計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)期末復(fù)習(xí)資料(同名506)

1、第一章電腦體系結(jié)構(gòu)的根本概念1. 層次結(jié)構(gòu)電腦系統(tǒng)可以按語言的功能劃分為多級(jí)層次結(jié)構(gòu)，每一層以不同的語 言為特征。第一級(jí)-微程序機(jī)器級(jí)。第二級(jí) 一機(jī)器語言。第三級(jí) 一操作系統(tǒng)虛擬機(jī)。第四級(jí) 一 匯編語言虛擬機(jī)。第五級(jí)一高級(jí)語言虛擬機(jī)。第六級(jí)一應(yīng)用語言虛擬機(jī)2. 體系結(jié)構(gòu)一一程序員所看到的電腦的屬性，即概念性結(jié)構(gòu)與功能特性。3. 透明性在電腦技術(shù)中，對(duì)本來存在的事物或?qū)傩裕瑥哪骋唤嵌葋砜从趾盟撇淮?在的概念稱為透明性。4. 系列機(jī)一一在一個(gè)廠家生產(chǎn)的具有相同的體系結(jié)構(gòu)，但具有不同的組成和實(shí)現(xiàn)的一 系列不同型號(hào)的機(jī)器。5. 軟件兼容同一個(gè)軟件可以不加修改地運(yùn)行于體系結(jié)構(gòu)相同的各檔機(jī)器上，而且 它們

2、所獲得的結(jié)果一樣，差異只在于運(yùn)行的時(shí)間不同。6. 兼容機(jī)不同廠家生產(chǎn)的、具有相同體系結(jié)構(gòu)的電腦。7. 電腦組成電腦體系結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)。8. 電腦實(shí)現(xiàn)一一電腦組成的物理實(shí)現(xiàn)。9. 存儲(chǔ)程序電腦馮諾依曼結(jié)構(gòu)一一采用存儲(chǔ)程序原理，將程序和數(shù)據(jù)存放在同 一存儲(chǔ)器中。指令在存儲(chǔ)器中按其執(zhí)行順序存儲(chǔ)，由指令計(jì)數(shù)器指明每條指令所在 的單元地址。10. 并行性一一在同一時(shí)刻或同一時(shí)間間隔內(nèi)完成兩種或兩種以上性質(zhì)相同或不同的工 作。11. 響應(yīng)時(shí)間一一從事件開始到結(jié)束之間的時(shí)間，也稱執(zhí)行時(shí)間。12. 測(cè)試程序一一用于測(cè)試電腦性能的程序，可分為四類：真實(shí)程序、核心程序、小測(cè) 試程序、合成測(cè)試程序。13. 測(cè)試程序

3、組件一一選擇一個(gè)各個(gè)方面有代表性的測(cè)試程序，組成一個(gè)通用的測(cè)試程 序集合。這個(gè)通用的測(cè)試程序集合稱為測(cè)試程序組件。14. 大概率事件優(yōu)先一一此原那么是電腦體系結(jié)構(gòu)中最重要和最常用的原那么。對(duì)于大概率 事件最常見的事件，賦予它優(yōu)先的處理權(quán)和資源使用權(quán)，以獲得全局的最優(yōu)結(jié) 果。15. 系統(tǒng)加速比一一系統(tǒng)改進(jìn)前與改進(jìn)后總執(zhí)行時(shí)間之比。16. Amdahl定律一一加快某部件執(zhí)行速度所獲得的系統(tǒng)性能加速比，受限于該部件在系統(tǒng)中的所占的重要性。17. 程序的局部性原理一一程序在執(zhí)行時(shí)所訪問的地址不是隨機(jī)的，而是相對(duì)簇聚；這 種簇聚包括指令和數(shù)據(jù)兩局部。18. CPI指令時(shí)鐘數(shù)Cycles per Inst

