計(jì)算機(jī)體系構(gòu)造考試總結(jié)

考試范圍：1—6章

題型：

名詞翻譯

簡(jiǎn)答題

計(jì)算題

名詞解釋

1.什么是虛擬機(jī)：

用軟件實(shí)現(xiàn)的機(jī)器

2.什么是透明性：

本來(lái)存在的事物或?qū)傩裕瑥哪撤N角度看似乎不存在

3.什么是系列機(jī)：

在一種廠家生產(chǎn)的具有相似的體系構(gòu)造，但具有不同樣"勺構(gòu)成和實(shí)現(xiàn)的一系列不同

樣型號(hào)的機(jī)器。系列機(jī)必須保證顧客看到11勺機(jī)巖屬性一致。系統(tǒng)的軟件必須兼容

4.什么是模擬？什么是仿真？?jī)烧邊^(qū)別：

在一臺(tái)既有"勺計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)另一臺(tái)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。所有用軟件實(shí)現(xiàn)U勺叫模擬,

用軟件、硬件、固件混合實(shí)現(xiàn)時(shí)叫仿真

區(qū)別：模擬措施速度低，仿真措施速度高

仿真需要較多的硬件（包括控制存儲(chǔ)器）

系統(tǒng)構(gòu)造差異大的機(jī)器難于用仿真措施實(shí)現(xiàn)

除了指令系統(tǒng)之外，尚有存儲(chǔ)系統(tǒng)、I/。系統(tǒng)、中斷系統(tǒng)、控制臺(tái)口勺操作等

5.什么是并行性？什么是并發(fā)？

在同一時(shí)刻或同一時(shí)間間隔內(nèi)完畢兩種或兩種以上性質(zhì)相似或不同樣的工作。它包

括同步性和并發(fā)性兩重含義。從執(zhí)行程序的角度和處理數(shù)據(jù)的角度看，并行性均有

不同樣的并行等級(jí)。

并發(fā)性：兩個(gè)或兩個(gè)以上日勺事件在同?時(shí)間間隔發(fā)生。

6.CISC,RISC,VLIW體現(xiàn)什么？

CISC：復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)(ComplexInstructionSetComputer),是一種指令集構(gòu)

造(ISA),通過(guò)強(qiáng)化指令功能，減少程序的指令條數(shù)，實(shí)現(xiàn)軟件功能向硬件功能轉(zhuǎn)

移，以抵達(dá)提高性能H勺目的

RISC：精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)(ReducedInstructionSetComputer),是一種指令集構(gòu)

造(ISA),通過(guò)減少指令總數(shù)和簡(jiǎn)化指令的功能來(lái)減少硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，提高指

令的執(zhí)行速度

VLIW：超長(zhǎng)指令字(一種顯式指令級(jí)并行指令系統(tǒng)，二維程序構(gòu)造，指令級(jí)并

行度高)

7.什么是程序局部性原理：

程序在執(zhí)行時(shí)所訪問(wèn)11勺地址不是隨機(jī)的，而是相對(duì)簇聚；這種簇聚包括指令和數(shù)據(jù)

兩部分，程序的局部性原理包括程序的時(shí)間局部性和程序"勺空間局部性。

8.什么是快表什么是慢表？

快表:即轉(zhuǎn)換后援緩沖器(TranslationlookasideBuffer),簡(jiǎn)稱TLB,寄存頁(yè)表的I小

容量高速緩存器

慢表:

9.設(shè)備無(wú)關(guān)性:

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的使用者，在需要更換外國(guó)設(shè)備時(shí)，多種不同樣型號(hào)，不同樣生產(chǎn)廠家

的設(shè)備都可以直接通過(guò)獨(dú)立于詳細(xì)設(shè)備的原則接口與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接。

