《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)(張晨曦)》課后習(xí)題答案

第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念1.1解釋下列術(shù)語層次機(jī)構(gòu)：按照計(jì)算機(jī)語言從低級(jí)到高級(jí)的次序，把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)按功能劃分成多級(jí)層次結(jié)構(gòu)，每一層以一種不同的語言為特征。這些層次依次為：微程序機(jī)器級(jí)，傳統(tǒng)機(jī)器語言機(jī)器級(jí)，匯編語言機(jī)器級(jí)，高級(jí)語言機(jī)器級(jí)，應(yīng)用語言機(jī)器級(jí)等。虛擬機(jī)：用軟件實(shí)現(xiàn)的機(jī)器。翻譯：先用轉(zhuǎn)換程序把高一級(jí)機(jī)器上的程序轉(zhuǎn)換為低一級(jí)機(jī)器上等效的程序，然后再在這低一級(jí)機(jī)器上運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)程序的功能。解釋：對(duì)于高一級(jí)機(jī)器上的程序中的每一條語句或指令，都是轉(zhuǎn)去執(zhí)行低一級(jí)機(jī)器上的一段等效程序。執(zhí)行完后，再去高一級(jí)機(jī)器取下一條語句或指令，再進(jìn)行解釋執(zhí)行，如此反復(fù)，直到解釋執(zhí)行完整個(gè)程序。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：傳統(tǒng)機(jī)器程序員所看到的計(jì)算機(jī)屬性，即概念性結(jié)構(gòu)與功能特性。透明性：在計(jì)算機(jī)技術(shù)中，把這種本來存在的事物或?qū)傩?，但從某種角度看又好像不存在的概念稱為透明性。計(jì)算機(jī)組成：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)，包含物理機(jī)器級(jí)中的數(shù)據(jù)流和控制流的組成以及邏輯設(shè)計(jì)等。計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)：計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)，包括處理機(jī)、主存等部件的物理結(jié)構(gòu)，器件的集成度和速度，模塊、插件、底板的劃分與連接，信號(hào)傳輸，電源、冷卻及整機(jī)裝配技術(shù)等。系統(tǒng)加速比：對(duì)系統(tǒng)中某部分進(jìn)行改進(jìn)時(shí)，改進(jìn)后系統(tǒng)性能提高的倍數(shù)。Amdahl定律：當(dāng)對(duì)一個(gè)系統(tǒng)中的某個(gè)部件進(jìn)行改進(jìn)后，所能獲得的整個(gè)系統(tǒng)性能的提高，受限于該部件的執(zhí)行時(shí)間占總執(zhí)行時(shí)間的百分比。程序的局部性原理：程序執(zhí)行時(shí)所訪問的存儲(chǔ)器地址不是隨機(jī)分布的，而是相對(duì)地簇聚。包括時(shí)間局部性和空間局部性。CPI：每條指令執(zhí)行的平均時(shí)鐘周期數(shù)。測(cè)試程序套件：由各種不同的真實(shí)應(yīng)用程序構(gòu)成的一組測(cè)試程序，用來測(cè)試計(jì)算機(jī)在各個(gè)方面的處理性能。存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)：馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)。其基本點(diǎn)是指令驅(qū)動(dòng)。程序預(yù)先存放在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中，機(jī)器一旦啟動(dòng)，就能按照程序指定的邏輯順序執(zhí)行這些程序，自動(dòng)完成由程序所描述的處理工作。系列機(jī)：由同一廠家生產(chǎn)的具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、但具有不同組成和實(shí)現(xiàn)的一系列不同型號(hào)的計(jì)算機(jī)。軟件兼容：一個(gè)軟件可以不經(jīng)修改或者只需少量修改就可以由一臺(tái)計(jì)算機(jī)移植到另一臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。差別只是執(zhí)行時(shí)間的不同。向上（下）兼容：按某檔計(jì)算機(jī)編制的程序，不加修改就能運(yùn)行于比它高（低）檔的計(jì)算機(jī)。向后（前）兼容：按某個(gè)時(shí)期投入市場(chǎng)的某種型號(hào)計(jì)算機(jī)編制的程序，不加修改地就能運(yùn)行于在它之后（前）投入市場(chǎng)的計(jì)算機(jī)。兼容機(jī)：由不同公司廠家生產(chǎn)的具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)。模擬：用軟件的方法在一臺(tái)現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)（稱為宿主機(jī)）上實(shí)現(xiàn)另一臺(tái)計(jì)算機(jī)（稱為虛擬機(jī)）的指令系統(tǒng)。仿真：用一臺(tái)現(xiàn)有計(jì)算機(jī)（稱為宿主機(jī)）上的微程序去解釋實(shí)現(xiàn)另一臺(tái)計(jì)算機(jī)（稱為目標(biāo)機(jī)）的指令系統(tǒng)。并行性：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在同一時(shí)刻或者同一時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行多種運(yùn)算或操作。只要在時(shí)間上相互重疊，就存在并行性。它包括同時(shí)性與并發(fā)性兩種含義。時(shí)間重疊：在并行性概念中引入時(shí)間因素，讓多個(gè)處理過程在時(shí)間上相互錯(cuò)開，輪流重疊地使用同一套硬件設(shè)備的各個(gè)部分，以加快硬件周轉(zhuǎn)而贏得速度。資源重復(fù)：在并行性概念中引入空間因素，以數(shù)量取勝。通過重復(fù)設(shè)置硬件資源，大幅度地提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能。資源共享：這是一種軟件方法，它使多個(gè)任務(wù)按一定時(shí)間順序輪流使用同一套硬件設(shè)備。耦合度：反映多機(jī)系統(tǒng)中各計(jì)算機(jī)之間物理連接的緊密程度和交互作用能力的強(qiáng)弱。緊密耦合系統(tǒng)：又稱直接耦合系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)之間的物理連接的頻帶較高，一般是通過總線或高速開關(guān)互連，可以共享主存。松散耦合系統(tǒng)：又稱間接耦合系統(tǒng)，一般是通過通道或通信線路實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)之間的互連，可以共享外存設(shè)備（磁盤、磁帶等）。計(jì)算機(jī)之間的相互作用是在文件或數(shù)據(jù)集一級(jí)上進(jìn)行。異構(gòu)型多處理機(jī)系統(tǒng)：由多個(gè)不同類型、至少擔(dān)負(fù)不同功能的處理機(jī)組成，它們按照作業(yè)要求的順序，利用時(shí)間重疊原理，依次對(duì)它們的多個(gè)任務(wù)進(jìn)行加工，各自完成規(guī)定的功能動(dòng)作。同構(gòu)型多處理機(jī)系統(tǒng)：由多個(gè)同類型或至少擔(dān)負(fù)同等功能的處理機(jī)組成，它們同時(shí)處理同一作業(yè)中能并行執(zhí)行的多個(gè)任務(wù)。1.2試用實(shí)例說明計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)之間的相互關(guān)系。答：如在設(shè)計(jì)主存系統(tǒng)時(shí)，確定主存容量、編址方式、尋址范圍等屬于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。確定主存周期、邏輯上是否采用并行主存、邏輯設(shè)計(jì)等屬于計(jì)算機(jī)組成。選擇存儲(chǔ)芯片類型、微組裝技術(shù)、線路設(shè)計(jì)等屬于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)組成是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)。一種體系結(jié)構(gòu)可以有多種組成。一種組成可以有多種實(shí)現(xiàn)。1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的Flynn分類法是按什么來分類的？共分為哪幾類？答：Flynn分類法是按照指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性進(jìn)行分類。