4、ruction。1.4對(duì)于一臺(tái)400MHz電腦執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試程序，程序中指令類型，執(zhí)行數(shù)量和平均時(shí)鐘周 期數(shù)如下：指令類型指令執(zhí)行數(shù)量平均時(shí)鐘周期數(shù)整數(shù)450001數(shù)據(jù)傳送750002浮點(diǎn)80004分支15002求該電腦的有效CPI、MIPS和程序執(zhí)行時(shí)間。解：CPI (ICj CPIJ/ICCPI1.77645000 1 75000 2 8000 4 1500 2129500MIPS速率CPI 106400 1061.776 106225.225MIPS程序執(zhí)行時(shí)間=45000 175000 2 8000 4 1500 2/ 400=575 s1.5電腦系統(tǒng)有三個(gè)部件可以改進(jìn)，這三個(gè)部件的加速

5、比方下：部件加速比1 = 30;部件加速比2 = 20;部件加速比3= 10;(1) 如果部件1和部件2的可改進(jìn)比例為30%，那么當(dāng)部件 3的可改進(jìn)比例為多少時(shí),系統(tǒng)的加速比才可以到達(dá) 10 ?(2) 如果三個(gè)部件的可改進(jìn)比例為30%、30%和20%，三個(gè)部件同時(shí)改進(jìn)，那么系統(tǒng)中不可加速局部的執(zhí)行時(shí)間在總執(zhí)行時(shí)間中占的比例是多少？解：在多個(gè)部件可改進(jìn)情況下Amdahl定理的擴(kuò)展：TeTo (1 fe) 1f" (1 ifi) it式中，fi為可加速部件i在未優(yōu)化系統(tǒng)中所占的比例;Si是部件i的加速比。1 (f1 f2f3)1f2f31101(0.3 0.3 f3)0.3 0.3 _f

6、33020 30f3 竺 0.361801 (0.30.3 0.2)T0.3T0.3T0.2T十0.2T3020100.20.30.30.20.23020100.20.60.91.2126060606014.70.82CISC復(fù)雜指令集電腦。RISC精簡(jiǎn)指令集電腦。第三章流水線技術(shù)1. 流水線一一將一個(gè)重復(fù)的時(shí)序過程，分解為假設(shè)干個(gè)子過程，而每一個(gè)子過程都可有效地在其專用功能段上與其他子過程同時(shí)執(zhí)行。2. 單功能流水線 只能完成一種固定功能的流水線。3. 多功能流水線 一一流水線的各段可以進(jìn)行不同的連接，從而使流水線在不同的時(shí)間，或者在同一時(shí)間完成不同的功能。4. 靜態(tài)流水線 同一時(shí)間內(nèi)，流水

7、線的各段只能按同一種功能的連接方式工作。5. 動(dòng)態(tài)流水線一一同一時(shí)間內(nèi)，當(dāng)某些段正在實(shí)現(xiàn)某種運(yùn)算時(shí)，另一些段卻在實(shí)現(xiàn)另一種 運(yùn)算。6. 部件級(jí)流水線運(yùn)算操作流水線把處理機(jī)的算術(shù)邏輯部件分段，以便為各種數(shù)據(jù)類型進(jìn)行流水操作。7. 處理機(jī)級(jí)流水線一一指令流水線把解釋指令的過程按照流水方式處理。8. 處理機(jī)間流水線 一一宏流水線由兩個(gè)以上的處理機(jī)串行地對(duì)同一數(shù)據(jù)流進(jìn)行處理， 每一個(gè)處理機(jī)完成一項(xiàng)任務(wù)。9. 線性流水線一一指流水線的各段串行連接，沒有反應(yīng)回路。10. 非線性流水線一一指流水線中除有串行連接的通路外，還有反應(yīng)回路。11. 標(biāo)量流水處理機(jī) 處理機(jī)不具有向量數(shù)據(jù)表示，僅對(duì)標(biāo)量數(shù)據(jù)進(jìn)行流水處理