處理機(jī)采用統(tǒng)?的硬件和軟件對(duì)品種繁多日勺設(shè)備進(jìn)行管理。

10.什么是線性流水，非線性流水，靜態(tài)線性流水，動(dòng)態(tài)線性流水？

線性流水：流水線可以按不同樣的觀點(diǎn)進(jìn)行分類。1分

按照與否有反饋回路來(lái)分，可分為線性流水線和非線性流水線。1分線性流水線指

流水線的各段串行連接，沒(méi)有反饋回路。2分

非線性流水：流水線可以按不同樣的觀點(diǎn)進(jìn)行分類。1分

按照與否有反饋回路來(lái)分，可分為線性流水線和非線性流水線。1分非線性流水線

指流水線中除有串行連接U勺通路外，尚有反饋回路。2分。

靜態(tài)線性流水：同一段時(shí)間內(nèi)，各個(gè)功能段只能按照一種方式連接，實(shí)現(xiàn)一種

固定U勺功能。流水線可以按不同樣的觀點(diǎn)進(jìn)行分類。1分

按同一時(shí)間內(nèi)各段之間的連接方式來(lái)分，可分為靜態(tài)流水線和動(dòng)態(tài)流水線。1

分

靜態(tài)流水線是指同一時(shí)間內(nèi)，流水線"勺各段只能按同一種功能的連接方式工作。2

分

動(dòng)態(tài)線性流水：流水線可以按不同樣口勺觀點(diǎn)進(jìn)行分類。1分

按同一時(shí)間內(nèi)各段之間的連接方式來(lái)分，可分為靜態(tài)流水線和動(dòng)態(tài)流水線。1

分

動(dòng)態(tài)流水線是指同一時(shí)間內(nèi)，當(dāng)某些段正在實(shí)現(xiàn)某種運(yùn)算時(shí)，另某此段卻在實(shí)現(xiàn)另

一種運(yùn)算。2分

什么是向量循環(huán)開(kāi)采技術(shù)：

當(dāng)向量的長(zhǎng)度不不大于向量寄存器的長(zhǎng)度時(shí)，必須把長(zhǎng)向量提成長(zhǎng)度固定I向段，采

用循環(huán)構(gòu)造處理這個(gè)長(zhǎng)向量，這種技術(shù)稱為向量循環(huán)開(kāi)采技術(shù)，也稱為向量分段開(kāi)

采技術(shù)。

二.簡(jiǎn)答題

1.計(jì)算機(jī)體系構(gòu)造設(shè)計(jì)中有哪些常用的定向原理？

1.大概率事件優(yōu)先原則，這是最重要也是最廣泛采用的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。1分

2.阿姆達(dá)爾定律。即系統(tǒng)中對(duì)某一部件采用杲種更快的執(zhí)行方式所能獲得的系統(tǒng)性

能改善程度，取決于這種執(zhí)行方式被使用H勺頻率或所占總執(zhí)行時(shí)間的比例。2分

3.程序訪問(wèn)的局部性規(guī)律。其重要反應(yīng)在時(shí)間和空間局部性兩個(gè)方面，時(shí)間局部性

是指程序中近期被訪問(wèn)11勺信息項(xiàng)很也許立即被訪問(wèn)；空間局部性是指那些在訪問(wèn)地

址上相鄰近的信息項(xiàng)很也許會(huì)被一同訪問(wèn)。2分

2.存儲(chǔ)器層次構(gòu)造：

第1層：RegisterFiles（寄存器堆）

第2層：Buffers（Lookahead）（先行緩沖站）

第3層：Cache（高速緩沖存儲(chǔ)器）

第4層：MainMemory（主存儲(chǔ)器）

第5層：OnlineStorage（聯(lián)機(jī)存儲(chǔ)器）

第6層：Off-lineStorage（脫機(jī)存儲(chǔ)器）

3.體系構(gòu)造I內(nèi)佛林（Flynn）分類

⑴單指令流單數(shù)據(jù)流SISD(SingleInstructionSingleDatastream)

(2)單指令流多數(shù)據(jù)流SIMD(SingleInstructionMultipleDatastream)

(3)多指令流單數(shù)據(jù)流MISD(MultipleInstructionSingleDatastream)

⑷多指令流多數(shù)據(jù)流MIMS(MultipleInstructionMultipleDatastream)

4.通用機(jī)指令系統(tǒng)有哪五大類？

數(shù)據(jù)傳送類指令運(yùn)算類指令

程序控制指令

輸入輸出指令

處埋機(jī)控制

調(diào)試指令

5.處理存儲(chǔ)器頻帶平衡的措施

(1)多種存儲(chǔ)器并行工作

(2)設(shè)置多種緩沖存儲(chǔ)器

(3)采用存儲(chǔ)系統(tǒng)

6.導(dǎo)致cache與主存不一致的原因？

(1)由于CPU寫Cache,沒(méi)有立即寫主存

(2)由于10處理機(jī)或10設(shè)備寫主存

7.通道的類型：

字節(jié)多路通道一般用于連接多種慢速或中速的設(shè)備，這些設(shè)備以傳送字節(jié)為單位。

工作方式采用分時(shí)方式工作，它與CPU之間的高速數(shù)據(jù)通路分時(shí)為多臺(tái)設(shè)備服

務(wù)。1分

選擇通道:以獨(dú)占日勺方式工作，它為一臺(tái)外設(shè)傳送完數(shù)據(jù)后才轉(zhuǎn)去處理其他外設(shè)時(shí)