把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為：?jiǎn)沃噶盍鲉螖?shù)據(jù)流SISD單指令流多數(shù)據(jù)流SIMD多指令流單數(shù)據(jù)流MISD多指令流多數(shù)據(jù)流MIMD1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用的4個(gè)定量原理是什么？并說出它們的含義。答：（1）以經(jīng)常性事件為重點(diǎn)。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，對(duì)經(jīng)常發(fā)生的情況，賦予它優(yōu)先的處理權(quán)和資源使用權(quán)，以得到更多的總體上的改進(jìn)。（2）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，受限于該部件在系統(tǒng)中所占的重要性。（3）CPU性能公式。執(zhí)行一個(gè)程序所需的CPU時(shí)間=IC×CPI×?xí)r鐘周期時(shí)間。（4）程序的局部性原理。程序在執(zhí)行時(shí)所訪問地址的分布不是隨機(jī)的，而是相對(duì)地簇聚。1.5分別從執(zhí)行程序的角度和處理數(shù)據(jù)的角度來看，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中并行性等級(jí)從低到高可分為哪幾級(jí)？答：從處理數(shù)據(jù)的角度來看，并行性等級(jí)從低到高可分為：（1）字串位串：每次只對(duì)一個(gè)字的一位進(jìn)行處理。這是最基本的串行處理方式，不存在并行性；（2）字串位并：同時(shí)對(duì)一個(gè)字的全部位進(jìn)行處理，不同字之間是串行的。已開始出現(xiàn)并行性；（3）字并位串：同時(shí)對(duì)許多字的同一位（稱為位片）進(jìn)行處理。這種方式具有較高的并行性；（4）全并行：同時(shí)對(duì)許多字的全部位或部分位進(jìn)行處理。這是最高一級(jí)的并行。從執(zhí)行程序的角度來看，并行性等級(jí)從低到高可分為：（1）指令內(nèi)部并行：?jiǎn)螚l指令中各微操作之間的并行；（2）指令級(jí)并行：并行執(zhí)行兩條或兩條以上的指令；（3）線程級(jí)并行：并行執(zhí)行兩個(gè)或兩個(gè)以上的線程，通常是以一個(gè)進(jìn)程內(nèi)派生的多個(gè)線程為調(diào)度單位；（4）任務(wù)級(jí)或過程級(jí)并行：并行執(zhí)行兩個(gè)或兩個(gè)以上的過程或任務(wù)（程序段），以子程序或進(jìn)程為調(diào)度單元；（5）作業(yè)或程序級(jí)并行：并行執(zhí)行兩個(gè)或兩個(gè)以上的作業(yè)或程序。1.6某臺(tái)主頻為400MHz的計(jì)算機(jī)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求該計(jì)算機(jī)的有效CPI、MIPS和程序執(zhí)行時(shí)間。解：（1）CPI＝(45000×1＋75000×2＋8000×4＋1500×2)/129500＝1.776（2）MIPS速率＝f/CPI＝400/1.776＝225.225MIPS（3）程序執(zhí)行時(shí)間=(45000×1＋75000×2＋8000×4＋1500×2)／400=575s1.7將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中某一功能的處理速度加快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)間的40%，則采用此增強(qiáng)功能方法后，能使整個(gè)系統(tǒng)的性能提高多少？解由題可知：可改進(jìn)比例=40%=0.4部件加速比=10根據(jù)Amdahl定律可知：采用此增強(qiáng)功能方法后，能使整個(gè)系統(tǒng)的性能提高到原來的1.5625倍。1.8計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有三個(gè)部件可以改進(jìn)，這三個(gè)部件的部件加速比為：部件加速比1=30；部件加速比2=20；部件加速比3=10如果部件1和部件2的可改進(jìn)比例均為30%，那么當(dāng)部件3的可改進(jìn)比例為多少時(shí)，系統(tǒng)加速比才可以達(dá)到10？如果三個(gè)部件的可改進(jìn)比例分別為30%、30%和20%，三個(gè)部件同時(shí)改進(jìn)，那么系統(tǒng)中不可加速部分的執(zhí)行時(shí)間在總執(zhí)行時(shí)間中占的比例是多少？解：（1）在多個(gè)部件可改進(jìn)情況下，Amdahl定理的擴(kuò)展：已知S1＝30，S2＝20，S3＝10，Sn＝10，F(xiàn)1＝0.3，F(xiàn)2＝0.3，得：得F3＝0.36，即部件3的可改進(jìn)比例為36%。（2）設(shè)系統(tǒng)改進(jìn)前的執(zhí)行時(shí)間為T，則3個(gè)部件改進(jìn)前的執(zhí)行時(shí)間為：（0.3+0.3+0.2）T=0.8T，不可改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間為0.2T。已知3個(gè)部件改進(jìn)后的加速比分別為S1＝30，S2＝20，S3＝10，因此3個(gè)部件改進(jìn)后的執(zhí)行時(shí)間為：改進(jìn)后整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行時(shí)間為：Tn=0.045T+0.2T=0.245T那么系統(tǒng)中不可改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間在總執(zhí)行時(shí)間中占的比例是：1.9假設(shè)某應(yīng)用程序中有4類操作，通過改進(jìn)，各操作獲得不同的性能提高。具體數(shù)據(jù)如下表所示：操作類型程序中的數(shù)量（百萬條指令）改進(jìn)前的執(zhí)行時(shí)間（周期）改進(jìn)后的執(zhí)行時(shí)間（周期）操作11021操作2302015操作335103操作41541（1）改進(jìn)后，各類操作的加速比分別是多少？（2）各類操作單獨(dú)改進(jìn)后，程序獲得的加速比分別是多少？（3）4類操作均改進(jìn)后，整個(gè)程序的加速比是多少？解：根據(jù)Amdahl定律可得操作類型各類操作的指令條數(shù)在程序中所占的比例Fi各類操作的加速比Si各類操作單獨(dú)改進(jìn)后，程序獲得的加速比操作111.1%21.06操作233.3%1.331.09操作338.9%3.331.37操作416.7%41.144類操作均改進(jìn)后，整個(gè)程序的加速比：第2章指令集結(jié)構(gòu)的分類解釋下列術(shù)語堆棧型機(jī)器：CPU中存儲(chǔ)操作數(shù)的單元是堆棧的機(jī)器。累加器型機(jī)器：CPU中存儲(chǔ)操作數(shù)的單元是累加器的機(jī)器。通用寄存器型機(jī)器：CPU中存儲(chǔ)操作數(shù)的單元是通用寄存器的機(jī)器。CISC：復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)RISC：精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)尋址方式：指令系統(tǒng)中如何形成所要訪問的數(shù)據(jù)的地址。一般來說，尋址方式可以指明指令中的操作數(shù)是一個(gè)常數(shù)、一個(gè)寄存器操作數(shù)或者是一個(gè)存儲(chǔ)器操作數(shù)。數(shù)據(jù)表示：硬件結(jié)構(gòu)能夠識(shí)別、指令系統(tǒng)可以直接調(diào)用的那些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 區(qū)別不同指令集結(jié)構(gòu)的主要因素是什么？根據(jù)這個(gè)主要因素可將指令集結(jié)構(gòu)分為哪3類？答：區(qū)別不同指令集結(jié)構(gòu)的主要因素是CPU中用來存儲(chǔ)操作數(shù)的存儲(chǔ)單元。據(jù)此可將指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為堆棧結(jié)構(gòu)、累加器結(jié)構(gòu)和通用寄存器結(jié)構(gòu)。常見的3種通用寄存器型指令集結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)有哪些？答：指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)寄存器-寄存器型（0，3）指令字長(zhǎng)固定，指令結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，是一種簡(jiǎn)單的代碼生成模型，各種指令的執(zhí)行時(shí)鐘周期數(shù)相近。與指令中含存儲(chǔ)器操作數(shù)的指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，指令條數(shù)多，目標(biāo)代碼不夠緊湊，因而程序占用的空間比較大。寄存器-存儲(chǔ)器型（1，2）可以在ALU指令中直接對(duì)存儲(chǔ)器操作數(shù)進(jìn)行引用，而不必先用load指令進(jìn)行加載。容易對(duì)指令進(jìn)行編碼，目標(biāo)代碼比較緊湊。由于有一個(gè)操作數(shù)的內(nèi)容將被破壞，所以指令中的兩個(gè)操作數(shù)不對(duì)稱。