并行计算陈国良版课后答案.docx
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并行计算陈国良版课后答案
第三章互连网络
对于一颗K级二叉树（根为0级，叶为k-1级），共有N=2^k-1个节点，当推广至m-元树时（即每个非叶节点有m个子节点）时，试写出总节点数N的表达式。
答：
推广至M元树时，k级M元树总结点数N的表达式为：
N=1+m^1+m^2+...+m^（k-1）=（1-m^k）*1/（1-m）;
二元胖树如图所示，此时所有非根节点均有2个父节点。
如果将图中的每个椭圆均视为单个节点，并且成对节点间的多条边视为一条边，则他实际上就是一个二叉树。
试问：
如果不管椭圆，只把小方块视为节点，则他从叶到根形成什么样的多级互联网络
答：
8输入的完全混洗三级互联网络。
四元胖树如图所示，试问：
每个内节点有几个子节点和几个父节点你知道那个机器使用了此种形式的胖树
答：
每个内节点有4个子节点，2个父节点。
CM-5使用了此类胖树结构。
试构造一个N=64的立方环网络，并将其直径和节点度与N=64的超立方比较之，你的结论是什么
答：
AN=64的立方环网络,为4立方环（将4维超立方每个顶点以4面体替代得到），直径d=9，节点度n=4
BN=64的超立方网络，为六维超立方（将一个立方体分为8个小立方，以每个小立方作为简单立方体的节点，互联成6维超立方），直径d=6，节点度n=6
一个N=2^k个节点的deBruijin网络如图所示，令
。
。
。
，是一个节点的二进制表示，则该节点可达如下两个节点：
。
。
。
0，
。
。
。
1。
试问：
该网络的直径和对剖宽度是多少
答：
N=2^k个节点的deBruijin网络直径d=k对剖宽带w=2^（k-1）
一个N=2^n个节点的洗牌交换网络如图所示。
试问：
此网络节点度==网络直径==网络对剖宽度==
答：
N=2^n个节点的洗牌交换网络，网络节点度为=2，网络直径=n-1，网络对剖宽度=4
一个N=（k+1）2^k个节点的蝶形网络如图所示。
试问：
此网络节点度=网络直径=网络对剖宽度=
答：
N=（k+1）2^k个节点的蝶形网络，网络节点度=4，网络直径=2*k，网络对剖宽度=2^k
对于如下列举的网络技术，用体系结构描述，速率范围，电缆长度等填充下表中的各项。
（提示：
根据讨论的时间年限，每项可能是一个范围）
答：
网络技术
网络结构
带宽
铜线距离
光纤距离
Myrinet
专用机群互联网络
200MB/秒
25m
500m
HiPPI
用于异构计算机和其外设的组网
800Mbps~
25m
300m~10km
SCI
可扩展一致性接口，通常独立于拓扑结构
250Mbps~8Gbps
光纤通信
多处理器和其外围设备之间，直连结构
100Mbps~800Mbps
50m
10km
ATM
主要应用于因特网主干线中
25Mbps~10Gbps
FDDI
采用双向光纤令牌环，所有结点联接在该环中
100-200Mbps
100m
2KM
如图所示，信包的片0，1，2，3要分别去向目的地A，B，C，D。
此时片0占据信道CB，片1占据信道DC，片2占据信道AD，片3占据信道BA。
试问：
1）这将会发生什么现象
2）如果采用X-Y选路策略，可避免上述现象吗为什么
答：
1）通路中形成环，发生死锁
2）如果采用X-Y策略则不会发生死锁。
因为采用X-Y策略时其实质是对资源（这里是通道）进行按序分配（永远是x方向优先于y方向，反方向路由是y方向优先于x方向），因此根据死锁避免的原则判断，此时不会发生死锁。
在二维网孔中，试构造一个与X-Y选路等价的查表路由。
答：
所构造路由表描述如下：
1）每个节点包括两张路由表x表和y表
2）每个节点包含其以后节点信息，如节点【1，2】x表内容为:
【2，2】【3，2】y表内容为：
【1，3】
选路方法：
节点路由时进行查表：
先查x表即进行x方向路由，如果查表能指明下一跳方向则直接进入下一跳。
如果不能则继续查y表，直到到达目的地。
第四章对称多处理机系统
参照图，试解释为什么采用WT策略进程从
迁移到
时，或采用WB策略将包含共享变量X的进程从
迁移到
时，会造成高速缓存的不一致。
图进程迁移所造成的不一致性
答：
采用WT策略进程从
迁移到
后，
写共享变量X为X’，并且更新主存数据为X’，此时
共享变量值仍然为X，与
和主存X’不一致。
采用WB策略进程从
迁移到
后，
写共享变量X为X’，但此时
缓存与主存变量值仍然为X，造车不一致。
参照图所示，试解释为什么：
①在采用WT策略的高速缓存中，当I/O处理器将一个新的数据
写回主存时会造成高速缓存和主存间的不一致；②在采用WB策略的高速缓存中，当直接从主存输出数据时会造成不一致。
图绕过高速缓存的I/O操作所造成的不一致性
答：
①中I/O处理器将数据X’写回主存，因为高速缓存采用WT策略，此时P1和P2相应的高速缓存值还是X，所以造成高速缓存与主存不一致。
②直接从主存输出数据X，因为高速缓存采用WB策略，可能高速缓存中的数据已经被修改过，所以造成不一致。
4.3试解释采用WB策略的写更新和写无效协议的一致性维护过程。
其中
为更新前高速缓存中的拷贝，
为修改后的高速缓存块，I为无效的高速缓存块。
答：
处理器P1写共享变量X为X’，写更新协议如图（c）所示，同时更新其他核中存在高速缓存拷贝的值为X’;写无效协议如图（b）所示，无效其他核中存在高速缓存拷贝，从而维护了一致性过程。
4.4两种基于总线的共享内存多处理机分别实现了IllinoisMESI协议和Dragon协议，对于下面给定的每个内存存取序列，试比较在这两种多处理机上的执行代价，并就序列及一致性协议的特点来说明为什么有这样的性能差别。
序列①r1w1r1w1r2w2r2w2r3w3r3w3；序列②r1r2r3w1w2w3r1r2r3w3w1；序列③r1r2r3r3w1w1w1w1w2w3；所有的存取操作都针对同一个内存位置，r/w代表读/写，数字代表发出该操作的处理器。
假设所有高速缓存在开始时是空的，并且使用下面的性能模型：
读/写高速缓存命中，代价1个时钟周期；缺失引起简单的总线事务（如BusUpgr，BusUpd），60个时钟周期；缺失引起整个高速缓存块传输，90时钟周期。
假设所有高速缓存是写回式。
答：
读写命中、总线事务、块传输分别简记为H、B、T。
MESI协议：
①BTHHHHBTHBHHHBTHBHHH共5B+12H+3T=582时钟周期②BTHBTHBTHBHBTHBTHBTHBTHHBHBTH共10B+12H+8T=1330时钟周期③BTHBTHBTHHBHHHHBTHBTH共6B+10H+4T=730时钟周期。
Dragon协议：
①BTHHHHBTHBTHHBTHBTHBTHHBTH共7B+12H+7T=882时钟周期②BTHBTHBTHBTHBTHBTHHHHHBTTHBTH共8B+12H+8T=1212时钟周期③BTHBTHBTHHBTHBTHBTHBTHBTHBTH共9B+10H+9T=1360时钟周期。
由结果得出，①、③序列用MESI协议时间更少，而②序列用Dragon协议时间更少。
综上可知，如果同一块在写操作之后频繁被多个核读操作采用Dragon协议更好一些，因为Dragon协议写操作后会更新其它核副本。
如果一个同多次连续对同一块进行写操作MESI协议更有效，因为它不需要更新其它核副本，只需要总线事务无效其它核即可。
考虑以下代码段，说明在顺序一致性模型下，可能的结果是什么假设在代码开始执行
时，所有变量初始化为0。
a.