祈求.合用于高速外設(shè)。1分

數(shù)組多路通道:是上述兩種通道口勺結(jié)合。它容許以塊為單位在若干高速傳播操作之

間進(jìn)行交叉復(fù)用，因此它相稱于?種只以猝發(fā)模式工作的高速多路通道。8.開(kāi)發(fā)并

行性日勺途徑有哪些？

(1)時(shí)間重疊：多種處理過(guò)程在時(shí)間上互相錯(cuò)開(kāi)，輪番重迭地使用同一套硬件設(shè)備

的各個(gè)部分，以加緊硬件周轉(zhuǎn)而贏得速度。2分

(2)資源反復(fù)：根據(jù)“以數(shù)量取勝”的原則，通過(guò)反復(fù)地設(shè)置資源，尤其是硬件資

源，以大幅度提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能。2分

(3)資源共享：這是一種軟件措施，它使多種任務(wù)按一定期間次序輪番使用同一套

硬件設(shè)備。1分

9.處理指令有關(guān)，數(shù)據(jù)有關(guān)，控制有關(guān)的措施

指令有關(guān)：在程序執(zhí)行過(guò)程中不容許修改指令.

數(shù)據(jù)有關(guān)：措施一：把讀操作數(shù)、寫運(yùn)算成果與指令執(zhí)行合在一種節(jié)拍。

措施二：建立有關(guān)專用通路(ByPass)

控制有關(guān)：

在流水線中盡早判斷出分支轉(zhuǎn)移與否成功;盡早計(jì)算出分支轉(zhuǎn)移成功時(shí)的PC值(即

分支的目的地址)1分

(2)“凍結(jié)”或“排空”流水線的措施1分(3)預(yù)測(cè)分支失敗1分(4)

預(yù)測(cè)分支成功1分(5)延遲分支

10.什么是向量鏈接技術(shù)？

目前一條指令口勺成果寄存器可以作為后繼指令的操作數(shù)寄存器時(shí)，多條有數(shù)據(jù)有

關(guān)口勺向量指令并行執(zhí)行，這種技術(shù)稱為兩條流水線的鏈接技術(shù)。

11.先行控制的方式的原理

1.采用二次重疊執(zhí)行方式必須處理兩個(gè)問(wèn)題：

(1)有獨(dú)立的取指令部件、指令分析部件和指令執(zhí)行部件

把一種集中的指令控制器，分解成三個(gè)獨(dú)立的控制器：

存儲(chǔ)控制器、指令控制器、運(yùn)算控制器

(2)要處理訪問(wèn)主存儲(chǔ)器的沖突問(wèn)題

取指令、分析指令、執(zhí)行指令都也許要訪問(wèn)存儲(chǔ)器

答：先行控制技術(shù)是把緩沖技術(shù)和預(yù)處理技術(shù)相結(jié)合?緩沖技術(shù)是在工作速度不固定的

兩個(gè)功能部件之間設(shè)置緩沖器，用以平滑它們的工作。預(yù)處理技術(shù)是指預(yù)取指令、對(duì)指令進(jìn)

行加工以及預(yù)取操作數(shù)等.

采用先行控制方式的處理機(jī)內(nèi)部設(shè)置多個(gè)緩”站，用于平滑主存、指令分析部件、運(yùn)。

器三者之間的工作.這樣不僅使它們都能獨(dú)地!-(■.充分忙碌而不用相互等待,而且使指

令分析部件和運(yùn)算器分別能快速地取得指令和操作缸大幅度地捉而指令的執(zhí)行速度和部件

的效率。這些援沖站都按先進(jìn)先出的方式工作,而且都是由一組若干個(gè)能快速訪問(wèn)的ff儲(chǔ)單

元和相關(guān)的捽制造粗組成.

