習題設計計劃

1想端、CLUSTER理立思考以及熟練掌握些基礎知識和基本能。2作業安排，記總績第緒什是行算機答：簡單地講，并行計算就是由多個處理單元組的計算機系統，這些處理單元相互通信和作，能快速高效求解大的復雜的問題。述類法：答：根據指令流和數據流的多重性將計算機為：單令數流單令數流多令數流多令數流簡述代的并行機系答：當代并行機系統主要有：

并行量機（PVP）對多理（SMP）大規模并處理機分布式共享存儲）處理機工作機群為什需要并行計算機答）加快計算速度）提計精滿足快速時效要求進行無法替的模擬計算簡述處理器并行度的發展勢答）位級并行指令并行線程并行簡述陣列機的特點答）它是使用資源重復的方法來開拓計算問題空間的并行性。所有的處理單元）必須是同步的。陣列機的研究必須與并行算法緊密結合，這才能提高效率。陣列機是一種專用的計算機，用于處理一些專門的問題。簡述計算系統演變答：分為個階段：1）1983-1987年為第一代，代表器有：Ipsc/1等。）年為第二代，代表機器有Paragon、Intel年為第三代，代表機器有：MITJ-machine。簡述并行計機的訪存模答1）均勻存訪問模型（非均存儲問模全高速緩存存儲訪問模型COMA高速緩存一致性非均勻訪問模型CC-NUMA）簡述均勻存儲訪問模型的答1）物理存儲器被所有處理器均勻共享所有處理訪問任何存儲字的時間相同每臺理器帶私高速存外圍設備也可以一定的形式共享簡述非均勻存儲訪問模型的特本地存儲器的集合構成了全局的地址空間。）處理器訪問存儲器的時間不一樣）每臺處理器可帶私有高速緩存，外也可以某種的形式共享。第二章測使用頻的標量處理器執行一典型測試程序，其所執的指令數及所需的期數如表所示行該程的有效速率及總的執行時間。解CPI=totalcycles/totalinstructions=（）（45000+32000+15000+8000）=MIPS=時鐘頻率(CPI*106)/*10

6

)=CPU行時間totalcycles時鐘=欲在頻的量處器上行萬條目代指令序。假定程中有主要類型之指令所占的比例及如表所示，試計算：在單處理機上執行該程序的平均CPI。由①所得結果，計算相應的率。解=）鐘率6(40*10)/*10

6

)=

已知并行計機的通信開銷表式為：）（m，試算：漸帶寬∞半峰信長度o近帶寬/∞(2)半峰值消息長度r=46us*S=∞并行機性能評測的意義答：義有：發揮并行機長處，高并行的使用率減少用戶購機盲目性，降低投資風改進系統結構設計，提高機器的性促進硬件結，合功能劃分優化“結構-法-應用”最佳合提供客觀公正的評價并行機的標準。如何進行并行機性能評測行和信銷析行機的可用性與好用性以及器成本格與性價比。算法級性能評測：速比、率、擴性程序級性能評測Benchmark簡Gustafson定的出大計算量，相應地亦必須增多處理器數才能維持時間不變。2）程序運行在不同數目的處理器上理器必須應地增大問題規模才有實際意義已知一程序可并行碼占比有10處理的統中運行，求其加速比并求其極限加速比并分其結構帶來的影響解：加速比=1/(20%+80%/10)=1/+=。極限速比器個數無窮大的時候呈現的加速比1/20%=5。律在一間影響了人們對開發并行計算機的信于本例為就算你把理器做到無窮只能得到倍加速比時有一點明顯是處理器數目增加到一定程度后，加速比的增長非常慢簡述影響加速的因答1）求解問題中的串行分量。并行理器引起額外銷加大的處器數超過的算法的并發程度為什么增問題規模可以在一定程度提高速答1）較大的問題規模可提高較大的并發度。額外開銷的增加可能慢于有效計算的增加算法中串行分量的比例不是固定不變的。進行可擴放行研究的主要答定解決某類問題用某類并行算法和某類并行體系結構結合，可以有效的利用大量的處理器對于運行于某種體系結構并行機的某種算法當移大規模處理上性對于某類固規模的問題定在某類并行機上的最優處理器數目和最大的加速比。于指導改并行算法和行體系結構使并行算法能盡能充分利可擴充的大量的處器。第三章互連網對于一顆為0為點，推廣元樹時（即每個非葉節點m子節點）時，寫出總節點數的表達答：推廣至M樹時kM樹總結點數表達式二元胖樹圖所示時所有根節點均有2父果將的每個橢圓均視為單個節點，并且成對節點間的多條邊視為一條邊節點，則他從葉到根成什么樣的多級互網絡答：8入的完全混洗三級互聯網絡四元胖樹如圖所示，試問：每個內節點有幾個子節點和幾個父節你知道那機器使用此種形式胖樹節點節點有2父節點用此胖構試造個的立方環網絡并將其直和節點度與N=64的超立方比較之，你的結論是什么答N=64立方網,為方超立方個點4面體替代得到d=9，點度BN=64個每個小立方作為簡單立方體的節點聯6超立方，直d=6，節點一個個Bruijin網絡如圖所示，kkk