在一條指令中同時(shí)對(duì)寄存器操作數(shù)和存儲(chǔ)器操作數(shù)進(jìn)行編碼，有可能限制指令所能夠表示的寄存器個(gè)數(shù)。指令的執(zhí)行時(shí)鐘周期數(shù)因操作數(shù)的來源（寄存器或存儲(chǔ)器）不同而差別比較大。存儲(chǔ)器-存儲(chǔ)器型（2，2）或（3，3）目標(biāo)代碼最緊湊，不需要設(shè)置寄存器來保存變量。指令字長(zhǎng)變化很大，特別是3操作數(shù)指令。而且每條指令完成的工作也差別很大。對(duì)存儲(chǔ)器的頻繁訪問會(huì)使存儲(chǔ)器成為瓶頸。這種類型的指令系統(tǒng)現(xiàn)在已不用了。指令集應(yīng)滿足哪幾個(gè)基本要求？答：對(duì)指令集的基本要求是：完整性、規(guī)整性、高效率和兼容性。完整性是指在一個(gè)有限可用的存儲(chǔ)空間內(nèi)，對(duì)于任何可解的問題，編制計(jì)算程序時(shí)，指令集所提供的指令足夠使用。規(guī)整性主要包括對(duì)稱性和均勻性。對(duì)稱性是指所有與指令集有關(guān)的存儲(chǔ)單元的使用、操作碼的設(shè)置等都是對(duì)稱的。均勻性是指對(duì)于各種不同的操作數(shù)類型、字長(zhǎng)、操作種類和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，指令的設(shè)置都要同等對(duì)待。高效率是指指令的執(zhí)行速度快、使用頻度高。指令集結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所涉及的內(nèi)容有哪些？答：(1)指令集功能設(shè)計(jì)：主要有RISC和CISC兩種技術(shù)發(fā)展方向；(2)尋址方式的設(shè)計(jì)：設(shè)置尋址方式可以通過對(duì)基準(zhǔn)程序進(jìn)行測(cè)試統(tǒng)計(jì)，察看各種尋址方式的使用頻率，根據(jù)適用頻率設(shè)置必要的尋址方式。(3)操作數(shù)表示和操作數(shù)類型：主要的操作數(shù)類型和操作數(shù)表示的選擇有：浮點(diǎn)數(shù)據(jù)類型、整型數(shù)據(jù)類型、字符型、十進(jìn)制數(shù)據(jù)類型等等。(4)尋址方式的表示：可以將尋址方式編碼于操作碼中，也可以將尋址方式作為一個(gè)單獨(dú)的域來表示。(5)指令集格式的設(shè)計(jì)：有變長(zhǎng)編碼格式、固定長(zhǎng)度編碼格式和混合型編碼格式3種。簡(jiǎn)述CISC指令集結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。從當(dāng)前的計(jì)算機(jī)技術(shù)觀點(diǎn)來看，CISC指令集結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)有什么缺點(diǎn)？答：主要目標(biāo)是增強(qiáng)指令功能，把越來越多的功能交由硬件來實(shí)現(xiàn)，并且指令的數(shù)量也是越來越多。缺點(diǎn)：(1)CISC結(jié)構(gòu)的指令集中，各種指令的使用頻率相差懸殊。（2）CISC結(jié)構(gòu)指令的復(fù)雜性帶來了計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，這不僅增加了研制時(shí)間和成本，而且還容易造成設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。（3）CISC結(jié)構(gòu)指令集的復(fù)雜性給VLSI設(shè)計(jì)增加了很大負(fù)擔(dān)，不利于單片集成。（4）CISC結(jié)構(gòu)的指令集中，許多復(fù)雜指令需要很復(fù)雜的操作，因而運(yùn)行速度慢。(5)在CISC結(jié)構(gòu)的指令集中，由于各條指令的功能不均衡性，不利于采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)技術(shù)（如流水技術(shù)）來提高系統(tǒng)的性能。簡(jiǎn)述RISC指令集結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則。答（1）選取使用頻率最高的指令，并補(bǔ)充一些最有用的指令；（2）每條指令的功能應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單，并在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成；（3）所有指令長(zhǎng)度均相同；（4）只有Load和Store操作指令才訪問存儲(chǔ)器，其它指令操作均在寄存器之間進(jìn)行；(5)以簡(jiǎn)單有效的方式支持高級(jí)語言。指令中表示操作數(shù)類型的方法有哪幾種？答：操作數(shù)類型有兩種表示方法：（1）操作數(shù)的類型由操作碼的編碼指定，這是最常見的一種方法；（2）數(shù)據(jù)可以附上由硬件解釋的標(biāo)記，由這些標(biāo)記指定操作數(shù)的類型，從而選擇適當(dāng)?shù)倪\(yùn)算。表示尋址方式的主要方法有哪些？簡(jiǎn)述這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)。答：表示尋址方式有兩種常用的方法：（1）將尋址方式編于操作碼中，由操作碼在描述指令的同時(shí)也描述了相應(yīng)的尋址方式。這種方式譯碼快，但操作碼和尋址方式的結(jié)合不僅增加了指令的條數(shù)，導(dǎo)致了指令的多樣性，而且增加了CPU對(duì)指令譯碼的難度。（2）為每個(gè)操作數(shù)設(shè)置一個(gè)地址描述符，由該地址描述符表示相應(yīng)操作數(shù)的尋址方式。這種方式譯碼較慢，但操作碼和尋址獨(dú)立，易于指令擴(kuò)展。通常有哪幾種指令格式，請(qǐng)簡(jiǎn)述其適用范圍。答：(1)變長(zhǎng)編碼格式。如果系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者感興趣的是程序的目標(biāo)代碼大小，而不是性能，就可以采用變長(zhǎng)編碼格式。（2）固定長(zhǎng)度編碼格式。如果感興趣的是性能，而不是程序的目標(biāo)代碼大小，則可以選擇固定長(zhǎng)度編碼格式。(3)混合型編碼格式。需要兼顧降低目標(biāo)代碼長(zhǎng)度和降低譯碼復(fù)雜度時(shí)，可以采用混合型編碼格式。根據(jù)CPU性能公式簡(jiǎn)述RISC指令集結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)和CISC指令集結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的性能特點(diǎn)。答：CPU性能公式：CPU時(shí)間＝IC×CPI×T其中，IC為目標(biāo)程序被執(zhí)行的指令條數(shù)，CPI為指令平均執(zhí)行周期數(shù)，T是時(shí)鐘周期的時(shí)間。相同功能的CISC目標(biāo)程序的指令條數(shù)ICCISC少于RISC的ICRISC，但是CISC的CPICISC和TCISC都大于RISC的CPIRISC和TRISC，因此，CISC目標(biāo)程序的執(zhí)行時(shí)間比RISC的更長(zhǎng)。第3章流水線技術(shù)3.1解釋下列術(shù)語流水線：將一個(gè)重復(fù)的時(shí)序過程，分解成為若干個(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它子過程同時(shí)執(zhí)行。單功能流水線：指流水線的各段之間的連接固定不變、只能完成一種固定功能的流水線。多功能流水線：指各段可以進(jìn)行不同的連接，以實(shí)現(xiàn)不同的功能的流水線。靜態(tài)流水線：指在同一時(shí)間內(nèi)，多功能流水線中的各段只能按同一種功能的連接方式工作的流水線。當(dāng)流水線要切換到另一種功能時(shí)，必須等前面的任務(wù)都流出流水線之后，才能改變連接。動(dòng)態(tài)流水線：指在同一時(shí)間內(nèi)，多功能流水線中的各段可以按照不同的方式連接，同時(shí)執(zhí)行多種功能的流水線。它允許在某些段正在實(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。部件級(jí)流水線：把處理機(jī)中的部件進(jìn)行分段，再把這些部件分段相互連接而成。它使得運(yùn)算操作能夠按流水方式進(jìn)行。這種流水線也稱為運(yùn)算操作流水線。處理機(jī)級(jí)流水線：又稱指令流水線。它是把指令的執(zhí)行過程按照流水方式進(jìn)行處理，即把一條指令的執(zhí)行過程分解為若干個(gè)子過程，每個(gè)子過程在獨(dú)立的功能部件中執(zhí)行。處理機(jī)間流水線：又稱為宏流水線。它是把多個(gè)處理機(jī)串行連接起來，對(duì)同一數(shù)據(jù)流進(jìn)行處理，每個(gè)處理機(jī)完成整個(gè)任務(wù)中的一部分。前一個(gè)處理機(jī)的輸出結(jié)果存入存儲(chǔ)器中，作為后一個(gè)處理機(jī)的輸入。線性流水線：指各段串行連接、沒有反饋回路的流水線。數(shù)據(jù)通過流水線中的各段時(shí)，每一個(gè)段最多只流過一次。非線性流水線：指各段除了有串行的連接外，還有反饋回路的流水線。順序流水線：流水線輸出端任務(wù)流出的順序與輸入端任務(wù)流入的順序完全相同。亂序流水線：流水線輸出端任務(wù)流出的順序與輸入端任務(wù)流入的順序可以不同，允許后進(jìn)入流水線的任務(wù)先完成。