采用先行控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多條指令的用冷解鞋執(zhí)行。

三.計(jì)算題

1.Amdahl定理，加速比必考

1.已知某商用計(jì)算機(jī)擬增長(zhǎng)字符串操作功能。若用軟件實(shí)現(xiàn)，與無(wú)字符串

操作相比，速度提高4倍，CPU成木提高1/5倍；若用硬件實(shí)現(xiàn)，則速度是木

來(lái)I向100倍，，CPU成本是本來(lái)的5倍。由試驗(yàn)測(cè)得，字符串操作占總運(yùn)行時(shí)間

1ft50%,CPU成本約占整機(jī)成本H勺1/3。你選用哪種設(shè)計(jì)方案？9、答案內(nèi)容：

解：采月軟件措施時(shí)

根據(jù)阿姆達(dá)爾定律，性能提高:

(1-50%)+爭(zhēng)n?66分2

硬件成本提高到C=2/3+1/3*(1+1/5)=1.07分1

價(jià)格性能比為：C/S=1.07/1.66=0.64分1

采用硬件方法時(shí)：

S=l/[(1-50%)+50%/100]=1.98分2

硬件成本提高到02/3+1/3*5=2.33分1

價(jià)格性能比為：C/S=2.33/1.98=1.18分1

如果僅考慮性能提高，則可選擇硬件方法，而考慮性能提高和成本因素，則應(yīng)

選擇軟件方法。分2

2.存儲(chǔ)器中LRU,FIFO,OPT,頁(yè)替代算法，計(jì)算命中率

有一種“Cache?主存”存儲(chǔ)層次，主存共分8個(gè)塊(0?7),Cache分為4個(gè)塊

(0?3),采用組相聯(lián)映象，組內(nèi)塊數(shù)為2塊，替代算法為近期至少使使用措施

(LRU)o⑴畫(huà)出主存、Cache存儲(chǔ)器地址的各字段對(duì)應(yīng)關(guān)系；

(2)對(duì)于如下主存塊地址流：1、2、4、1、3、1、0、1、2、5、4、6、4,7、

2,如主存中內(nèi)空一開(kāi)始未裝入Cache中，請(qǐng)列出隨時(shí)間變化Cache中各塊的使

用狀況。；

⑶對(duì)于(2),指出塊失效又發(fā)生塊爭(zhēng)用時(shí)刻。(4)對(duì)于(23),求出此間的Cache命

中率。

X-**/I6、?/JV/

nd區(qū)號(hào)T組號(hào)s'塊號(hào)

1位1位1位nmr(塊內(nèi)地址)

11

1位1位ncr(塊內(nèi)地址)

QS

（2如下表：分3

訪問(wèn)順序123456789101112131415

一,—

地址塊號(hào)1241301254642

Cache41

111111111144444

塊分配情況

——4444000□55505

—22227777776662

—一一—33332999277

調(diào)調(diào)調(diào)命調(diào)替替命替替替替命替替

操作狀態(tài)

進(jìn)進(jìn)進(jìn)中進(jìn)換換中換換換換中換換

（3）在第14和15次訪問(wèn)塊時(shí)產(chǎn)生塊失效乂發(fā)生塊爭(zhēng)用現(xiàn)象。分2

（4）命中率：Hc=3/15=20%分2

3.通道中計(jì)算流量，工作周期，吞吐量及出現(xiàn)什么問(wèn)題

6.8一個(gè)子?多路地道連搔有6臺(tái)設(shè)備，它們的數(shù)據(jù)傳瑜率如下表所小。

設(shè)備名稱54Ds

D2D4DA

數(shù)據(jù)傳輸速率（B/ms）505040252510

（1）計(jì)算該通道的實(shí)際工作流量。

（2）若通道的最大流岸等于實(shí)際工作流量，求通道的.1：作周期TS+TD。

鉀（1）通道實(shí)際流量為

6

Aw,=Zh=50+50+40+25+25+10=200B/my

r-l

（2）由于通道的母人流量等于實(shí)際工作流量，印仃

/max-Mfr=7[=2008/皿

TS+丁。

可得.通道的工作周期TS+TD=5US.

