系統(tǒng)結構期末復習

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上一、名詞解釋（6題，每題5分）1、ISA：指令集體系結構，是在最底層把硬件結構抽象出來供軟件編程控制的，指令集解決了最基本的軟件兼容性問題。2、MicroArchitecture：微體系結構，是一款節(jié)能的新型微架構，設計的出發(fā)點是提供卓然出眾的性能和能效，提高每瓦特性能，也就是所謂的能效比。3、資源沖突：當功能部件資源不夠用時，容易產(chǎn)生沖突。4、數(shù)據(jù)沖突：當指令指令重疊執(zhí)行時，需要前面指令的執(zhí)行結果。 5、控制沖突：由分支指令或者能夠改變PC值得指令所產(chǎn)生的沖突。6、Amdahl定律：加快某部件執(zhí)行速度所獲得的系統(tǒng)性能加速比，受限于該部件的執(zhí)行時間占總執(zhí)行時間的百分比

2、。7、加速比：反映了改進后的機器速度比改進前快了多少倍。8、非馮·諾依曼計算機：馮·諾依曼計算機采用哈佛結構的計算機，將數(shù)據(jù)和指令分開存取，取數(shù)據(jù)和指令可以同時存取，有利于流水線工作，脫離了馮·諾依曼結構原有模式的計算機。9、靜態(tài)和動態(tài)流水線：按照同一時間段內(nèi)各段之間的連接方式對多功能流水線進一步分類，靜態(tài)既是只能按照同一種功能的連接方式工作；動態(tài)既是各段可以按照不同的連接方式連接，同時執(zhí)行多種功能。10、鎖存技術：檢測發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突，并使流水線停頓，直至沖突消失11、寄存器更名技術：對于寄存器操作數(shù)進行換名技術。12、定向技術：解決raw沖突，盡可能的將結果數(shù)據(jù)從

3、其產(chǎn)生的地方直接傳送到所有需要該結果的功能部件。13、ROB技術（re-order-buffer ）：是為前瞻執(zhí)行而設置的，它在指令操作完成后到指令被確認這段時間，為指令保存數(shù)據(jù)。14、分支歷史表：也被稱為分支預測緩沖器，用于記錄分支指令最近一次或幾次的執(zhí)行情況。15、超標量機：在每個時鐘周期流出的指令條數(shù)不固定，以代碼具體情況而定，不過有上限的處理機。16、向量機：流水線處理機設置有向量數(shù)據(jù)表示和相關的向量指令的處理機。17、時間局部性和空間局部性：時間局部性：在一個存儲項被訪問時，則該存儲項可能很快再次被訪問空間局部性：在一個存儲項被訪問時，則該存儲項及相鄰項很可能很快一起被訪問18、數(shù)組

4、合并技術、內(nèi)外循環(huán)交換技術、循環(huán)融合技術數(shù)組合并技術：通過提高空間局部性來減少失效次數(shù)，將相互獨立的數(shù)組合并成為一個復合數(shù)組，使得一個Cache塊中能包含全部所需的元素。內(nèi)外循環(huán)交換技術：也是通過提高空間局部性來減少失效次數(shù)，在含有嵌套循環(huán)，程序沒有按照數(shù)據(jù)在存儲器中存儲的順序進行訪問，重新排列訪問順序使得在一個Cache塊被替換之前，能最大限度得利用塊中的數(shù)據(jù)。循環(huán)融合技術：通過改進時間局部性來減少失效次數(shù)，程序含有幾部分獨立的程序段，它們用相同的循環(huán)訪問同樣的數(shù)組，對相同的數(shù)據(jù)做不同的運算，通過將它們?nèi)诤蠟閱我坏难h(huán)，能使讀入Cache的數(shù)據(jù)在被替換出去之前，得到反復的使用。19、平均訪存

5、時間（AMAT）：評測存儲系統(tǒng)性能的指標，平均訪存時間=命中時間+失效率X失效開銷20、強制失效、容量失效、沖突失效：強制失效（冷啟動失效/首次訪問失效）：當?shù)谝淮卧L問一個塊時，該塊不在Cache中，須從下一級存儲器中調(diào)入Cache容量失效：如果程序執(zhí)行時所需的塊不能全部調(diào)入Cache中，則當某些塊被替換后，若又重新被訪問，就會發(fā)生失效沖突失效（碰撞失效/干擾失效）：在組相聯(lián)或直接映像Cache中，若太多的塊映像到同一組（塊）中，則會出現(xiàn)該組中某個塊被別的塊替換，然后又被重新訪問的情況。21、全相聯(lián)、直接映像、組相聯(lián)全相聯(lián)：指主存中的任一塊可以被放置到Cache中的任意一個位置直接映像：指主存