8、。12. 向量流水處理機(jī)處理機(jī)具有向量數(shù)據(jù)表示，并通過向量指令對(duì)向量的各元素進(jìn)行處理。13. 結(jié)構(gòu)相關(guān)一一某些指令組合在流水線中重疊執(zhí)行時(shí)，發(fā)生資源沖突，那么稱該流水線有結(jié)構(gòu)相關(guān)。14. 數(shù)據(jù)相關(guān)一一當(dāng)指令在流水線中重疊執(zhí)行時(shí)，流水線有可能改變指令讀/寫操作的順序，使得讀/寫操作順序不同于它們非流水實(shí)現(xiàn)時(shí)的順序，將導(dǎo)致數(shù)據(jù)相關(guān)。15. 定向?qū)⒂?jì)算結(jié)果從其產(chǎn)生的地方直接送到其他指令需要它的地方，或所有需要它的功能單元，防止暫停。16. RAW 兩條指令i，j，i在j前進(jìn)入流水線，j執(zhí)行要用到i的結(jié)果，但當(dāng)其在流水線 中重疊執(zhí)行時(shí)，j可能在i寫入其結(jié)果之前就先行對(duì)保存該結(jié)果的存放器進(jìn)行讀操作， 得

9、到錯(cuò)誤值。17. WAW 兩條指令i, j，i在j前進(jìn)入流水線，j、i的操作數(shù)一樣，在流水線中重疊執(zhí) 行時(shí)，j可能在i寫入其結(jié)果之前就先行對(duì)保存該結(jié)果的存放器進(jìn)行寫操作，導(dǎo)致寫錯(cuò)誤。18. WAR 兩條指令i, j，i在j前進(jìn)入流水線，j可能在i讀某個(gè)存放器之前對(duì)該存放器 進(jìn)行寫操作，導(dǎo)致i讀出數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。3.9有一條流水線如下所示。入 *1*2*3450ns50ns100 ns200ns(1)求連續(xù)輸入10條指令，該流水線的實(shí)際吞吐率和效率;(2)該流水線的瓶頸在哪一段？請(qǐng)采取三種不同的措施消除此“瓶頸。對(duì)于你所給 出的新流水線，計(jì)算連續(xù)輸入10條指令時(shí)，其實(shí)際吞吐率和效率。mT pipeli

10、netii 1(n 1)tmax解：1(50501002200( ns)200)9 200ns 1) ETPT pipelineTPmtii 14005TP45.45%411段。50ns50ns50ns50ns50ns50nsm2瓶頸在3、4變成八級(jí) 流水線細(xì)分T pipeli neti(n1)tmax50 850TPnsnT pipeli ne1)850( ns)tiTP400101758.82%變成兩級(jí)流水線合并T pipeline200ns200nsti (n1)fm ax2002200( ns)200TPT pipeline1220(ns )mti40010 n/ETP i 1TP90

11、.91%m211重復(fù)設(shè)置部件TP如果流水線有 m段，各段的處理時(shí)間分別是 ti i=1 , 2,，m，現(xiàn)在有n個(gè)任務(wù)需要 完成，且每個(gè)任務(wù)均需流水線各段實(shí)現(xiàn)，請(qǐng)計(jì)算：(1) 流水線完成這n個(gè)任務(wù)所需要的時(shí)間；n個(gè)任務(wù)流水實(shí)現(xiàn)的加速比是多少？加速比的峰值是多(2) 和非流水線實(shí)現(xiàn)相比，這 少？解：1T pipelineti(n 1)tmaxT nopipelinemtii 1SpeedupT n opipeli neT pipeli ne(n 1) tmaxSpeedupmax mn(n m,Speedup m)1(tit0)第五章存儲(chǔ)層次1. 存儲(chǔ)層次一一采用不同的技術(shù)實(shí)現(xiàn)的存儲(chǔ)器， 達(dá)離CP