4.指令重疊過(guò)程中計(jì)算效率

一種流水線由四段構(gòu)成，其中每當(dāng)流經(jīng)第三段時(shí)，總要在該段循環(huán)一次才

能流到第四段。假如每段通過(guò)一次的時(shí)間都是△1,問(wèn)：

當(dāng)在流水線H勺輸入端每at時(shí)間輸入任務(wù)時(shí)，該流水線會(huì)發(fā)生什么狀況？

此流水線的I實(shí)際吞吐率為多少？假如每2At輸入一種任務(wù)，持續(xù)處理10

個(gè)任務(wù)的實(shí)際吞吐率和效率是多少？

當(dāng)每段時(shí)間不變時(shí)，怎樣提高該流水線的吞吐率？仍持續(xù)處理10個(gè)任務(wù)時(shí),

其吞吐率提高多少？

解：（1）公發(fā)生流水線阻塞情況。2分

Instr.lstagelstage]stage3stage?stage4

：

mstr.2stagelstagestallstase3stage3staVg*

：

instr.3stagelstallstage]<7ilstagwesstage?stage4

instr.4stallstalls

stagelstaVaeltallstaGge?stawge?stage」

(2)分4

OtIt2t3t4t5t6t8t

Instr.lstaVselstageZ$tase3staVae3stawse4

instr.2stagelstagedstaseJstaae3staae4

GJCG

instr.3stawselstage!stage]stasSstaVae4

231/

1

TL

2"

T.

pipeline=23△/

-10/

Tp=一/23A/

AE=TP-5%=5%2x54.35%

（3）重復(fù)設(shè)置部件分4

1生

TP=^Tpipehne=^4.A/=^7.A/

吞吐率提高倍數(shù)=與工=1.64

%*

115動(dòng)態(tài)多功能流水線由6個(gè)功能段組成,如5圖:

加法

乘法

其中，SkS*S5、S6組成乘法流水戰(zhàn)，SKS2、S3、S6組成加法流水線，各個(gè)功能

段時(shí)間均為50ns,假設(shè)該流水線的輸出結(jié)果可以直接返回輸入端，而且設(shè)置彳j足夠的援沖

寄存招,若以最快的方式用該流水計(jì)算：￡x*Z,

i-1

（1）畫(huà)出時(shí)空?qǐng)D:

（2）計(jì)兌實(shí)際的吞葉率、加速比和效率，

解：機(jī)器一共要做10次乘法，4次加法.

5.哈夫曼樹(shù)指令優(yōu)化

6.流水線的時(shí)空?qǐng)D，計(jì)算加速比，吞吐率

若有一靜態(tài)多功能流水線分為6段，如圖所示，其中乘法流水線由1、2、

3、6段構(gòu)成，加法流水線由1、4、5、6段構(gòu)成，通過(guò)每段所需時(shí)間如圖所示。

使用流水線時(shí)，要等某種功能(如加法)操作都處理完畢后才能轉(zhuǎn)換成另種功能

(如乘法)。若要計(jì)算：AXB=(al+bl)X(a2+b2)X(a3+b3),IRJ：

(1)在上達(dá)流水方式下，完畢AXB需要多少時(shí)間?畫(huà)出時(shí)空?qǐng)D并計(jì)算此流水

線的使用效率和吞吐率。

⑵與次序運(yùn)算方式相比，加速比為多少?

aRbla2H2a3*b3(*Hbl)?(a2*b2)(?1^1)?(?2^2)?(*3^3)

rnI2Ii3i

24681012141618?n2224261(T)

?1?2?3(aHbl)(?1^1)>(?2^2)

blb2b3(a2+b2)(a3+b3)

■'ID祐------4-----------------tifc-

(1)T=26T

吞吐率：TP=5/26T

效率：E=(2*17)/(26*6)=21.79%分3

(2)加速比：Sp=Tl/Tk=(6T*3+8T*2)/26T=1.31分1

在如下圖所示的靜態(tài)流水線上計(jì)兌十A3,,流水線的輸出可以直接返回輸入端或

笆存于相應(yīng)下的流水線寄存器中,試計(jì)算其吞葉率，加速比,效率。

(1)確定適合于流水處理的計(jì)算過(guò)程為：3分

2AiBi的計(jì)算及程

i-t

（例3.1）

4

￡AIBLA1B1+A2B2?A3B3+A4B4

L1

AiBiA2B2A3B3A4B4

+十

十

(2)根據(jù)所確定的計(jì)算過(guò)程，而出時(shí)空?qǐng)D分4

(3)根據(jù)時(shí)空?qǐng)D和流水線性能公式，計(jì)算性能分3

故：吞吐率TP=1/(2040

加速比S=(34/8/(20Zlt)=l.7

效率5=(4X4+3X6)/(8X20)=0.21

7.給定一種向量計(jì)算過(guò)程，怎樣用向量鏈接技術(shù)計(jì)算完畢計(jì)算過(guò)程日勺時(shí)間(指周

期，單位為拍)

CRAY-1機(jī)器上，按照鏈接方式執(zhí)行下述4條向量指令(括號(hào)中給出了對(duì)應(yīng)