，是一個節點的二進制表示，則該節點可達如下兩個節點：k

k

0，kk

。試：網絡直徑對寬度是多少答節點de網d=k對剖寬帶個個節點的洗牌交換網絡如圖所示問網絡節度網絡直網絡剖寬度=答節點的洗牌交換網絡，網絡節點度2，網絡直，網對剖寬=4一個k+1個節點的蝶形網絡如圖所示。試問：此網節點網絡直徑=網絡對寬=答：N=k+12^k個節點的蝶形網絡，網絡節點=4，網絡直徑，網對剖寬=2^k度等填充下表中的各項根據討論的時間年限，每項可能是一個范圍）答網絡技

網絡結

帶寬Myrinet

專用機群互聯網絡500m

用于異構算機和其外設的組網

300m~10

可擴展一致性接口250Mbps~8G常獨立于拓撲結構光纖通信設10km備之間，直連結構

主要應用因特網主干線中

FDDI

采用雙向光纖令牌環，100m所有結點聯接在該環中如圖所示信包的片，，3分去目地，。此片占據信片片片道。試：這將會發生什么現象如采用選路策略，可避免上述現象嗎為什答）通路中形成環，發生死鎖果用略則不會發生死鎖為采用略時其通方于方向，反向路由是y向優先于方向死鎖避免的原則判斷，此時不會發生死鎖。在二維網孔中，試構造一個與選路等價的查表路由答所構造路由表描述如下：每個節點包兩張路由【1:【2】y表內為選路方法：節點路由時行查表：先查x即進行x向路由，如果表能指明下跳方向則接進入下跳果不能則繼續到達的地第四對稱多處理機參照圖試解釋什么采用略進程P遷移P，或采WB策略將包共享變量X進程P遷移P時造成高速存的不一致。處理器

1

P

2

P

1

P

2

P

1

P

2高速存

XX'

X'X總線共享存儲器

X遷之前

X'寫通過

X寫回圖造成的不一性答：采用策略進程從遷移到后，寫共變量為且新存據為共享變量值仍然為和主存’不一。采用略程從遷到，寫共享變量為，但此P緩存與主存變量值仍然為車不一致。參照所示解釋什采用略的速緩存I/O的X寫不一致；②在采用略的高速緩存中，直接從主存輸出數時會造成一致處理器

1

P2

P

1

P

2

P

1

P

2高速存

X

XX

X總線I/O處理機X

X'XX存儲器

存儲器（寫達

存儲器（寫）圖存的作所成的不一致性中理器數據主存，因高速緩存用時P1P2應的高速緩存值還是X存不一致。②直接從主存輸出數據高速緩存采用WB略，可能高速緩存中的數據已被修改過，所以造成不致。

試解釋采用中更前速存中貝X'為修改速緩塊，為無效的高速緩存塊。

高速緩存行器

偵聽總線x

…

高速緩存拷貝

…

…

1

2

處理器n

1

2

n

1

2

n（a寫操作前

（b處理器P執行寫無效作后作后11器共享變量X議(新其他核中在高速緩存拷的值為寫無效議圖b)所示，無效其他核中存在高速緩存拷貝，從而護了一致性過程。

兩種基于總線的共享內存多處理機分別實現了MESI協議Dragon說明為什有這樣的能差別。列r3；序列r1序列w1所有的存取操作都針對同一個內位置代表寫，數字代表發出該操作的處理器。假/寫高速緩存命中，代價時鐘周期；缺失引起簡單總線事務（如BusUpd時周；失起個速存塊輸90鐘周期。假設所有高速緩存是寫回式。答：讀寫命中、總線事務、塊傳輸分別簡記為、TMESI議：HH共5B+12H+3T=582鐘周期BHH共10B+12H+8T=1330時鐘期③BTHBTHBTHBHHHHBTHBTH鐘周。協：BTHHHHBTHBTHHBTHBTHBTHBTH共時鐘期②BTHBTH共8B+12H+8T=1212鐘周BTHBTH9B+10H+9T=1360鐘周期。由結果得出，①、③序列用協議時間更少，而②序列用議時更。綜可知，如果同一塊在寫操作之后頻繁被多個核讀操采用協更好一些，因為協寫操作后會更新其核副本。如果一個次連續對同一進行寫操作協議更有效，因為它不需要更新其它核副本，只需要總線事務無效其它核即可。考以代段明在順序一致性型下能的結果是什么假設在碼始行時，所有變量初始化為。a.答性模型性下進程都按序，這樣會有多種可能結果，這里假設最簡單情，即進。則UV=W=bU=X=W=1，V=0。