這種流水線又稱為無序流水線、錯(cuò)序流水線、異步流水線。吞吐率：在單位時(shí)間內(nèi)流水線所完成的任務(wù)數(shù)量或輸出結(jié)果的數(shù)量。流水線的加速比：使用順序處理方式處理一批任務(wù)所用的時(shí)間與按流水處理方式處理同一批任務(wù)所用的時(shí)間之比。流水線的效率：即流水線設(shè)備的利用率，它是指流水線中的設(shè)備實(shí)際使用時(shí)間與整個(gè)運(yùn)行時(shí)間的比值。數(shù)據(jù)相關(guān)：考慮兩條指令i和j，i在j的前面，如果下述條件之一成立，則稱指令j與指令i數(shù)據(jù)相關(guān)：（1）指令j使用指令i產(chǎn)生的結(jié)果；（2）指令j與指令k數(shù)據(jù)相關(guān)，而指令k又與指令i數(shù)據(jù)相關(guān)。名相關(guān)：如果兩條指令使用了相同的名，但是它們之間并沒有數(shù)據(jù)流動(dòng)，則稱這兩條指令存在名相關(guān)?？刂葡嚓P(guān)：是指由分支指令引起的相關(guān)。它需要根據(jù)分支指令的執(zhí)行結(jié)果來確定后面該執(zhí)行哪個(gè)分支上的指令。反相關(guān)：考慮兩條指令i和j，i在j的前面，如果指令j所寫的名與指令i所讀的名相同，則稱指令i和j發(fā)生了反相關(guān)。輸出相關(guān)：考慮兩條指令i和j，i在j的前面，如果指令j和指令i所寫的名相同，則稱指令i和j發(fā)生了輸出相關(guān)。換名技術(shù)：名相關(guān)的兩條指令之間并沒有數(shù)據(jù)的傳送，只是使用了相同的名?？梢园哑渲幸粭l指令所使用的名換成別的，以此來消除名相關(guān)。結(jié)構(gòu)沖突：因硬件資源滿足不了指令重疊執(zhí)行的要求而發(fā)生的沖突。數(shù)據(jù)沖突：當(dāng)指令在流水線中重疊執(zhí)行時(shí)，因需要用到前面指令的執(zhí)行結(jié)果而發(fā)生的沖突?？刂茮_突：流水線遇到分支指令或其它會(huì)改變PC值的指令所引起的沖突。定向：用來解決寫后讀沖突的。在發(fā)生寫后讀相關(guān)的情況下，在計(jì)算結(jié)果尚未出來之前，后面等待使用該結(jié)果的指令并不見得是馬上就要用該結(jié)果。如果能夠?qū)⒃撚?jì)算結(jié)果從其產(chǎn)生的地方直接送到其它指令需要它的地方，那么就可以避免停頓。寫后讀沖突：考慮兩條指令i和j，且i在j之前進(jìn)入流水線，指令j用到指令i的計(jì)算結(jié)果，而且在i將結(jié)果寫入寄存器之前就去讀該寄存器，因而得到的是舊值。讀后寫沖突：考慮兩條指令i和j，且i在j之前進(jìn)入流水線，指令j的目的寄存器和指令i的源操作數(shù)寄存器相同，而且j在i讀取該寄存器之前就先對(duì)它進(jìn)行了寫操作，導(dǎo)致i讀到的值是錯(cuò)誤的。寫后寫沖突：考慮兩條指令i和j，且i在j之前進(jìn)入流水線，，指令j和指令i的結(jié)果單元（寄存器或存儲(chǔ)器單元）相同，而且j在i寫入之前就先對(duì)該單元進(jìn)行了寫入操作，從而導(dǎo)致寫入順序錯(cuò)誤。這時(shí)在結(jié)果單元中留下的是i寫入的值，而不是j寫入的。鏈接技術(shù)：具有先寫后讀相關(guān)的兩條指令，在不出現(xiàn)功能部件沖突和Vi沖突的情況下，可以把功能部件鏈接起來進(jìn)行流水處理，以達(dá)到加快執(zhí)行的目的。分段開采：當(dāng)向量的長(zhǎng)度大于向量寄存器的長(zhǎng)度時(shí)，必須把長(zhǎng)向量分成長(zhǎng)度固定的段，然后循環(huán)分段處理，每一次循環(huán)只處理一個(gè)向量段。半性能向量長(zhǎng)度：向量處理機(jī)的性能為其最大性能的一半時(shí)所需的向量長(zhǎng)度。向量長(zhǎng)度臨界值：向量流水方式的處理速度優(yōu)于標(biāo)量串行方式的處理速度時(shí)所需的向量長(zhǎng)度的最小值。3.2指令的執(zhí)行可采用順序執(zhí)行、重疊執(zhí)行和流水線三種方式，它們的主要區(qū)別是什么？各有何優(yōu)缺點(diǎn)。答：（1）指令的順序執(zhí)行是指指令與指令之間順序串行。即上一條指令全部執(zhí)行完后，才能開始執(zhí)行下一條指令。優(yōu)點(diǎn)：控制簡(jiǎn)單，節(jié)省設(shè)備。缺點(diǎn)：執(zhí)行指令的速度慢，功能部件的利用率低。（2）指令的重疊指令是在相鄰的指令之間，讓第k條指令與取第k+l條指令同時(shí)進(jìn)行。重疊執(zhí)行不能加快單條指令的執(zhí)行速度，但在硬件增加不多的情況下，可以加快相鄰兩條指令以及整段程序的執(zhí)行速度。與順序方式相比，功能部件的利用率提高了，控制變復(fù)雜了。（3）指令的流水執(zhí)行是把一個(gè)指令的執(zhí)行過程分解為若干個(gè)子過程，每個(gè)子過程由專門的功能部件來實(shí)現(xiàn)。把多個(gè)處理過程在時(shí)間上錯(cuò)開，依次通過各功能段，每個(gè)子過程與其它的子過程并行進(jìn)行。依靠提高吞吐率來提高系統(tǒng)性能。流水線中各段的時(shí)間應(yīng)盡可能相等3.3簡(jiǎn)述先行控制的基本思想。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)緩沖站，用于平滑主存、指令分析部件、運(yùn)算器三者之間的工作。這樣不僅使它們都能獨(dú)立地工作，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數(shù)，大幅度地提高指令的執(zhí)行速度和部件的效率。這些緩沖站都按先進(jìn)先出的方式工作，而且都是由一組若干個(gè)能快速訪問的存儲(chǔ)單元和相關(guān)的控制邏輯組成。采用先行控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多條指令的重疊解釋執(zhí)行。3.4設(shè)一條指令的執(zhí)行過程分成取指令、分析指令和執(zhí)行指令三個(gè)階段，每個(gè)階段所需的時(shí)間分別為△t、△t和2△t。分別求出下列各種情況下，連續(xù)執(zhí)行N條指令所需的時(shí)間。（1）順序執(zhí)行方式；（2）只有“取指令”與“執(zhí)行指令”重疊；（3）“取指令”、“分析指令”與“執(zhí)行指令”重疊。解：（1）每條指令的執(zhí)行時(shí)間為：△t＋△t＋2△t＝4△t連續(xù)執(zhí)行N條指令所需的時(shí)間為：4N△t（2）連續(xù)執(zhí)行N條指令所需的時(shí)間為：4△t＋3（N-1）△t＝（3N＋1）△t（3）連續(xù)執(zhí)行N條指令所需的時(shí)間為：4△t＋2（N-1）△t＝（2N＋2）△t3.5簡(jiǎn)述流水線技術(shù)的特點(diǎn)。答：流水技術(shù)有以下特點(diǎn)：（1）流水線把一個(gè)處理過程分解為若干個(gè)子過程，每個(gè)子過程由一個(gè)專門的功能部件來實(shí)現(xiàn)。因此，流水線實(shí)際上是把一個(gè)大的處理功能部件分解為多個(gè)獨(dú)立的功能部件，并依靠它們的并行工作來提高吞吐率。（2）流水線中各段的時(shí)間應(yīng)盡可能相等，否則將引起流水線堵塞和斷流。（3）流水線每一個(gè)功能部件的前面都要有一個(gè)緩沖寄存器，稱為流水寄存器。（4）流水技術(shù)適合于大量重復(fù)的時(shí)序過程，只有在輸入端不斷地提供任務(wù)，才能充分發(fā)揮流水線的效率。（5）流水線需要有通過時(shí)間和排空時(shí)間。在這兩個(gè)時(shí)間段中，流水線都不是滿負(fù)荷工作。3.6解決流水線瓶頸問題有哪兩種常用方法？答：細(xì)分瓶頸段與重復(fù)設(shè)置瓶頸段3.7減少流水線分支延遲的靜態(tài)方法有哪些？答：（1）預(yù)測(cè)分支失?。貉厥〉姆种Ю^續(xù)處理指令，就好象什么都沒發(fā)生似的。當(dāng)確定分支是失敗時(shí)，說明預(yù)測(cè)正確，流水線正常流動(dòng)；當(dāng)確定分支是成功時(shí)，流水線就把在分支指令之后取出的指令轉(zhuǎn)化為空操作，并按分支目標(biāo)地址重新取指令執(zhí)行。（2）預(yù)測(cè)分支成功：當(dāng)流水線ID段檢測(cè)到分支指令后，一旦計(jì)算出了分支目標(biāo)地址，就開始從該目標(biāo)地址取指令執(zhí)行。（3）延遲分支：主要思想是從邏輯上“延長(zhǎng)”分支指令的執(zhí)行時(shí)間。把延遲分支看成是由原來的分支指令和若干個(gè)延遲槽構(gòu)成。不管分支是否成功，都要按順序執(zhí)行延遲槽中的指令。3種方法的共同特點(diǎn)：它們對(duì)分支的處理方法在程序的執(zhí)行過程中始終是不變的。它們要么總是預(yù)測(cè)分支成功，要么總是預(yù)測(cè)分支失敗。3.8簡(jiǎn)述延遲分支方法中的三種調(diào)度策略的優(yōu)缺點(diǎn)。調(diào)度策略對(duì)調(diào)度的要求對(duì)流水線性能改善的影響從前調(diào)度分支必須不依賴于被調(diào)度的指令總是可以有效提高流水線性能從目標(biāo)處調(diào)度如果分支轉(zhuǎn)移失敗，必須保證被調(diào)度的指令對(duì)程序的執(zhí)行沒有影響，可能需要復(fù)制被調(diào)度指令分支轉(zhuǎn)移成功時(shí)，可以提高流水線性能。但由于復(fù)制指令，可能加大程序空間從失敗處調(diào)度如果分支轉(zhuǎn)移成功，必須保證被調(diào)度的指令對(duì)程序的執(zhí)行沒有影響分支轉(zhuǎn)移失敗時(shí)，可以提高流水線性能3.9列舉出下面循環(huán)中的所有相關(guān)，包括輸出相關(guān)、反相關(guān)、真相關(guān)。