12、U最近的存儲(chǔ)器的速度，最遠(yuǎn)的存儲(chǔ)器的容量。2. 全相聯(lián)映象一一主存中的任一塊可以被放置到3. 直接映象主存中的每一塊只能被放置到4. 組相聯(lián)映象主存中的每一塊可以放置到 分成假設(shè)干組，每組由假設(shè)干塊構(gòu)成。5. 替換算法一一由于主存中的塊比Cache中的塊多，所以當(dāng)要從主存中調(diào)一個(gè)塊到處在離CPU不同距離的層次上,Cache中任意一個(gè)地方。Cache中唯一的一個(gè)地方。Cache中唯一的一組中任何一個(gè)地方目標(biāo)是到CacheCache中時(shí)，會(huì)出現(xiàn)該塊所映象到的一組或一個(gè)Cache塊已全部被占用的情況。這時(shí)，需要被迫騰出其中的某一塊，以接納新調(diào)入的塊。6. LRU 選擇最近最少被訪問的塊作為被替換的塊

13、。實(shí)際實(shí)現(xiàn)都是選擇最久沒有被訪問 的塊作為被替換的塊。7寫直達(dá)法在執(zhí)行寫操作時(shí)，不僅把信息寫入Cache 中相應(yīng)的塊，而且也寫入下一級(jí)存儲(chǔ)器中相應(yīng)的塊。&寫回法一一只把信息寫入 Cache中相應(yīng)塊，該塊只有被替換時(shí)，才被寫回主存。9.按寫分配法一一寫失效時(shí)，先把所寫單元所在的塊調(diào)入Cache，然后再進(jìn)行寫入。10不按寫分配法寫失效時(shí)，直接寫入下一級(jí)存儲(chǔ)器中，而不把相應(yīng)的塊調(diào)入Cache。11. 命中時(shí)間訪問 Cache 命中時(shí)所用的時(shí)間。12. 失效率 CPU 訪存時(shí)，在一級(jí)存儲(chǔ)器中找不到所需信息的概率。13. 失效開銷 CPU 向二級(jí)存儲(chǔ)器發(fā)出訪問請(qǐng)求到把這個(gè)數(shù)據(jù)調(diào)入一級(jí)存儲(chǔ)器所需

14、的時(shí)間。14. 強(qiáng)制性失效一一當(dāng)?shù)谝淮卧L問一個(gè)塊時(shí)，該塊不在Cache中，需要從下一級(jí)存儲(chǔ)器中調(diào)入Cache，這就是強(qiáng)制性失效。15. 容量失效一一如果程序在執(zhí)行時(shí)，所需要的塊不能全部調(diào)入Cache中，那么當(dāng)某些塊被替換后又重新被訪問，就會(huì)產(chǎn)生失效，這種失效就稱作容量失效。16. 沖突失效一一在組相聯(lián)或直接映象Cache中，假設(shè)太多的塊映象到同一組塊中，那么會(huì)出現(xiàn)該組中某個(gè)塊被別的塊替換即使別的組或塊有空閑位置，然后又被重新訪 問的情況。17. 2： 1Cache 經(jīng)驗(yàn)規(guī)那么大小為 N 的直接映象 Cache 的失效率約等于大小為 N /2 的兩路組相聯(lián) Cache 的實(shí)效率。18. 相聯(lián)度在

15、組相聯(lián)中，每組Cache中的塊數(shù)。19. Victim Cache位于Cache和存儲(chǔ)器之間的又一級(jí) Cache,容量小，采用全相聯(lián)策略。用于存放由于失效而被丟棄替換的那些塊。每當(dāng)失效發(fā)生時(shí)，在訪問下一級(jí) 存儲(chǔ)器之前，先檢查 Victim Cache 中是否含有所需塊。20. 偽相聯(lián)Cache一種既能獲得多路組相聯(lián)Cache的低失效率，又能獲得直接映象Cache的命中速度的相聯(lián)方法。 降低 Cache 失效率有哪幾種方法？簡(jiǎn)述其根本思想。常用的降低Cache失效率的方法有下面幾種：(1)增加Cache塊大小。增加塊大小利用了程序的空間局部性。( 2)提高相聯(lián)度，降低沖突失效。( 3) Vict

