計算機余統結構

（第1章~第4章復習）

主講：鄭緯民教授

1.基本概念

系統結構

計算機組成

計算機實現

透明性

模擬，仿真，虛擬機

SIMD,MIMD,CPI,

Amdahl定律，

MIPS,MFLOPS,

標準測試程序

2.計算題類型

①有效（平均）CPI計算

②Amdahl定律應用

①有效（平均）CPI

［例題］假設在一臺40MHz處

理機上運行200,000條指令的

目標代彳歸,程序主要由四種指

令組成。根據程序跟蹤實驗結

果，已知指令混合比和每種指

令所需的指令數如下。計算

在單處理機上用跟蹤數據運

行程序的平均CPI,并根據所

得的CPI,計算相應的MIPS速

率。

指令類型CPI指令混合比

算術和邏輯160%

高速緩存命中的加載/存儲218%

轉移412%

高速存儲缺失的存儲器訪問810%

［解］

CPI=1X60%+2x18%+4x12%+8X10%

=2.24

MIPS=f/(CPIx106)

二(40X106)/(2.24X106)

=17.86

②Amdahl定律應用

［例題］假定我們利用增加向

量處理模塊來提高計算機的運

算速度。計算機處理向量的速

度比其通常的運算要快20倍。

我們將可用向量處理部分所花

費的時間占總時間的百分比

稱為可向量化百分比。

A.求出加速比S和可向量化

百分比F之間的關系式。

B.當要得到加速比為2時的

可向量化百分比F為多少?

［解］

I)s=

(1-F)+F/2020-19xF

2)由上式，將S=2代入得：

F=10/19=0.53

第二章

指令系統

1.基本概念

數據結構

數據表示

尋址技術

RISC指令系統

CISC指令系統

2.計算題類型

①浮點數表示

②Huffman編碼

第三幸

存儲余統

1.基本概念

虛擬存儲器

Cache存儲器

命中率

替換算法

2.計算題類型

①層次存儲系統命中率、

價格計算

②三種映射框圖

③替換算法

［例題］設有一個兩層的存

儲器層次結構：Ml和M2。Ml

的命中率用h表示，并分別

令cl和c2為每千字節的成本,

si和s2為存儲器容量，tl和

t2為存取時間。

a）在什么條件下，整個存儲

器系統平均成本會接近于c2?

b）該層次結構的存儲器有效

存取時間ta是多少？

c）令兩層存儲器的速度比r=t2/tl,

并令E二tl/ta為存儲系統的存取

效率。試以r和命中率h來表示E。

d）試分別畫出r=5、20和

100時，E和h的關系圖。

e）如果r=100,為使E>0.95,

要求的命中率h是多少？

［解］(a)整個存儲系統的

平均成本為

JHC2

CQi+C7S7s9

山+“L+l

2

不難看出：當sl/s2非常小的

時候，上式的值約等于c2。

即s2?sl時，整個存儲器系

統的平均成本會接近于c2

(b)ta=+(1-1)h2t2

因為h2等于L所以

ta=htj+(1-h)t2

(c)

h_G_1

———

taht]+(1—h)t2h+(1—h)r

(d)存儲效率E和命中率h的關系

1.0000

0.9000

存0.8000

速度比r=5

儲0.7000

效0.6000

速度比r=20

率0.5000

0.4000

E

速度比r=100

0.3000

A--

0.2000

0.1000

0.0000

0.10.30.50.70.9

命中率h

(e)將數值代入E和h的關系式

可以算得h>99.95%

［例題］假定計算機的主存儲器

按64塊組織，塊大小為8個字。

高速緩存有8個塊。試表示出從

主存儲器編號的塊到高速緩存

中塊的映射關系。盡可能清楚

地畫出所有的映射線。

a）直接映射及指定標記字段、

塊號和字號的地址位。

b）全相聯映射以及指定標記字

段和字號的地址位。

c）2路組相聯映射以及指定標

記字段、組號和字號的地址

位。

［解］(a)直接映射方式

存儲器地址

標記（3位）塊（3位）字（3位）主存儲器

B7

b63

(b)全相聯映射方式

存儲器地址

(c)2路組相聯映射方式

存儲器地址

主存儲器

標記（4位）組（2位）字（3位）

b6O

b61

b62

b63

第四章

輸入輸出余統

1.基本概念

數組多路通道

選擇通道

字節多路通道

2.計算題

字節多路通道實際工作流量

通道最大流量和工作周期設計

［例題］一個字節多路通道連接

DI、D2、D3、D4、D5共5臺,

這些設備分別每10即、30年、

30分、50即和75|ns向通道發

出一次數據傳送的服務請求。

a）計算這個字節多路通道的

實際流量和工作周期

b）如果設計字節多路通道的

最大流量正好等于實際流

量，并假定對數據傳輸率

高的設備，通道響應它的

數據傳送請求的優先級也

高。5臺設備在0時刻同時

向通道發出第一次傳送數

據的請求，并在以后的時

間里按照各自的數據傳輸

率連續工作。畫出通道分

時為各臺設備服務的時間

關系圖，并計算這個字節

多路通道處理完各臺設備

的第一次數據傳送請求的

時刻。

c）從時間關系圖上發現什么問題?