for(i=2;i<100;i=i+1) a[i]=b[i]+a[i] ;/*s1*/ c[i+1]=a[i]+d[i] ;/*s2*/ a[i-1]=2*b[i] ;/*s3*/ b[i+1]=2*b[i] ;/*s4*/ 解：展開循環(huán)兩次：a[i]=b[i]+a[i] ;/*s1*/c[i+1]=a[i]+d[i] ;/*s2*/a[i-1]=2*b[i] ;/*s3*/b[i+1]=2*b[i] ;/*s4*/a[i+1]=b[i+1]+a[i+1] ;/*s1’*/c[i+2]=a[i+1]+d[i+1] ;/*s2‘*/a[i]=2*b[i+1] ;/*s3‘*/b[i+2]=2*b[i+1] ;/*s4‘*/輸出相關(guān)：無反相關(guān)：無真相關(guān)：S1&S2由于循環(huán)引入的相關(guān)：S4&S4’（真相關(guān)）、S1’&S4（真相關(guān)）、S3’&S4（真相關(guān)）、S1&S3’（輸出相關(guān)、反相關(guān)）、S2&S3’（反相關(guān)）。3.10簡(jiǎn)述三種向量處理方式，它們對(duì)向量處理機(jī)的結(jié)構(gòu)要求有何不同？答(1)橫向處理方式：若向量長(zhǎng)度為N，則水平處理方式相當(dāng)于執(zhí)行N次循環(huán)。若使用流水線，在每次循環(huán)中可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)相關(guān)和功能轉(zhuǎn)換，不適合對(duì)向量進(jìn)行流水處理。(2)縱向處理方式：將整個(gè)向量按相同的運(yùn)算處理完畢之后，再去執(zhí)行其他運(yùn)算。適合對(duì)向量進(jìn)行流水處理，向量運(yùn)算指令的源/目向量都放在存儲(chǔ)器內(nèi)，使得流水線運(yùn)算部件的輸入、輸出端直接與存儲(chǔ)器相聯(lián)，構(gòu)成M-M型的運(yùn)算流水線。(3)縱橫處理方式：把長(zhǎng)度為N的向量分為若干組，每組長(zhǎng)度為n，組內(nèi)按縱向方式處理，依次處理各組，組數(shù)為「N/n」，適合流水處理?？稍O(shè)長(zhǎng)度為n的向量寄存器，使每組向量運(yùn)算的源/目向量都在向量寄存器中，流水線的運(yùn)算部件輸入、輸出端與向量寄存器相聯(lián)，構(gòu)成R-R型運(yùn)算流水線。3.11可采用哪些方法來提高向量處理機(jī)的性能？答：可采用多種方法：設(shè)置多個(gè)功能部件，使它們并行工作；采用鏈接技術(shù)，加快一串向量指令的執(zhí)行；采用循環(huán)開采技術(shù)，加快循環(huán)的處理；采用多處理機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)一步提高性能。3.12有一指令流水線如下所示求連續(xù)輸入10條指令，該流水線的實(shí)際吞吐率和效率；該流水線的“瓶頸”在哪一段？請(qǐng)采取兩種不同的措施消除此“瓶頸”。對(duì)于你所給出的兩種新的流水線，連續(xù)輸入10條指令時(shí)，其實(shí)際吞吐率和效率各是多少？解：（1）（2）瓶頸在3、4段。變成八級(jí)流水線（細(xì)分）重復(fù)設(shè)置1123-13-24-14-24-34-43.13有一個(gè)流水線由4段組成，其中每當(dāng)流經(jīng)第3段時(shí)，總要在該段循環(huán)一次，然后才能流到第4段。如果每段經(jīng)過一次所需要的時(shí)間都是，問：當(dāng)在流水線的輸入端連續(xù)地每時(shí)間輸入任務(wù)時(shí)，該流水線會(huì)發(fā)生什么情況？此流水線的最大吞吐率為多少？如果每輸入一個(gè)任務(wù)，連續(xù)處理10個(gè)任務(wù)時(shí)的實(shí)際吞吐率和效率是多少？當(dāng)每段時(shí)間不變時(shí)，如何提高該流水線的吞吐率？仍連續(xù)處理10個(gè)任務(wù)時(shí)，其吞吐率提高多少？解：（1）會(huì)發(fā)生流水線阻塞情況。第1個(gè)任務(wù)S1S2S3S3S4第2個(gè)任務(wù)S1S2stallS3S3S4第3個(gè)任務(wù)S1stallS2stallS3S3S4第4個(gè)任務(wù)S1stallS2stallS3S3S4（2）（3）重復(fù)設(shè)置部件吞吐率提高倍數(shù)＝＝1.643.14有一條靜態(tài)多功能流水線由5段組成，加法用1、3、4、5段，乘法用1、2、5段，第3段的時(shí)間為2△t，其余各段的時(shí)間均為△t，而且流水線的輸出可以直接返回輸入端或暫存于相應(yīng)的流水寄存器中?，F(xiàn)要在該流水線上計(jì)算，畫出其時(shí)空?qǐng)D，并計(jì)算其吞吐率、加速比和效率?！そ猓菏紫龋瑧?yīng)選擇適合于流水線工作的算法。對(duì)于本題，應(yīng)先計(jì)算A1＋B1、A2＋B2、A3＋B3和A4＋B4；再計(jì)算(A1＋B1)×(A2＋B2)和(A3＋B3)×(A4＋B4)；然后求總的結(jié)果。其次，畫出完成該計(jì)算的時(shí)空?qǐng)D，如圖所示，圖中陰影部分表示該段在工作。由圖可見，它在18個(gè)△t時(shí)間中，給出了7個(gè)結(jié)果。所以吞吐率為： 如果不用流水線，由于一次求積需3△t，一次求和需5△t，則產(chǎn)生上述7個(gè)結(jié)果共需（4×5+3×3）△t=29△t。所以加速比為： 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： 3.15動(dòng)態(tài)多功能流水線由6個(gè)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(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)置有足夠的緩沖寄存器，若以最快的方式用該流水計(jì)算：畫出時(shí)空?qǐng)D；計(jì)算實(shí)際的吞吐率、加速比和效率。解：機(jī)器一共要做10次乘法，4次加法。3.16在MIPS流水線上運(yùn)行如下代碼序列：LOOP：LW R1，0（R2）DADDIU R1，R1，#1SW R1，0（R2）DADDIU R2，R2，#4DSUBR4，R3，R2BNEZR4，LOOP其中：R3的初值是R2+396。假設(shè)：在整個(gè)代碼序列的運(yùn)行過程中，所有的存儲(chǔ)器訪問都是命中的，并且在一個(gè)時(shí)鐘周期中對(duì)同一個(gè)寄存器的讀操作和寫操作可以通過寄存器文件“定向”。問：在沒有任何其它定向（或旁路）硬件的支持下，請(qǐng)畫出該指令序列執(zhí)行的流水線時(shí)空?qǐng)D。假設(shè)采用排空流水線的策略處理分支指令，且所有的存儲(chǔ)器訪問都命中Cache，那么執(zhí)行上述循環(huán)需要多少個(gè)時(shí)鐘周期？假設(shè)該流水線有正常的定向路徑，請(qǐng)畫出該指令序列執(zhí)行的流水線時(shí)空?qǐng)D。假設(shè)采用預(yù)測(cè)分支失敗的策略處理分支指令，且所有的存儲(chǔ)器訪問都命中Cache，那么執(zhí)行上述循環(huán)需要多少個(gè)時(shí)鐘周期？假設(shè)該流水線有正常的定向路徑和一個(gè)單周期延遲分支，請(qǐng)對(duì)該循環(huán)中的指令進(jìn)行調(diào)度，你可以重新組織指令的順序，也可以修改指令的操作數(shù)，但是注意不能增加指令的條數(shù)。請(qǐng)畫出該指令序列執(zhí)行的流水線時(shí)空?qǐng)D，并計(jì)算執(zhí)行上述循環(huán)所需要的時(shí)鐘周期數(shù)。解：寄存器讀寫可以定向，無其他旁路硬件支持。排空流水線。第i次迭代（i＝0..98）開始周期：1＋（i×17）總的時(shí)鐘周期數(shù)：（98×17）＋18＝1684有正常定向路徑，預(yù)測(cè)分支失敗。第i次迭代（i＝0..98）開始周期：1＋（i×10）總的時(shí)鐘周期數(shù)：（98×10）＋11＝991有正常定向路徑。單周期延遲分支。LOOP:LWR1，0(R2)DADDIUR2，R2，#4DADDIUR1，R1，#1DSUBR4，R3，R2BNEZR4，LOOPSWR1，-4(R2)第i次迭代（i＝0..98）開始周期：1＋（i×6）總的時(shí)鐘周期數(shù)：（98×6）＋10＝5983.17假設(shè)各種分支指令數(shù)占所有指令數(shù)的百分比如下：條件分支20%（其中的60%是分支成功的）跳轉(zhuǎn)和調(diào)用5%現(xiàn)有一條段數(shù)為4的流水線，無條件分支在第二個(gè)時(shí)鐘周期結(jié)束時(shí)就被解析出來，而條件分支要到第三個(gè)時(shí)鐘周期結(jié)束時(shí)才能夠被解析出來。第一個(gè)流水段是完全獨(dú)立于指令類型的，即所有類型的指令都必須經(jīng)過第一個(gè)流水段的處理。請(qǐng)問在沒有任何控制相關(guān)的情況下，該流水線相對(duì)于存在上述控制相關(guān)情況下的加速比是多少？解：沒有控制相關(guān)時(shí)流水線的平均CPI＝1存在控制相關(guān)時(shí)：由于無條件分支在第二個(gè)時(shí)鐘周期結(jié)束時(shí)就被解析出來，而條件分支要到第3個(gè)時(shí)鐘周期結(jié)束時(shí)才能被解析出來。