P1
P2
P3
A=1
U=A
V=B
B=1
W=A
b.
P1
P2
P3
P4
A=1
U=A
B=1
W=B
V=B
X=A
答：
顺序一致性模型性下，保护每个进程都按程序序来发生内存操作，这样会有多种可能结果，这里假设最简单情况，即P1、P2、P3依次进行。
则a中U=V=W=1，b中U=X=W=1，V=0。
4.6参照4.6.1中讨论多级高速缓存包含性的术语，假设L1和L2都是2-路组相联，n2>n1，b1=b2，且替换策略用FIFO来代替LRU，试问包含性是否还是自然满足如果替换策略是随机替换呢
答：
如果采用FIFO替换策略包含性自然满足，因为L1和L2都是2路组相联，FIFO保证了L1与L2在发生替换时会换出相同的缓存块，维护了包含性。
如果采取随机替换策略，存在L1与L2替换不是相同块的情况，故不满足包含性。
4.7针对以下高速缓存情况，试给出一个使得高速缓存的包含性不满足的内存存取序列
L1高速缓存容量32字节，2-路组相联，每个高速缓存块8个字节，使用LRU替换算法；L2高速缓存容量128字节，4-路组相联，每个高速缓存块8个字节，使用LRU替换算法。
答：
假设m1、m2、m3块映射到一级Cache和二级Cache的同一组中，考虑如下内存存取序列Rm1，Rm2，Rm1，Rm3，由LRU替换算法知道，当Rm3执行后，L1中被替换出的是m2，L2中被替换出的是m1，此时m1块在L1却不在L2中，不满足包含性。
4.8在中关于分事务总线的讨论中，依赖于处理器与高速缓存的接口，下面情况有可能发生：
一个使无效请求紧跟在数据响应之后，使得处理器还没有真正存取这个高速缓存块之前，该高速缓存块就被使无效了。
为什么会发生这种情况，如何解决
答：
考虑如下情景：
SMP目录一致性协议中，核1读缺失请求数据块A，主存响应请求传送数据块A给核1，同时核2对数据块A进行写操作，到主存中查得核1拥有副本，向核1发使无效请求。
如此，一个使无效请求紧跟在数据响应之后。
解决方法，可以使每个核真正存取高速缓存块后向主存发回应，然后再允许其它对此块操作的使无效或其它请求。
4.9利用LL-SC操作实现一个Test&Set操作。
答：
Test&Set：
llreg1,location/*Load-lockedthelocationtoreg1*/
bnzreg1,lock/*iflocatinwaslocked,tryagain*/
movreg2,1/*setreg21*/
sclocation,reg2/*storereg2conditionalintolocation*/
4.10在4.7.4部分描述具有感觉反转的路障算法中，如果将Unlock语句不放在if条件语句的每个分支中，而是紧接放在计数器增1语句后，会发生什么问题为什么会发生这个问题
答：
再进入下一个路障时可能会发生计数器重新清0现象，导致无法越过路障。
考虑如下情景：
第一次进入路障时，最后两个进入路障的进程分别为1、2。
假设最后进入路障的进程为2进程，2进程执行共享变量加一操作并解锁。
然后2进程执行一条if条件语句，此时由于某种原因换出或睡眠，而此时共享变量的值已经为p。
如果1进程此时正执行if条件语句，则清零计数器，设置标志，其它进程越过路障。
到目前为止没有出现问题，问题出现在下一次进入路障。
进程再一次进入路障，此时会执行共享变量加一操作。
如果此时2进程被换入或被唤醒，会重新清零共享变量，使之前到达路障的进程的加一操作无效，导致无法越过路障。
第五章大规模并行处理机系统
简述大规模并行处理机的定义，原理和优点
答：
并行处理机有时也称为阵列处理机，
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