6、中的每一塊只能被放置到Cache中唯一的一個位置組相聯(lián)：指主存中的每一塊可以被放置到Cache中固定的一個組中的任何一個位置 22、非阻塞CACHE技術：可以把CPU性能提高很多的技術，因為在這種Cache下 即使失效時仍然允許CPU進行其他的命中訪問。23、TLB（傳輸后備緩沖器）：一個內(nèi)存管理單元用于改進虛擬地址到物理地址轉(zhuǎn)換速度的緩存23、平均CPI ：每條指令的平均時鐘周期24、SIMD：單指令流多數(shù)據(jù)流水線的計算機系統(tǒng)結構25、亂序發(fā)射：CPU允許將多條指令不按程序規(guī)定的順序分開發(fā)送給各相應電路單元處理的技術二、簡答題（4題，每題8分）1、對相關性的處理通常有兩種方式有兩種方式：靜態(tài)

7、方式和動態(tài)；說明這兩種方式，并分別舉出2種實現(xiàn)方式。靜態(tài)流水線 當執(zhí)行某一規(guī)定功能的指令全部流出后，才允許改變部件間連接的流水線。動態(tài)流水線 沒有這種時間上的限制，可以在任何時候根據(jù)需要改變其連接。2、tomasulo采取了什么方法避免名相關和數(shù)據(jù)相關。通過寄存器換名來消除WAR沖突和WAW沖突3、給出一段有相關性的指令，分析相關性、請重新設計指令順序（編譯器方式），消除相關性1、add R3,R1,R2 2、add R4,R3,R2 3、add R4,R1,R5 4、計算機系統(tǒng)結構、計算機組成和計算機實現(xiàn)的概念與關系。計算機系統(tǒng)結構：就是程序設計者所看到的計算機的基本屬性，即概念性結構與功能

8、特性。計算機組成： 計算機系統(tǒng)結構的邏輯實現(xiàn)。即根據(jù)計算機系統(tǒng)結構所制訂的功能，從邏輯上完成計算機的設計。這里包括各部件的邏輯實現(xiàn)，部件之間的互相連接以及物理機器級中的數(shù)據(jù)流和控制流的組成以及邏輯設計等。計算機實現(xiàn)： 計算機組成的物理實現(xiàn)。包括處理機、主存等部件的物理結構，器件的集成度和速度，模塊、插件、底板的劃分與連接，信號傳輸，電源、冷卻及整機裝配技術等。5、論述RISC與的CISC技術；討論RISC從哪些方面提高了指令的執(zhí)行效率，并舉例說明。1. RISC的特點：1）精簡指令系統(tǒng)及其結構，僅保留使用頻率高的指令。2）不設（或盡量少用）微程序控制器，由硬連邏輯直接譯碼。3）使用大量的通用寄

9、存器。4）由于精簡指令系統(tǒng)一般是由頻率高的簡單指令組成。易于實現(xiàn)優(yōu)化編譯和流水線技術類型指令條數(shù)I指令平均周期數(shù)CPI周期時間TCISC12-1533ns-5nsRISC1.3-1.41.1-1.410ns-2ns綜合3個因素，RISC的運算速度要比CISC快約3倍。其中的關鍵是CPI的下降。6、簡要畫出DLX多周期（經(jīng)典5段流水）流水線的數(shù)據(jù)通路圖；說明load和store在每個周期的表現(xiàn)。 load指令 訪存有效地址：Regsrsimmediate 從存儲器取來的數(shù)據(jù)放入寄存器rt store指令 訪存有效地址：Regsrsimmediate 要存入存儲器的數(shù)據(jù)放在寄存器rt中7、流水線沖

10、突有哪三種？請簡述每種流水線沖突。結構沖突 指多條指令進入流水線后，在同一時間爭用同一功能部件，從而發(fā)生沖突數(shù)據(jù)沖突 指由于流水線中各指令重疊執(zhí)行，使得原來對操作數(shù)的訪問順序發(fā)生變化，從而引起的一種數(shù)據(jù)沖突控制沖突流水線遇到分支指令（轉(zhuǎn)移指令）和其他會改變PC值的指令所引起的沖突。8、如果某計算機系統(tǒng)有3 個部件可以同時改進，則這3 個部件經(jīng)改進后達到的加速比分別為：S1=30, S2=20, S3=10。如果部件1 和部件2 改進前的執(zhí)行時間占整個系統(tǒng)執(zhí)行時間的比例都為30%，那么，部件3 改進前的執(zhí)行時間占整個系統(tǒng)執(zhí)行時間的比例為多少，才能使3 個部件都改進后的整個系統(tǒng)的加速比Sn 達到1