所以：（1）若使用排空流水線的策略，則對(duì)于條件分支，有兩個(gè)額外的stall，對(duì)無條件分支，有一個(gè)額外的stall：CPI=1+20%*2+5%*1=1.45加速比S=CPI/1=1.45（2）若使用預(yù)測(cè)分支成功策略，則對(duì)于不成功的條件分支，有兩個(gè)額外的stall，對(duì)無條件分支和成功的條件分支，有一個(gè)額外的stall1：CPI=1+20%*(60%*1+40%*2)+5%*1=1.33加速比S=CPI/1=1.33（3）若使用預(yù)測(cè)分支失敗策略，則對(duì)于成功的條件分支，有兩個(gè)額外的stall；對(duì)無條件分支，有一個(gè)額外的stall；對(duì)不成功的條件分支，其目標(biāo)地址已經(jīng)由PC值給出，不必等待，所以無延遲：CPI=1+20%*(60%*2+40%*0)+5%*1=1.29加速比S=CPI/1=1.293.18在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)中給出了相應(yīng)功能部件的執(zhí)行時(shí)間），如果向量寄存器和功能部件之間的數(shù)據(jù)傳送需要1拍，試求此鏈接流水線的通過時(shí)間是多少拍？如果向量長(zhǎng)度為64，則需多少拍才能得到全部結(jié)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）V3←V2<A3（按（A3）左移：4拍）V5←V3∧V4（向量邏輯乘：2拍）解：通過時(shí)間就是每條向量指令的第一個(gè)操作數(shù)執(zhí)行完畢需要的時(shí)間，也就是各功能流水線由空到滿的時(shí)間，具體過程如下圖所示。要得到全部結(jié)果，在流水線充滿之后，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。3.19某向量處理機(jī)有16個(gè)向量寄存器，其中V0~V5中分別放有向量A、B、C、D、E、F，向量長(zhǎng)度均為8，向量各元素均為浮點(diǎn)數(shù)；處理部件采用兩條單功能流水線，加法功能部件時(shí)間為2拍，乘法功能部件時(shí)間為3拍。采用類似于CARY-1的鏈接技術(shù)，先計(jì)算（A+B）*C，在流水線不停流的情況下，接著計(jì)算（D+E）*F。求此鏈接流水線的通過時(shí)間？（設(shè)寄存器入、出各需1拍）假如每拍時(shí)間為50ns，完成這些計(jì)算并把結(jié)果存進(jìn)相應(yīng)寄存器，此處理部件的實(shí)際吞吐率為多少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V7中，D＋E地中間結(jié)果放在V8中，（D＋E）×F的最后結(jié)果放在V9中。具體實(shí)現(xiàn)參考下圖：通過時(shí)間應(yīng)該為前者（（A＋B）×C）通過的時(shí)間：T通過=(1+2+1)+(1+3+1)=9（拍）（2）在做完（A＋B）×C之后，作（C＋D）×E就不需要通過時(shí)間了。V6←A＋BV7←V6×CV8←D＋EV9←V8×F第5章存儲(chǔ)層次5.1解釋下列術(shù)語多級(jí)存儲(chǔ)層次：采用不同的技術(shù)實(shí)現(xiàn)的存儲(chǔ)器，處在離CPU不同距離的層次上，各存儲(chǔ)器之間一般滿足包容關(guān)系，即任何一層存儲(chǔ)器中的內(nèi)容都是其下一層（離CPU更遠(yuǎn)的一層）存儲(chǔ)器中內(nèi)容的子集。目標(biāo)是達(dá)到離CPU最近的存儲(chǔ)器的速度，最遠(yuǎn)的存儲(chǔ)器的容量。全相聯(lián)映象：主存中的任一塊可以被放置到Cache中任意一個(gè)地方。直接映象：主存中的每一塊只能被放置到Cache中唯一的一個(gè)地方。組相聯(lián)映象：主存中的每一塊可以放置到Cache中唯一的一組中任何一個(gè)地方（Cache分成若干組，每組由若干塊構(gòu)成）。替換算法：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Cache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。LRU：選擇最近最少被訪問的塊作為被替換的塊。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。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：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。按寫分配法：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。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。命中時(shí)間：訪問Cache命中時(shí)所用的時(shí)間。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。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)器所需的時(shí)間。強(qiáng)制性失效：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。容量失效：如果程序在執(zhí)行時(shí)，所需要的塊不能全部調(diào)入Cache中，則當(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。沖突失效：在組相聯(lián)或直接映象Cache中，若太多的塊映象到同一組（塊）中，則會(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。2：1Cache經(jīng)驗(yàn)規(guī)則：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。相聯(lián)度：在組相聯(lián)中，每組Cache中的塊數(shù)。VictimCache：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VictimCache中是否含有所需塊。故障性預(yù)?。涸陬A(yù)取時(shí)，若出現(xiàn)虛地址故障或違反保護(hù)權(quán)限，就會(huì)發(fā)生異常。非故障性預(yù)?。涸陬A(yù)取時(shí)，若出現(xiàn)虛地址故障或違反保護(hù)權(quán)限，不發(fā)生異常。非阻塞Cache：Cache在等待預(yù)取數(shù)據(jù)返回時(shí)，還能繼續(xù)提供指令和數(shù)據(jù)。盡早重啟動(dòng)：在請(qǐng)求字沒有到達(dá)時(shí)，CPU處于等待狀態(tài)。一旦請(qǐng)求字到達(dá)，就立即發(fā)送給CPU，讓等待的CPU盡早重啟動(dòng)，繼續(xù)執(zhí)行。請(qǐng)求字優(yōu)先：調(diào)塊時(shí)，首先向存儲(chǔ)器請(qǐng)求CPU所要的請(qǐng)求字。請(qǐng)求字一旦到達(dá)，就立即送往CPU，讓CPU繼續(xù)執(zhí)行，同時(shí)從存儲(chǔ)器調(diào)入該塊的其余部分。虛擬Cache：地址使用虛地址的Cache。多體交叉存儲(chǔ)器：具有多個(gè)存儲(chǔ)體，各體之間按字交叉的存儲(chǔ)技術(shù)。存儲(chǔ)體沖突：多個(gè)請(qǐng)求要訪問同一個(gè)體。TLB：一個(gè)專用高速存儲(chǔ)器，用于存放近期經(jīng)常使用的頁(yè)表項(xiàng)，其內(nèi)容是頁(yè)表部分內(nèi)容的一個(gè)副本。5.2簡(jiǎn)述“Cache—主存”層次與“主存—輔存”層次的區(qū)別。答：存儲(chǔ)層次比較項(xiàng)目“Cache—主存”層次“主存—輔存”層次目的為了彌補(bǔ)主存速度的不足為了彌補(bǔ)主存容量的不足存儲(chǔ)管理的實(shí)現(xiàn)全部由專用硬件實(shí)現(xiàn)主要由軟件實(shí)現(xiàn)訪問速度的比值（第一級(jí)比第二級(jí)）幾比一幾萬比一典型的塊（頁(yè)）大小幾十個(gè)字節(jié)幾百到幾千個(gè)字節(jié)CPU對(duì)第二級(jí)的訪問方式可直接訪問均通過第一級(jí)不命中時(shí)CPU是否切換不切換切換到其它進(jìn)程5.3地址映象方法有哪幾種？它們各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？答：(1)全相聯(lián)映象。實(shí)現(xiàn)查找的機(jī)制復(fù)雜，代價(jià)高，速度慢。Cache空間的利用率較高，塊沖突概率較低，因而Cache的失效率也低。（2）直接映象。實(shí)現(xiàn)查找的機(jī)制簡(jiǎn)單，速度快。Cache空間的利用率較低，塊沖突概率較高，因而Cache的失效率也高。（3）組相聯(lián)映象。組相聯(lián)是直接映象和全相聯(lián)的一種折衷。5.4降低Cache失效率有哪幾種方法？簡(jiǎn)述其基本思想。答：常用的降低Cache失效率的方法有下面幾種：增加Cache塊大小。增加塊大小利用了程序的空間局部性。增加Cache的容量。提高相聯(lián)度，降低沖突失效。偽相聯(lián)Cache，降低沖突失效。當(dāng)對(duì)偽相聯(lián)Cache進(jìn)行訪問時(shí)，首先是按與直接映象相同的方式進(jìn)行訪問。如果命中，則從相應(yīng)的塊中取出所訪問的數(shù)據(jù)，送給CPU，訪問結(jié)束。如果不命中，就將索引字段的最高位取反，然后按照新索引去尋找“偽相聯(lián)組”中的對(duì)應(yīng)塊。如果這一塊的標(biāo)識(shí)匹配，則稱發(fā)生了“偽命中”。