照討論多級高緩存包含性的術語假設和都是組相聯n2>n1，替換略用來替，試問包含是否還是然滿足如替換策略隨機替呢答：果采用換策略包含性自然滿足，因為和是路組相聯FIFO保證了與發生替換時會換出相同的緩存塊，維了含果采隨機替策略在與換不相同塊的情況，故不滿足包含性。

滿足的內存列高速緩存量字，路組相聯，每個高速緩塊個字節用替換算法速緩存容量節路組相聯，每高緩塊字節，用替換法。設塊射一級二級同一組中，考慮如下內存RR，RLRU換算法知道，R執行后L1被換出的是被替換出的是時在不在，不滿足含性。

，情發：一個在，使就被使無效了。為什么發生這種情況，如解決SMP錄致中1缺失求數塊，主響應請求傳數據塊核1，同時對塊核核一個使無效請求緊跟在數據響應之決方法以使每個核正存取高速緩存塊后向主存發回應允許它對塊操作使無效或其請求

利作實一個操答：thelocationtoreg1*/bnz/*locatinwaslocked,tryagain*/mov/*setreg21*/intolocation*/

在部分描述具感覺反轉路障算法語句放if件語句的每個分支中是緊接放在計數器增句后，會發生什么問題為什么會發生這個問題答：再進入下一個路障時可能會發生計數器新清象，導致進入路障的程分別為為進進程執行共享變量加一操作并解鎖后程執行一條if條件句此時為1進程此正執行if件語句，則清零計數器，設置，進越為現題現下次進入時執加一操作如果此時程被換入或被喚醒，會重新清零共享變。大規模并行處理機系統簡述大規模并行處理機的定義，原理和優點答行處理機有時也稱為陣列處理機使用按地址訪問的隨機存儲器單指令流多據流方式作要用于要大量高速進行向量矩陣運算的應用行處理機的并行于重的處理，一CU令規。運。并處理機有大的向量運算能量能高語程序有助于提高并行處理機的通用性，減少編譯時間并行處理機有兩種基本結構類型，請問是哪種并作簡單介紹。答布存儲器的并處理結構和用集中式享存儲器并行處理結構布式存儲器的并行處理結構中一個處理機都有自己的存儲器要控制部件將并行處理的序分配至各處理機們便能并處理自從自己的存儲器中取得信息共享存儲處理機結構中的存儲器是集中共享的于多處理共享各處機問共享存儲器時會發生競此采取措施可能避免爭的發生。簡單說明多計算機系統和多處理機系統的區別多處理機中各處理機邏輯上受同一的控制算機的輯獨立(3)機經通道或者通信線以數據傳輸的方式行處理作，任務，指令，數據各級并，多計算機多個作業并舉例說明MPP的應用領域及其采用的關鍵技術VLSI1是式中發段需專門段表示們發控們發執稱任務派生單元受控制器控執然步執著間控制依賴了取定步策略在并行多處理機系統中的有引起的容互間以及與共享存儲器之互不相同的問題理機的致性問題。請問有哪些原因導致這個問題答：）現

一致性問題的原因主要有三個：共享可寫的數據、進程遷移輸。共享可寫據引起的不一致。比如兩臺處理機各自的本地高速緩沖存器中都共存器是中某個數據拷貝，當把的成，如果通過略內存的數也變為C2還是果，這內中是這況都數不）進程遷移引起的數據不一致性P1有共享數據拷貝，某時刻進程把它修改為用了寫回策略，由于種原因進程從移了上它取據時到個“過時”的）傳輸所造成的數據不一致性。假設P1和P2的本地緩存中都有某數據拷貝當理機將個新的數據內存時，就致內間的據不一致性。分別確定在下列兩種計算系統中，計算表達式所的時間：…A4*B4。有處理器的系統；b)有個處理機的統。假設訪存取指和取數的時間可以忽略不計；加法與乘分別需要拍和SIMD和系統中處理）之間每進行一次數據傳送的時間為在系統中之間采用線性環形互連拓撲，即個其左右個相鄰的直接相連，而在中個都可和它直接的。答：假設個別為，PE1，PE3。用算機計算述達=4進行到，PE2到的數據傳送，用=1時間單位。在和中成部分和，用=2時間單位。接著進行到的部分和傳送，用時間單位。最后，在形成最終結=2用計算機計算述表式總用=4））））個時間單。而利用計算機計算上述表達式，除了在第二傳送節省時間單位以外，其他與同。因此用=4乘法）（傳送（加法（（法個時間單。假定有一個處理機臺數為共享存儲器多處理機系統設典型處理機每條執行執行時間全局存儲器進行訪問的均次數。設共享存儲的平均儲時間，x使用地存器的處理機速率，再假定在多處理機上執行指令。現在假設多處理機的有性達到56MIPS，需要每處理機的率多少nn：BPE機和含PE連接成一性環機上計算下列求內積的表達式：其中ks

