协议：在处理器对某个数据项进行写入之前，它拥有对该数据项的唯一的访问权。写更新协议：当一个处理器对某数据项进行写入时，它把该新数据广播给所有其它这些 Cache 用该新数据对其中的副本进行更新。Cache。栅栏同步： 栅栏强制所有到达该栅栏的进程进行等待。直到全部的进程到达栅栏，然后释放全部进程，从而形成同步。旋转锁：处理机环绕一个锁不停地旋转而请求获得该锁。同时多线程： 是一种在多流出、 动态调度的处理器上同时开发线程级并行和指令级并行的技术，它是多线程技术的一种改进。细粒度多线程技术：是一种实现多线程的技术。它在每条指令之间都能进行线程的切换，从而使得多
4、个线程可以交替执行。 通常以时间片轮转的方法实现这样的交替执行， 在轮转的过程中跳过处于停顿的线程。粗粒度多线程技术： 是一种实现多线程的技术。 只有线程发生较长时间的停顿时才切换到其他线程。SMP：对称式共享存储器多处理MPP ：即大规模并行处理，按照当前的标准，具有几百台几千台处理机的任何机器都是大规模并行处理系统。8.2 一个具有32 台处理机的系统，对远程存储器访问时间是2000ns。除了通信以外，假设计算中的访问均命中局部存储器。当发出一个远程请求时，本地处理机挂起。处理机的时钟周期时间是10ns，假设指令基本的CPI 为 1.0（设所有访存均命中Cache）。对于下述两种情况：（
5、1） 没有远程访问；（ 2） 0.5%的指令需要远程访问。试问前者比后者快多少？解：已知远程访问率p = 0.5%，远程访问时间t = 2000ns，时钟周期T = 10ns远程访问开销C = t/T = 2000ns/10ns = 200 （时钟周期数）有 0.5%远程访问的机器的实际CPI2 为：CPI2= CPI 1 + p C = 1.0 + 0.5% 200 = 2.0只有局部访问的机器的基本CPI1 = 1.0CPI2/ CPI 1 = 2.0/1.0 = 2（倍）因此，没有远程访问状态下的机器速度是有0.5%远程访问的机器速度的2 倍。8.3 什么是多处理机的一致性？给出解决一致
6、性的监听协议和目录协议的工作原理。答：（ 1 ） 对多个处理器维护一致性的协议称为Cache 一致性协议。（ 2）目录协议的工作原理：采用一个集中的数据结构目录。对于存储器中的每一个可以调入 Cache 的数据块，在目录中设置一条目录项， 用于记录该块的状态以及哪些Cache中有副本等相关信息。目录协议根据该项目中的信息以及当前要进行的访问操作，依次对相应的 Cache 发送控制消息， 并完成对目录项信息的修改。此外，还要向请求处理器发送响应信息。（ 3）监听协议的工作原理：每个Cache 除了包含物理存储器中块的数据拷贝之外，也保存着各个块的共享状态信息。Cache 通常连在共享存储器的总线
7、上，当某个Cache 需要访问存储器时， 它会把请求放到总线上广播出去，其他各个Cache 控制器通过监听总线来判断它们是否有总线上请求的数据块。如果有，就进行相应的操作。8.4 在标准的栅栏同步中，设单个处理器的通过时间（包括更新计数和释放锁）为C，求 N 个处理器一起进行一次同步所需要的时间。解：我们忽略读写锁的时间。N 个处理器中的每一个都需要C 个时钟周期来锁住与栅栏相关的计数器，修改它的值，然后释放锁。考虑最坏情况，所有N 个处理器都要对计数器加锁并修改它的值， 由于锁只能顺序访问计数器， 在同一时间， 只能有一个处理器修改计数器的数据。所以，总共要花 NC 个时钟周期使得所有的处理
8、器都到达数据栅栏。8.6 采用排队锁和 fetch-and-increment 重新实现栅栏同步，并将它们分别与采用旋转锁实现的栅栏同步进行性能比较。解： fetch-and-increment (count)；if (count=total)/进程全部到达count=0 ；/重置计数器release=1 ；/释放进程else/还有进程未到达spin(release=1) ；/等待信号当有 N 个处理器时， 上述代码执行fetch-and-increment 操作 N 次，当访问释放操作的时候，有 N 个 Cache 未命中。当最后一个处理器到达栅栏条件后， release 被置为“ 1”，此
9、时有 N-1 个 Cache 未命中（对于最后一个到达栅栏的处理器，当它读 release 的时候，将在主存中命中）。所以，共有 3N-1 次总线传输操作。如果有 10 个处理器，则共有 29 次总线传输操作，总共需要 2900 个时钟周期。8.7 有些机器实现了专门的锁广播一致性协议，实现上可能使用不同的总线。假设使用写广播协议，重新给出例8.3 旋转锁的时间计算。解：当实现了专门的锁广播一致性协议后，每当一把锁被释放的时候，和锁相关的值将被广播到所有处理器，这意味着在处理器对锁变量进行读操作的时候，未命中的情况永远不会发生。假定每个 Cache 都有一个数据块保留锁变量的初值。通过下表可以知道，10 次上锁 /释放锁的平均时间是 550 个时钟周期，总时间是5500 个时钟周期。事件持续时间所有处理器都读（命中）锁0释放锁的处理器进行写（不命中）广播100读（命中）锁（处理器认为锁是空闲的）0一个处理器进行写交换广播，同时还有9 个写广播1000一个处理器得到并释放锁的总时间1100