如何解決這個問題？

［解］

a)這個字節多路通道的實際流量為

fBYTR=(1/10+1/30+1/30+

1/50+1/75)=0.2(MB/s)

通道的工作周期為

t=1/f=5gs/B

包括通道選擇設備的時間Ts

和為設備傳送一個字節所用

的時間Td。

b)5臺設備向通道請求傳送

數據和通道為它們服務的時

間關系如圖所示。向上的箭

頭表示設備的數據傳送請求,

有陰影的長方形表示通道響

應設備的請求并為設備服務

所用的時間間隔，包括通道

選擇設備的時間和為設備傳

送一個字節所用的時間，這

兩部分時間之和為皿S。

在圖中，5臺設備在0時刻同

時向通道發出第一次傳送數

據的請求，通道處理各個設

備第一次請求時間如下:

處理完設備D1的第一次請求的

時刻為5)LIS；處理完設備D2的

第一次請求的時刻為lOpis；處

理完設備D3的第一次請求的時

刻為20RS；處理完設備D4的第

一次請求的時刻為30那；

設備D5的第一次請求沒有得

到響應，直到第85M通道才

開始響應設備D5的服務請求,

這時，設備已經發出了兩個

傳送數據的服務請求，因此,

第一次傳送的數據有可能要

丟失。

通道分時為D1~D5各臺設備服務的時間關系圖

01020304050607080

c）當字節多路通道最大流量與

連接的設備數據流量之和非常

接近時，如果傳輸速度高的設

備頻繁發出服務請求，并且優

先得到響應，那么某些低速設

備可能在很長的一段時間內得

不到響應。可采取以下幾種方

法：

1）增加通道的最大流量

2）動態改變設備的優先級,

如在30?70四之間臨時

提高設備D5的優先級

3）增加一定數量的數據緩

沖器，特別是對優先級

比較低的設備。

第五幸

標量處理機與流水線

1.基本概念

流水線的原理、加速比、效率,

超標量處理機,

超流水線處理機,

超流水線超標量處理機。

2.計算題類型

①流水線的原理

②流水線的性能分析

①流水線的原理

［題］假設一條指令的執行過程分為“取指令”、“

分析”和“執行”三段，每一段的時間分別為At、

2At^3Ato在下各種情況下，分別寫出連續執行n

條指令所需要的時間表達式。

(1)順序執行方式。

⑵僅“取指令”和“執行”重疊。

⑶“取指令”、“分析”和“執行”重疊。

［解］(1)順序執行時每條指令用時

=At+2At+3At=6At,

因此n條指令所需要的時間=6n*At

(2)第一條指令完成需要時間

=At+2At+3At=6At,下一條指令的“取指令

”與上一條指令“執行”的最后一個At重疊

O因此,自從第一條指令完成后,每隔4At完

成一條指令。所以余下的n-1條指令用時(n-

1)*4Ato所以，n條指令所需要的時間

=6At+(n-1)*4At=2(2n+1)At。

(3)第一條指令完成需要時間

=At+2At+3At=6At,由于一條指令的

“取指令”和“分析”階段和下一條

指令的“執行”階段重疊，因此，此

后每3At完成一條指令，余下的n-1

條指令用時(n-1)*3At.

因此n條指令所需要的時間=6忒+6

1)*3At=3(n+1)Ato

②一動態多功能流

水線由6個功能

段組成，如下圖:

其中：S1>S4、S5、S6組成

乘法流水線，S1、S2、S3、

S6組成加法流水線，各個功

能段時間均為50ns。假定該

流水線的輸出結果可以直接

返回流水線輸入端，而且設

置有足夠的緩沖寄存器。

若按照最快的方式用該

流水線計算

(1)請畫出其處理過程

的時空圖。

(2)計算其實際吞吐率,

加速比和效率。

［答］

(1)乘法操作用到的流水段

有：S1、S4、S5、S6；加

法操作用到的流水段有：S1、

S2、S3、S6O以最快的方式

處理的流水線時空圖如圖所

示：

5

(2)：A部分所處理的是%二!"!”?

Z=1

5

H。區

B部分所處理的是Z=1

5

C部分所處理的是f=￡q

i=1

整個處理過程共需22個時

鐘周期。而進行了14次不

同的運算，所以其實際吞

吐率為：

14

TP==127W/5

22x50x10-9

這些運算串行處理所需要的時

鐘周期為56個時鐘周期，所以

其加速比為：

=2.55

效率為:

-------=42.4%

22x6

第六章

向量處理機

1.基本概念

向量處理方式，鏈接技

術，向量處理機結構，

提高向量處理機性能的

技術。

2.計算題類型

鏈接技術

［題］以下四條向量指令序列鏈接在一

起執行一種復合的功能。

V0-存儲器（取存儲器）

V2-V0+V1（向量加）