?Bi

ii假設成每ADD操作需要2單元時，完成每次操作需要單位時間沿雙環相鄰PE移需單位時

SISDSIMDSIMD

計算上計s要多少時間計算上計s要多少時間s對于SISD計算加比多少答：

443k如果一臺SIMD計算機和一臺流水線處理具有相同的計性能，對構成它們的主要部件分別有什么要求答：臺具n處理單元的算機與一臺具有一條流線并且時鐘周期為前者的流水線處理機的計算性相當均是每時鐘周期產生計算機需n理機中流水線部件的鐘速率要求比前者快，同時還需要存儲器的帶寬也是前的倍。第六機群系統試區分和例示下列關于機群的術專用機群和專用機群同構群和構機專用型機群和企業型機群答

機機，機是個群，非專用機群中，全局應用通過竊取間獲運行非專用機的，遷移和負載平衡問題。為機的機以有不同的體系，運行的操作系統也可以不同。）用的通系進行，用統大機統；型點點以，機群管理者對節點有。試解釋和示一下有關單一系統映像的術單一件層次結構；單控點單存空單進空單輸/輸出和網絡。答：）所統件結磁盤備。）以單整一一行理控。中節器的的存儲器。戶們一的進程空間，并且共享一個統一的進程識別案）輸出意味著任何節點可訪問多個外設網絡是任一節點能問機群中任一網絡接。系統回答下列題：MC支持的特征，釋一下：）單一文層次結、單一進空間、單網絡和單一間。不支持單一控制點和單一的存儲空間。）

使用了個叫全局件文件系統的主要特包括：單系統映像一致的語及高性通過VFS/vnode口上截取文件訪問操作實現單一系統映像，保證了單一文件層次結構Solaris提供了一個全局進程示符可定位系統所有進程，程的當前位置，它通過在心層上面增加一個全進程以進程有一個虛擬進程對象留每個父進程子進程的信息，實現了全局進程的管理。單一網絡和空間通過一致設備命技術和一網絡技實現。舉例解釋并較以下有關機群作業管理系統的術語：串行業與行作；批處理作業與交互式作業；機群業和來作；專用模式空間共享模式、時間共享模式；獨立度與組調度。答：串行作業在單節點上運行，并行作業使用多個節點。批處理作業通常需要較多資源，如大量的內存和長的的較的間其

用戶期望它們迅速得到執行而不必放入隊列中機群作業通過使用功能分實現的用戶作業，用戶服，源作外生成的，如NOW的一個工作站擁有者啟動的外部作業它提。用一作行任一作不疊的行用式和，一用進，統進程或監護程序仍在同一個節點上運行。

點

己但著作業性，為需交組度：將行的所有進程一起調度。一進程激活時，所有進程被激活。針對回答下列問題：對的四種作業類型各一個一個來作業對一個有個服務器的機群，為分配于：1機群只有一LIM或者2所有LIM都是主機因：）：戶用

