第八章 多处理机

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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

2、间+传输时间+接收开销。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Cache中 都有同一存储器块的副本,要保证多个副本数据是一致的。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Cache的每个数据块 的访问状态、该块在各个处理器的

3、共享状态以及是否修改过等信息。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Cache。 这些Cache用该新数据对其中的副本进行更新。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 而使得多个

4、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 = CPI1 + pXC = 1.0 + 0.5% x 200 = 2.0只有局部访问的机器的基本 CPI1= 1.0CPI2/ CPI1 = 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

6、解决一致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上

7、，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器都到达数据栅

8、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）；/进程全部到达/重置计数器/释放进程/还有进程未到达/等待信号if （count=total）count=0；release=1；elsespin（release=1） ；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”，此时 有N-1个Cache未命中（

9、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