16、im Cache ，降低沖突失效。(4)偽相聯(lián)Cache,降低沖突失效。( 5)硬件預(yù)取技術(shù)，指令和數(shù)據(jù)都可以在處理器提出訪問請(qǐng)求前進(jìn)行預(yù)取。( 6)由編譯器控制的預(yù)取,硬件預(yù)取的替代方法,在編譯時(shí)參加預(yù)取的指令,在數(shù)據(jù) 被用到之前發(fā)出預(yù)取請(qǐng)求。( 7)編譯器優(yōu)化,通過對(duì)軟件的優(yōu)化來降低失效率。給定以下的假設(shè)，試計(jì)算直接映象Cache和兩路組相聯(lián)Cache的平均訪問時(shí)間以及 CPU的性能。由計(jì)算結(jié)果能得出什么結(jié)論？(1) 理想Cache情況下的CPI為2.0,時(shí)鐘周期為2ns,平均每條指令訪存 1.2次；(2) 兩者Cache容量均為64KB，塊大小都是32字節(jié)；(3) 組相聯(lián)Cache中的多

17、路選擇器使 CPU的時(shí)鐘周期增加了 10%;(4) 這兩種Cache的失效開銷都是 80ns;(5) 命中時(shí)間為 1 個(gè)時(shí)鐘周期；(6) 64KB直接映象Cache的失效率為1.4%,64KB兩路組相聯(lián)Cache的失效率為1.0%。解：平均訪問時(shí)間=命中時(shí)間+失效率X失效開銷平均訪問時(shí)間1-路平均訪問時(shí)間2-路兩路組相聯(lián)的平均訪問時(shí)間比擬低CPUtme= CPU執(zhí)行+存儲(chǔ)等待周期*時(shí)鐘周期CPU time = IC CPI執(zhí)行+總失效次數(shù)/指令總數(shù)*失效開銷*時(shí)鐘周期=ICCPI執(zhí)行*時(shí)鐘周期+每條指令的訪存次數(shù)*失效率*失效開銷*時(shí)鐘周期CPU time 1-way = IC(2.0*2+1

18、.2*0.014*80)=CPU time 2-way = IC(2.2*2+1.2*0.01*80)=相對(duì)性能比：CPUtime 2wayCPUtime 1way直接映象cache的訪問速度比兩路組相聯(lián)cache要快倍，而兩路組相聯(lián)Cache的平均性能比直接映象 cache要高倍。因此這里選擇兩路組相聯(lián)。偽相聯(lián)中，假設(shè)在直接映象位置沒有發(fā)現(xiàn)匹配，而在另一個(gè)位置才找到數(shù)據(jù)偽命中時(shí)，需要1個(gè)額外的周期，而且不交換兩個(gè)Cache中的數(shù)據(jù)，失效開銷為 50個(gè)時(shí)鐘周期。試求：(1) 推導(dǎo)出平均訪存的時(shí)間公式。(2) 利用1中得到的公式，對(duì)于2KBCache和128KBCache，重新計(jì)算偽相聯(lián)的平 均訪存時(shí)間。請(qǐng)問哪一種偽相聯(lián)更快？假設(shè)2KB直接映象Cache的總失效率為 0.098, 2路相聯(lián)的總失效率為 0.076;128KB直接映象Cache的總失效率為 0.010, 2路相聯(lián)的總失效率為 0.007。解：不管作了何種改進(jìn)，失效開銷相同。不管是否交換內(nèi)容，在同一“偽相聯(lián)組中的兩塊 都是用同一個(gè)索引得到的，因此失效率相同，即：失效率 偽相聯(lián)=失效率2路。偽相聯(lián)cache的命中時(shí)間等