否則，就訪問下一級(jí)存儲(chǔ)器。硬件預(yù)取技術(shù)。在處理器提出訪問請(qǐng)求前預(yù)取指令和數(shù)據(jù)。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)加入預(yù)取的指令，在數(shù)據(jù)被用到之前發(fā)出預(yù)取請(qǐng)求。編譯器優(yōu)化，通過對(duì)軟件的優(yōu)化來降低失效率。“犧牲”Cache。在Cache和其下一級(jí)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)通路之間增設(shè)一個(gè)全相聯(lián)的小Cache，存放因沖突而被替換出去的那些塊。每當(dāng)發(fā)生不命中時(shí)，在訪問下一級(jí)存儲(chǔ)器之前，先檢查“犧牲”Cache中是否含有所需的塊。如果有，就將該塊與Cache中某個(gè)塊做交換，把所需的塊從“犧牲”Cache調(diào)入Cache。5.5簡(jiǎn)述減小Cache失效開銷的幾種方法。答：讓讀失效優(yōu)先于寫、寫緩沖合并、請(qǐng)求字處理技術(shù)、非阻塞Cache或非鎖定Cache技術(shù)、采用二級(jí)Cache。5.6通過編譯器對(duì)程序優(yōu)化來改進(jìn)Cache性能的方法有哪幾種？簡(jiǎn)述其基本思想。答：（1）數(shù)組合并。通過提高空間局部性來減少失效次數(shù)。有些程序同時(shí)用相同的索引來訪問若干個(gè)數(shù)組的同一維，這些訪問可能會(huì)相互干擾，導(dǎo)致沖突失效，可以將這些相互獨(dú)立的數(shù)組合并成一個(gè)復(fù)合數(shù)組，使得一個(gè)Cache塊中能包含全部所需元素。（2）內(nèi)外循環(huán)交換。循環(huán)嵌套時(shí)，程序沒有按數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中的順序訪問。只要簡(jiǎn)單地交換內(nèi)外循環(huán)，就能使程序按數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中的存儲(chǔ)順序進(jìn)行訪問。（3）循環(huán)融合。有些程序含有幾部分獨(dú)立的程序段，它們用相同的循環(huán)訪問同樣的數(shù)組，對(duì)相同的數(shù)據(jù)作不同的運(yùn)算。通過將它們?nèi)诤铣梢粋€(gè)單一循環(huán)，能使讀入Cache的數(shù)據(jù)被替換出去之前得到反復(fù)的使用。（4）分塊。通過改進(jìn)時(shí)間局部性來減少失效。分塊不是對(duì)數(shù)組的整行或整列進(jìn)行訪問，而是對(duì)子矩陣或塊進(jìn)行操作。5.7在“Cache—主存”層次中，主存的更新算法有哪兩種？它們各有什么特點(diǎn)？答：（1）寫直達(dá)法。易于實(shí)現(xiàn)，而且下一級(jí)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)總是最新的。（2）寫回法。速度快，“寫”操作能以Cache存儲(chǔ)器的速度進(jìn)行。而且對(duì)于同一單元的多個(gè)寫最后只需一次寫回下一級(jí)存儲(chǔ)器，有些“寫”只到達(dá)Cache，不到達(dá)主存，因而所使用的存儲(chǔ)器頻帶較低。5.8組相聯(lián)Cache的失效率比相同容量直接映象Cache的失效率低。由此能否得出結(jié)論：采用組相聯(lián)一定能帶來性能上的提高？為什么？答：不一定。因?yàn)榻M相聯(lián)命中率的提高是以增加命中時(shí)間為代價(jià)的，組相聯(lián)需要增加多路選擇開關(guān)。5.9寫出三級(jí)Cache的平均訪問時(shí)間的公式。解：平均訪存時(shí)間＝命中時(shí)間＋失效率×失效開銷只有第I層失效時(shí)才會(huì)訪問第I＋1。設(shè)三級(jí)Cache的命中率分別為HL1、Hl2、HL3，失效率分別為Ml1、Ml2、ML3，第三級(jí)Cache的失效開銷為PL3。平均訪問時(shí)間TA＝HL1＋Ml1{Hl2＋Ml2(HL3＋ML3×PL3)}5.10假設(shè)對(duì)指令Cache的訪問占全部訪問的75%；而對(duì)數(shù)據(jù)Cache的訪問占全部訪問的25%。Cache的命中時(shí)間為1個(gè)時(shí)鐘周期，失效開銷為50個(gè)時(shí)鐘周期，在混合Cache中一次load或store操作訪問Cache的命中時(shí)間都要增加一個(gè)時(shí)鐘周期，32KB的指令Cache的失效率為0.39%，32KB的數(shù)據(jù)Cache的失效率為4.82%，64KB的混合Cache的失效率為1.35%。又假設(shè)采用寫直達(dá)策略，且有一個(gè)寫緩沖器，并且忽略寫緩沖器引起的等待。試問指令Cache和數(shù)據(jù)Cache容量均為32KB的分離Cache和容量為64KB的混合Cache相比，哪種Cache的失效率更低？?jī)煞N情況下平均訪存時(shí)間各是多少？解：（1）根據(jù)題意，約75%的訪存為取指令。因此，分離Cache的總體失效率為：（75%×0.15%）＋（25%×3.77%）＝1.055%；容量為128KB的混合Cache的失效率略低一些，只有0.95%。（2）平均訪存時(shí)間公式可以分為指令訪問和數(shù)據(jù)訪問兩部分：平均訪存時(shí)間＝指令所占的百分比×（讀命中時(shí)間＋讀失效率×失效開銷）＋數(shù)據(jù)所占的百分比×（數(shù)據(jù)命中時(shí)間＋數(shù)據(jù)失效率×失效開銷）所以，兩種結(jié)構(gòu)的平均訪存時(shí)間分別為：分離Cache的平均訪存時(shí)間＝75%×（1＋0.15%×50）＋25%×（1＋3.77%×50）＝（75%×1.075）＋（25%×2.885）＝1.5275混合Cache的平均訪存時(shí)間＝75%×（1＋0.95%×50）＋25%×（1＋1＋0.95%×50）＝（75%×1.475）＋（25%×2.475）＝1.725因此，盡管分離Cache的實(shí)際失效率比混合Cache的高，但其平均訪存時(shí)間反而較低。分離Cache提供了兩個(gè)端口，消除了結(jié)構(gòu)相關(guān)。5.11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？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；兩者Cache容量均為64KB，塊大小都是32字節(jié)；組相聯(lián)Cache中的多路選擇器使CPU的時(shí)鐘周期增加了10％；這兩種Cache的失效開銷都是80ns；命中時(shí)間為1個(gè)時(shí)鐘周期；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×失效開銷平均訪問時(shí)間1-路=2.0+1.4%*80=3.12ns平均訪問時(shí)間2-路=2.0*(1+10%)+1.0%*80=3.0ns兩路組相聯(lián)的平均訪問時(shí)間比較低CPUtime=（CPU執(zhí)行+存儲(chǔ)等待周期）*時(shí)鐘周期CPUtime=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=IC（（CPI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））CPUtime1-way=IC(2.0*2+1.2*0.014*80)＝5.344ICCPUtime2-way=IC(2.2*2+1.2*0.01*80)＝5.36IC相對(duì)性能比：5.36/5.344=1.003直接映象cache的訪問速度比兩路組相聯(lián)cache要快1.04倍，而兩路組相聯(lián)Cache的平均性能比直接映象cache要高1.003倍。因此這里選擇兩路組相聯(lián)。5.12假設(shè)一臺(tái)計(jì)算機(jī)具有以下特性：95％的訪存在Cache中命中；塊大小為兩個(gè)字，且失效時(shí)整個(gè)塊被調(diào)入；CPU發(fā)出訪存請(qǐng)求的速率為109字/s；25％的訪存為寫訪問；存儲(chǔ)器的最大流量為109字/s（包括讀和寫）；主存每次只能讀或?qū)懸粋€(gè)字；在任何時(shí)候，Cache中有30％的塊被修改過；寫失效時(shí)，Cache采用按寫分配法。現(xiàn)欲給該計(jì)算機(jī)增添一臺(tái)外設(shè)，為此首先想知道主存的頻帶已用了多少。試對(duì)于以下兩種情況計(jì)算主存頻帶的平均使用比例。寫直達(dá)Cache；寫回法Cache。解：采用按寫分配：（1）寫直達(dá)cache訪問命中，有兩種情況：讀命中，不訪問主存；寫命中，更新cache和主存，訪問主存一次。訪問失效，有兩種情況：讀失效，將主存中的塊調(diào)入cache中，訪問主存兩次；寫失效，將要寫的塊調(diào)入cache，訪問主存兩次，再將修改的數(shù)據(jù)寫入cache和主存，訪問主存一次，共三次。上述分析如下表所示。訪問命中訪問類型頻率訪存次數(shù)Y讀95%*75%=71.3%0Y寫95%*25%=23.8%1N讀5%*75%=3.8%2N寫5%*25%=1.3%3一次訪存請(qǐng)求最后真正的平均訪存次數(shù)=(71.3%*0)+(23.8%*1)+(3.8%*2)+(1.3%*3)＝0.35已用帶寬=0.35×109/109=35.0%（2）寫回法cache訪問命中,有兩種情況：讀命中，不訪問主存；寫命中，不訪問主存。