功能部件的時(shí)間)，假如向量寄存器和功能部件之間數(shù)據(jù)傳播需要1拍，試求此

鏈接流水線的通過(guò)時(shí)間是多少拍？假如向量長(zhǎng)度為64,則需要多少拍才能得到

所有成果。

V0-存儲(chǔ)器（從存儲(chǔ)器中取數(shù)：7拍）V2-V0+V1（向量加：3拍）V2

-V2VA3(按(A3)左移：4拍)

V5-V3八V4（向量邏輯乘：2拍

解：通過(guò)時(shí)間就是每條向量指令的第一種操作數(shù)執(zhí)行完畢需要II勺時(shí)間，也就是

各功能流水線由空到滿口勺時(shí)間，詳細(xì)過(guò)程如下圖所示。要得到所有成果，在流

水線充斥之后，向量中后繼操作數(shù)繼續(xù)以流水方式執(zhí)行，直到整組向量執(zhí)行完

畢

VI

?L?

T刈過(guò)=(7+1)+(1+3+1)+(H-4+1)+(1+2+1)=23(拍)

分6

工工共二工通過(guò)+(64-1)=23+63=86(拍)

向量處理機(jī)有16個(gè)向量寄存器,其中V0?V5中分別寄存有向量A、B、C,D、

E、F,向量長(zhǎng)度均為12,向量各元素均為浮點(diǎn)數(shù)；處理部件采用兩個(gè)單功能流

水線，加法功能部件時(shí)間為2拍，乘法功能部件時(shí)間為3拍。采用類似CRAY-1

的鏈接技術(shù)，先計(jì)算（A+B）*C,在流水線不停留的狀況下，接著計(jì)算（D+E）

*Fo（1）求此鏈接流水線的）通過(guò)時(shí)間為多少拍？（設(shè)寄存器入、出各需1拍）假

如每拍時(shí)間為50ns,完畢這些計(jì)算并把成果存進(jìn)對(duì)應(yīng)寄存器，此處理部件地實(shí)

際在吐率為多少M(fèi)FLOPS?

解：（1）我們?cè)谶@里假設(shè)A+B的中間結(jié)果放在V6中，（A+B）*C地最后結(jié)果放在

V7DIE地中間結(jié)果放在V8中，（D4E）*F的最后結(jié)果放在V9中。具體實(shí)現(xiàn)

參考卜.圖:

T通過(guò)二（1+2+1）+（1+3+1）=9柏）箔

（2）在做完（A+B）*C之后，作（C+D）*￡就不需要通過(guò)時(shí)間了。4分

V6=A+B;

V7=V6*C:

V8=D+E：

V9=V8*F:

丁二丁通過(guò)十(8-1)+8=24(JO)=1200(ns)

分4

TP=—=26.67MFLOB

T

四、（15分）有一條動(dòng)態(tài)多功能流水線由5段構(gòu)成，加法用1、2、3、5段，乘法

用1、4、5段，第4段的時(shí)間為2Z\t,其他各段時(shí)間均為At,并且流.水線為輸

出可以直接返回輸入端或暫存于對(duì)應(yīng)日勺流水線寄存器中。若在該流水線上計(jì)算

f=Al*B1+/\2*B2+A3*B3-A4*B4,

（1）畫(huà)出處理過(guò)程的時(shí)空?qǐng)D;

由圖可見(jiàn)，它在14個(gè)△，時(shí)間中,給出了7個(gè)結(jié)果。所以作吐率為：

77』7/(14ZV)

如果不用流水線，由于一次求枳需34人一次求和需4Az,則產(chǎn)生上述7

個(gè)結(jié)果共需(4X443X3)N=25At.所以加速比為：

$=257=179

14△/

■該流水線的效率可由陰影區(qū)的面積和5個(gè)段總時(shí)空區(qū)的面積的比值求得:

4x4+3x3

=0.357

5x14

六、(4分)將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中某一功能的處理速度加緊10倍，但該功能的處理時(shí)

間僅為整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間日勺90%,則采用此增強(qiáng)功能措施后，能使整個(gè)系統(tǒng)的性

能提高多少？

七、(6分)假設(shè)有一種長(zhǎng)流水線，僅僅對(duì)條件轉(zhuǎn)移指令使用分支目的緩沖。假設(shè)