命令就可以列出每個服務器節點的靜態資源交互理用程允通過交、監控和執行批處理作業。串行：用戶一旦進shell送的每條命令自動在最適合的節點上執行。行lsmake用程序make用程序時一個并行版本，允許在多個節點同處理一個。不通過執行的稱為外來作業。例如執行一些本地作業：字處理web網瀏覽。機群的服務器數目太，如果只采用一個會負責，的理服器的業；果采用會LIM間相互交換負載信息過多，導致網絡信過。為什么在分布式文件系統UNIX義難以實現有哪些放松的文共享語義采用放松的文件共享語義會有一些什么缺點答：在UNIX語義中改過的塊應立刻被所有其應用程序見。然而分布式的文件系統中多個節點可能存放了同文件塊的拷貝，當其中一節點修改件可的拷時他點不能立刻知道得義難以實現。放松的文共享語義有：對話語義事物語義可改變的共享文件義等用放松的文共享語義求應用程序員修改程序代適用種新語義就增加了程序員的負擔。試釋機群文系中，么用件制和預取能夠提高文件系統性能。答：軟件文件系統負責分布數據和維護容錯級別，能有樣性現機群磁盤間的數據分布高了系統的帶速緩存是將應用程序要的塊放在CACHE據局部性原理用程序以基上CACHE讀取數據塊不要通過讀取存或硬盤高讀速取是在真正讀取數據塊之前就將這些數據塊讀入內存，這也提性能，改善了文件系統能。有什么意義答：基本技術前提是互聯網絡的速度很快點需要的文件塊在其節的存么就需要從盤讀是直接其他節點的緩存個前提的意義是可以高系統的性能得節點間的作化緩存變得更有意義。回答以下關于NOW項目問題：）NOW項目支持單一系統映像的哪幾方面即單入口點、項并解釋如何支持。解NOW項目用來提高能的四個結構特征。解Berkeley目群四個體系結構差異，并討論各自優點。答：）用戶級整個機群軟GLUNIX提供單一系統映像開發了一種新的無服務器網絡文件統，以支持單一文件層次結構。）提單一的系映像源管理可用性支持可擴放性和單一文件次結構的高可用性；軟件筑高可用性、漸增可擴性。）機群的系結構特征個點都是

工站有的其I/O。這樣的優點是簡單性和靈活性。考慮，并回答列問題：解釋和集中式文件服務器的兩個不同點討論自的優；解釋用來提高可用性的主要技術；解釋用來減輕小—寫問題的主要技術。答：）器件

將文件服務的功能分布到機器的所有節點上xFS中所的服務器和客的功能由分散所有節點實之。中器、、不用式同件緩列這提高了系統的可用性以的能和吞吐量。中式文件服務器會減少存的不一性，管理單。）提高可用性的主要技術是采用廉價冗余磁盤陣列無工作站文件系統能用來生成件，以提高性能和高可用性。用單奇偶校驗磁盤條。一個文件數據塊在多個存儲服務點，個點。個，失效磁的內容，用其余盤和偶盤作重。）用日志條的方法解決小寫問題戶首先將寫接合用的志上用志由K-1個日志片組成與奇偶校驗片以道送給K存務。第章分布共享存系什么是分布式共享存儲系統于共享儲系統分布式系哪些優點答布式共存儲系統把共享存儲器分成許多模塊并分布于各址空間不利程序員編程享存儲系統支持傳統的單地址空間共享必然起沖突是分布式享存系統合兩者的優點。放一致模型一致PC)和弱致模型的點結合在一起了試回答下面有關這些致性模型的問題：

比較這三種一致性模型的實現要求。評論每種一致性模型的優缺點。答處理器一致性要求：①在任一取數操允許被之所有在同一處理器中先于這LOAD取數操作都已完成一存數操STORE許行之前同一處理器中先于這STORE訪存操作（包括取數操作和數操作）都已完成。弱致性模型要求：①同步操作的執行滿順序一致性條件一普通存操作允許被執之前同一處器中先這一訪操作同步操都已完成在任一同步操作允許被行之前有在同一處理器中先于這一同步操作的普通存操作都已完成放致性模型要求在任一普通訪存操作允許被執行之前同一處理器中于這一訪存操作的獲取操acquire都已完成一釋放操作允許一操作都已完成；③同步操作的執行滿足順序一致性條件。b)是對程序員的要求也越來越高放性致性性能與雜度的折中。在統的順序一致性存儲模型下并行執行的進程如下所示，試問001110是不是一個合法的輸出加以解釋。A=1;B=1;C=1;序序會維護無論個程后行句前的，B=1,C=1已經完成，所以輸出的兩后兩項必為所以不是合輸出。試分類下面來自三個處理的引用流的高速緩存缺一處理器的高速緩存只有一個個的高速緩存行，字到到W7分別處于同一個高速存行。如果一行有多個引，我們設前發射之前發射內存引用，符號Wi表LOAD/STORE字。操作序

1STW0W72LDW6W23

4LDW2W05

6LDW27STW2W5LDW58STW59

LD

LD

STLDW7LDW2W5

號號無關存儲操，由于不在一塊中。操序號對同一緩存塊的連續兩次LD，需要按序進行。假系中處理和存點內有處理器對目錄可見一個高速存行的大節，么(a)滿位向量方案和b)B(i=3)模型下目錄存儲本各是i答：分別總容量的12.%。