11、0？9、GPU采用了哪種處理器設計方式作為原型，請簡述并畫出這種處理器的體系結構原理圖。10、名相關和數(shù)據(jù)相關會產(chǎn)生寫讀沖突、讀寫沖突、寫寫沖突。簡述這三種沖突，并舉例說明是如何造成了。1) RAW（讀超前于寫）:原程序要求對同一單元進行先寫后讀的操作，可能因為非按序執(zhí)行成為先讀后寫，造成出錯。2）WAR（寫超前于讀） 原程序要求對同一單元進行先讀后寫的操作，可能因為非按序執(zhí)行成為先寫后讀，造成出錯。3）WAW（寫后寫） 原程序中如果兩條指令都要對同一單元進行寫數(shù)操作，可能因為非按序執(zhí)行的原因，改變了兩條指令寫入的次序。11、層次化存儲系統(tǒng)存在的理論依據(jù)是什么？簡要闡述這個依據(jù)中的原理。12、

12、寫出平均訪存時間的公式，從公式的三個變量出發(fā)，分別舉出一個優(yōu)化（減少）平均訪存時間的技術方案。平均訪存時間=命中時間+失效率X失效開銷13、CACHE的地址映像規(guī)則有三種：全相聯(lián)、直接映像與組相聯(lián)。闡述這三種規(guī)則，并用圖示法說明三種規(guī)則的有缺點。全相聯(lián)映象方式主存儲器中的任意一塊可以映象到Cache中的任意一塊上。優(yōu)點：塊沖突小，控制簡單，Cache的利用率高。缺點：需相聯(lián)存儲器。直接映象方式優(yōu)點：硬件實現(xiàn)簡單，不需相聯(lián)存儲器，并且只需比較區(qū)號，速度較快。缺點：塊的沖突率較高。組相聯(lián)映象方式優(yōu)點：塊的沖突率大大降低，塊的利用率大大提高，并且實現(xiàn)比全相聯(lián)方式容易。14、有一個Cache存儲器，主

13、存有8塊(0-7)，Cache有4塊(0-3)，采用組相聯(lián)映像，組內(nèi)塊數(shù)為2塊，每塊大小為16個字節(jié)。某程序運行時，要訪存主存地址（二進制）為的字節(jié)，則訪問Cache的哪一塊 ？3三 綜合題（4題 38分，） 1、計算機運行以下指令：線性多功能靜態(tài)流水線，輸入任務是不連續(xù)的情況，計算流水線的吞吐率、加速比和效率。用TIASC計算機的多功能靜態(tài)流水線計算兩個向量的點積：ZABCDEFGH 、2、一條有4個流水段的非線性流水線，每一段的延遲時間相等，預約表如下：（1）寫出禁止向量和沖突向量F=(2,4,6)（2）畫出調(diào)度狀態(tài)圖（3）求出最大吞吐量（4）按最優(yōu)調(diào)度連續(xù)輸入8個任務，實際吞吐量 加速比

14、和效率各為多少3、超標量機的相關性問題以及調(diào)度計算機運行以下指令： I1：LOAD R1, A ；R1(A) I2：FADD R2, R1 ；R2(R2)(R1) I3：FMUL R3, R4 ；R3(R3)×(R4) I4：FADD R4, R5 ；R4(R4)(R5) I5：DEC R6 ；R6(R6)1 I6：FMUL R6, R7 ；R6(R6)×(R7)（1） 請列出程序代碼中可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)相關及相關類型。I1：LOAD R1, A ；R1(A)I2：FADD R2, R1 ；R2(R2)(R1)數(shù)據(jù)相關 I3：FMUL R3, R4 ；R3(R3)×(R4) I4：FADD R4, R5 ；R4(R4)(R5)反相關 I5：DEC R6 ；R6(R6)1 I6：FMUL R6, R7 ；R6(R6)×(R7)輸出相關（2）當程序通過下圖的雙發(fā)射超標量機時，請采用順序發(fā)射亂序完成的方式畫出指令流水時空圖。(流水線沒有使用定向技術。)4、CACHE映像算法有一個Cache存儲器，主存有8塊(0-7)，Cache有4塊(0-3)，采用組相聯(lián)映像，組內(nèi)塊數(shù)為2塊。采用LRU（近期最久未使用）替