分支預(yù)測(cè)錯(cuò)誤日勺開(kāi)銷為4個(gè)時(shí)鐘周期，緩沖不命中的開(kāi)銷為3個(gè)時(shí)鐘周期。假

設(shè)：命中率為92樂(lè)預(yù)測(cè)精度為90%,分支頻率為15%,沒(méi)有分支的基本CPI為

lo

(1)求程序執(zhí)行的CPI；

(2)相對(duì)于采用固定的2個(gè)時(shí)鐘周期延遲的分支處理，哪種措施程序執(zhí)行速度

更快？

78.程序局部性原理：實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表明：一個(gè)程序用90%的執(zhí)行時(shí)間去執(zhí)行僅占10%

的程序代碼。這一規(guī)律稱為程序訪存的局部性原理。

22：提高并行性的技術(shù)途徑有哪3種？各是如何實(shí)現(xiàn)提高并行性的？

答：(1)時(shí)間重疊：多個(gè)處沖過(guò)程在時(shí)間上相互錯(cuò)開(kāi)，輪流重疊地使用同

套硬件設(shè)備的各個(gè)部分，以加快硬件周轉(zhuǎn)而贏得速度。

(2)資源重復(fù)：根據(jù)“以數(shù)吊取勝”的原則.通過(guò)重復(fù)地設(shè)置資源，尤其

是硬件資源.以大幅度提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能。

(3)資源共享：這是種軟件方法,它使多個(gè)任務(wù)按定時(shí)間順件輪流使用

1、CISC計(jì)算機(jī)的主要特征有:

通用寄存器結(jié)構(gòu)、多周期執(zhí)行、尋址方式多、微程序控制器

2、RISC計(jì)算機(jī)主要特征有:

單周期執(zhí)行、尋址方式少、硬布線控制器、客存器數(shù)量多

2.模擬和仿真能在結(jié)構(gòu)不同的機(jī)器之間實(shí)現(xiàn)機(jī)器語(yǔ)言程序的移植.模擬是用機(jī)器語(yǔ)言程序

解科另?機(jī)器的機(jī)器指令實(shí)現(xiàn)軟件移植的方法。楨擬方法在機(jī)器指令系統(tǒng)差異比較大時(shí).會(huì)

使程序運(yùn)行速度嚴(yán)重卜降，仿真是用微程序直接解科另一機(jī)器的機(jī)器指令實(shí)現(xiàn)軟件移植的方

法。仿真可以提高被移植軟件運(yùn)行速度.但及其結(jié)構(gòu)差芹較大時(shí).很難實(shí)現(xiàn)。

區(qū)別是模擬用機(jī)俎語(yǔ)言冊(cè)群.其解糅件序在中存中：仿直用微郛序解程.其薪杼和序存

控制存儲(chǔ)器中。

4.CRAY.I機(jī)后動(dòng)存儲(chǔ)器、流水部件及寄存器寫入各語(yǔ)一拍?“加”6拍.“乘”7拍,“訪

存”6拍.現(xiàn)TT向量指令串：

V36存儲(chǔ)器

V4<-VO+V1

V2?-V4*V3

向量長(zhǎng)度均為N,計(jì)霓指令串最短的執(zhí)行時(shí)間。（給H；必要的步爨和說(shuō)明）

（I）三條指令串行執(zhí)行:

<2）前兩條并行執(zhí)行后，再執(zhí)行第三條指令；

《3）采用械接技術(shù)；

3.單獨(dú)流水：V36存儲(chǔ)器：I（啟動(dòng)訪存）+6（訪存）+1（打入V3）+N-i=7+N

V4RV0+V1：1（啟動(dòng)加）+6（加）+1（打入V4）+N-1=7+N

V2€V4?V3SI（后動(dòng)乘）+7（乘）+1（打入V2）+N-l=8+N

（I）（7+N）+<7+N）+（8+N）=22+3N（拍）

（2）（7+N）H8+N）=l5+2N（拍）

（3）（7+lH8+N）=16+N（拍）

七.一個(gè)具有32臺(tái)處理機(jī)的系統(tǒng)，對(duì)遠(yuǎn)程存儲(chǔ)器的訪問(wèn)時(shí)間是2000ns。

除了通信以外，假設(shè)計(jì)算中的訪問(wèn)均命中局部存儲(chǔ)器.當(dāng)發(fā)出一個(gè)遠(yuǎn)程請(qǐng)求時(shí),

本處理機(jī)掛起。處理機(jī)的時(shí)鐘周期時(shí)間是10ns,假設(shè)指令基本的CPI為1.0

（設(shè)所有訪存均命中Cache）。

求在沒(méi)有遠(yuǎn)程訪問(wèn)的狀態(tài)下，與有0.5%的指令需要遠(yuǎn)程訪問(wèn)的狀態(tài)下，

前者比后者快多少？

解:

已知遠(yuǎn)程訪問(wèn)率p=0.5%,遠(yuǎn)程訪問(wèn)時(shí)間t=2000ns.時(shí)鐘周期T=10ns

遠(yuǎn)程訪問(wèn)開(kāi)銷C-t/T-2000ns/l0ns200（時(shí)鐘周期數(shù)）

有0.5%遠(yuǎn)程訪仙的機(jī)器的實(shí)際CPI2為：

CPI2=CPIi+pXC=1.0+0.5%X200=2.0

只有局部訪問(wèn)的機(jī)器的基本CPI]=1.0

CPl2/CPIi=2.0/L0=2（倍）

因此，沒(méi)有遠(yuǎn)程訪問(wèn)狀態(tài)下的機(jī)器速度是有0.5%遠(yuǎn)程訪問(wèn)的機(jī)器速度的2

儕。

八.假設(shè)系統(tǒng)某一部件的處理速度加快9倍，但該部件的原處理時(shí)間僅為整個(gè)運(yùn)行

時(shí)間的45%,則采用加快措施后能使整個(gè)系統(tǒng)的性能提高多少？如果部件改進(jìn)后

獲得的加速比變?yōu)镾P=5.5,向改進(jìn)前的執(zhí)行時(shí)間占改進(jìn)后的百分比是多少？

<1）由題意可知，F(xiàn)c=0.45,Sc=9,代入公式：

=--------------------=---------=1.56

0.55+0.45/90.64

（2）根據(jù)題意有

Sp=-------------------=5.5

（l-Fc）+Fc/10

由此可得匕=91%

I?四.圖3.1所示為一個(gè)4段的流水線連接圖“

（1）設(shè)n=4,畫(huà)出它的流水線時(shí)空?qǐng)D。

（2）求流水線的P、Pm.、、S、E值。

At3AtAt&t

圖3.1流水線連接圖

圖3.2流水線時(shí)空?qǐng)D

(2)由時(shí)空?qǐng)D看出,n=4,Tk=ti5=15At

e

T0=n*kAt=4(1+1+3+1)△t=24At

S=%=竺2=1.6

Tk1幺］

時(shí)空?qǐng)D有效而積=3X(1XAtX4)+(lX3At)X4=24At

4個(gè)流水段所圍總面積=4Xt15=4X15At=60At

十七.設(shè)a為一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中n臺(tái)處理機(jī)可以同時(shí)執(zhí)行的程序代碼的百分比，

其余代碼必須用單臺(tái)處理機(jī)順序執(zhí)行。每臺(tái)處理機(jī)的執(zhí)行速率為xMIPS,并假設(shè)

所有處理機(jī)的處理能力相同。

(1)試用參數(shù)n、a、x推導(dǎo)出系統(tǒng)專門執(zhí)行該程序時(shí)的有效MIPS速率表達(dá)式。

(2)假設(shè)n=32,x=8MIPS,要求得到的系統(tǒng)性能為64MIPS,試求a值。

(1)設(shè)總指令數(shù)為m,并行代碼數(shù)為m(p),順序代碼數(shù)為m(s),則總執(zhí)

行時(shí)間T為：

m(P)上〃?($)

1=--------+---------

nxx

有效MIPS表達(dá)式為:

Tw(l-a)4-a

(2)由表達(dá)式(3.1),代入已知條件，求得a=0.96

三十三.浮點(diǎn)加法器流水線如圖所示。用此線性流水線計(jì)算8個(gè)浮點(diǎn)數(shù)的和，即Z

+

=?i+a2+a3+a4+a5+a6a7+a?=

(1)而出求8個(gè)數(shù)之和的流水線時(shí)空?qǐng)D；

(2)計(jì)算流水線的吞吐率、加速比和效率。

輸入一?|求階4—麗—[—數(shù)加>規(guī)格化|—?輸出

圖7.1

解：

為了避免數(shù)據(jù)相關(guān)，令A(yù)=ai+a2>B=a3+a4,C=a5+a6,D=a?+a8，將表達(dá)式做如

下變換：

Z=[(a]+a2)+(ar*~a4)]+[(a$+a6)+(27+畫(huà))]=[A+B]+[C+D]

小括號(hào)內(nèi)的4個(gè)加法操作之間沒(méi)有數(shù)據(jù)相關(guān)，可以連續(xù)輸入到流水線中。只要

前兩個(gè)加法的結(jié)果出來(lái)之后，第