采用寫回法，只有當(dāng)修改的cache塊被換出時(shí)，才寫入主存；訪問失效,有一個(gè)塊將被換出，這也有兩種情況：如果被替換的塊沒有修改過，將主存中的塊調(diào)入cache塊中，訪問主存兩次；如果被替換的塊修改過，則首先將修改的塊寫入主存，需要訪問主存兩次；然后將主存中的塊調(diào)入cache塊中，需要訪問主存兩次，共四次訪問主存。訪問命中塊為臟頻率訪存次數(shù)YN95%*70%=66.5%0YY95%*30%=28.5%0NN5%*70%=3.5%2NY5%*30%=1.5%4所以：一次訪存請(qǐng)求最后真正的平均訪存次數(shù)=66.5％*0＋28.5%*0+3.5%*2+1.5%*4=0.13已用帶寬＝0.13×109/109＝13%5.13在偽相聯(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)，不對(duì)這兩個(gè)位置的數(shù)據(jù)進(jìn)行交換。這時(shí)只需要1個(gè)額外的周期。假設(shè)失效開銷為50個(gè)時(shí)鐘周期，2KB直接映象Cache的失效率為9.8%，2路組相聯(lián)的失效率為7.6%；128KB直接映象Cache的失效率為1.0%，2路組相聯(lián)的失效率為0.7%。推導(dǎo)出平均訪存時(shí)間的公式。利用（1）中得到的公式，對(duì)于2KBCache和128KBCache，計(jì)算偽相聯(lián)的平均訪存時(shí)間。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)間等于直接映象cache的命中時(shí)間加上偽相聯(lián)查找過程中的命中時(shí)間*該命中所需的額外開銷。命中時(shí)間偽相聯(lián)＝命中時(shí)間1路＋偽命中率偽相聯(lián)×1交換或不交換內(nèi)容，偽相聯(lián)的命中率都是由于在第一次失效時(shí)，將地址取反，再在第二次查找?guī)淼?。因此偽命中率偽相?lián)＝命中率2路－命中率1路＝（1－失效率2路）－（1－失效率1路）＝失效率1路－失效率2路。交換內(nèi)容需要增加偽相聯(lián)的額外開銷。平均訪存時(shí)間偽相聯(lián)＝命中時(shí)間1路＋（失效率1路－失效率2路）×1＋失效率2路×失效開銷1路將題設(shè)中的數(shù)據(jù)帶入計(jì)算，得到：平均訪存時(shí)間2Kb=1+(0.098-0.076)*1+(0.076*50)=4.822平均訪存時(shí)間128Kb=1+(0.010-0.007)*1+(0.007*50)=1.353顯然是128KB的偽相聯(lián)Cache要快一些。5.14假設(shè)采用理想存儲(chǔ)器系統(tǒng)時(shí)的基本CPI是1.5，主存延遲是40個(gè)時(shí)鐘周期；傳輸速率為4字節(jié)/時(shí)鐘周期，且Cache中50%的塊是修改過的。每個(gè)塊中有32字節(jié)，20%的指令是數(shù)據(jù)傳送指令。并假設(shè)沒有寫緩存，在TLB失效的情況下需要20時(shí)鐘周期，TLB不會(huì)降低Cache命中率。CPU產(chǎn)生指令地址或Cache失效時(shí)產(chǎn)生的地址有0.2%沒有在TLB中找到。在理想TLB情況下，計(jì)算均采用寫回法16KB直接映象統(tǒng)一Cache、16KB兩路組相聯(lián)統(tǒng)一Cache和32KB直接映象統(tǒng)一Cache機(jī)器的實(shí)際CPI；在實(shí)際TLB情況下，用（1）的結(jié)果，計(jì)算均采用寫回法16KB直接映象統(tǒng)一Cache、16KB兩路組相聯(lián)統(tǒng)一Cache和32KB直接映象統(tǒng)一Cache機(jī)器的實(shí)際CPI；其中假設(shè)16KB直接映象統(tǒng)一Cache、16KB兩路組相聯(lián)統(tǒng)一Cache和32KB直接映象統(tǒng)一Cache的失效率分別為2.9%、2.2%和2.0%；25%的訪存為寫訪問。解：CPI=CPI執(zhí)行+存儲(chǔ)停頓周期數(shù)/指令數(shù)存儲(chǔ)停頓由下列原因引起：從主存中取指令load和store指令訪問數(shù)據(jù)由TLB引起（1）對(duì)于理想TLB，TLB失效開銷為0。而對(duì)于統(tǒng)一Cache，R指令=R數(shù)據(jù)P指令=主存延遲＋傳輸一個(gè)塊需要使用的時(shí)間＝40＋32/4＝48（拍）若為讀失效，P數(shù)據(jù)＝主存延遲＋傳輸一個(gè)塊需要使用的時(shí)間＝40＋32/4＝48（拍）若為寫失效，且塊是干凈的，P數(shù)據(jù)＝主存延遲＋傳輸一個(gè)塊需要使用的時(shí)間＝40＋32/4＝48（拍）若為寫失效，且塊是臟的，P數(shù)據(jù)＝主存延遲＋傳輸兩個(gè)塊需要使用的時(shí)間＝40＋64/4＝56（拍）CPI=1.5+[RP+(RP*20%)+0]指令訪存全是讀，而數(shù)據(jù)傳輸指令Load或Store指令，f數(shù)據(jù)*P數(shù)據(jù)＝讀百分比*（f數(shù)據(jù)*P數(shù)據(jù)）＋寫百分比*（f數(shù)據(jù)*P干凈數(shù)據(jù)*其對(duì)應(yīng)的百分比＋f數(shù)據(jù)*P臟數(shù)據(jù)*其對(duì)應(yīng)的百分比）＝20%*（75％×48＋25％*（50％*48+50％*（48＋16）））=50（拍）代入上述公式計(jì)算出結(jié)果為：配置失效率CPI16KB直接統(tǒng)一映象0.0294.416KB兩路統(tǒng)一映象0.0223.432KB直接統(tǒng)一映象0.0203.2（2）將f數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)訪問指令頻率），Rt和Pt（分別是TLB的失效率和失效開銷），Rc和Pw（分別是Cache的失效率和寫回的頻率）代入公式得：TLB停頓/指令數(shù)={[1+f數(shù)據(jù)]*[Rc(1+Rw)]}RtPt其中，1+f數(shù)據(jù)：每條指令的訪問內(nèi)存次數(shù)；Rc(1+Rw)：每次內(nèi)存訪問需要的TLB訪問次數(shù)。由條件得：TLB停頓/指令數(shù)={[1+20%]*[Rc(1+25%)]}0.2%×20配置失效率理想TLB的CPI16KB直接統(tǒng)一映象0.0294.016KB兩路統(tǒng)一映象0.0223.432KB直接統(tǒng)一映象0.0203.2第6章輸入輸出系統(tǒng)6.1解釋以下術(shù)語響應(yīng)時(shí)間：從用戶鍵入命令開始，到得到結(jié)果所花的時(shí)間?？煽啃裕褐赶到y(tǒng)從某個(gè)初始參考點(diǎn)開始一直連續(xù)提供服務(wù)的能力，它通常用平均無故障時(shí)間來衡量。可用性：指系統(tǒng)正常工作的時(shí)間在連續(xù)兩次正常服務(wù)間隔時(shí)間中所占的比率。可信性：指服務(wù)的質(zhì)量，即在多大程度上可以合理地認(rèn)為服務(wù)是可靠的。RAID：廉價(jià)磁盤冗余陣列或獨(dú)立磁盤冗余陣列。分離事務(wù)總線：將總線事務(wù)分成請(qǐng)求和應(yīng)答兩部分。在請(qǐng)求和應(yīng)答之間的空閑時(shí)間內(nèi)，總線可以供給其它的I/O使用。采用這種技術(shù)的總線稱為分離事務(wù)總線。通道：專門負(fù)責(zé)整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輸入/輸出工作的專用處理機(jī)，能執(zhí)行有限的一組輸入輸出指令。通道流量：指一個(gè)通道在數(shù)據(jù)傳送期間，單位時(shí)間內(nèi)能夠傳送的數(shù)據(jù)量。虛擬DMA：它允許DMA設(shè)備直接使用虛擬地址，并在DMA傳送的過程中由硬件將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址。異步I/O：允許進(jìn)程在發(fā)出I/O請(qǐng)求后繼續(xù)執(zhí)行，直到該進(jìn)程真正訪問這些數(shù)據(jù)而它們又尚未就緒時(shí)，才被掛起。6.2假設(shè)一臺(tái)計(jì)算機(jī)的I/O處理時(shí)間占10%，當(dāng)其CPU性能改進(jìn)為原來的100倍，而I/O性能僅改進(jìn)為原來的2倍時(shí)，系統(tǒng)總體性能會(huì)有什么樣的變化？解：6.3RAID有哪些分級(jí)？各有何特點(diǎn)？答：(1)RAID0。亦稱數(shù)據(jù)分塊，即把數(shù)據(jù)分布在多個(gè)盤上，實(shí)際上是非冗余陣列，無冗余信息。(2)RAID1。亦稱鏡像盤，使用雙備份磁盤。每當(dāng)數(shù)據(jù)寫入一個(gè)磁盤時(shí)，將該數(shù)據(jù)也寫到另一個(gè)冗余盤，這樣形成信息的兩份復(fù)制品。如果一個(gè)磁盤失效，系統(tǒng)可以到鏡像盤中獲得所需要的信息。鏡像是最昂貴的解決方法。特點(diǎn)是系統(tǒng)可靠性很高，但效率很低。(3)RAID2。位交叉式海明編碼陣列。即數(shù)據(jù)以位或字節(jié)交叉的方式存于各盤，采用海明編碼。原理上比較優(yōu)越，但冗余信息的開銷太大，因此未被廣泛應(yīng)用。(4)RAID3。位交叉奇偶校驗(yàn)盤陣列，是單盤容錯(cuò)并行傳輸?shù)年嚵?。即?shù)據(jù)以位或字節(jié)交叉的方式存于各盤，冗余的奇偶校驗(yàn)信息存儲(chǔ)在一臺(tái)專用盤上。(5)RAID4。專用奇偶校驗(yàn)獨(dú)立存取盤陣列。即數(shù)據(jù)以塊(塊大小可變)交叉的方式存于各盤，冗余的奇偶校驗(yàn)信息存在一臺(tái)專用盤上。(6)RAID5。塊交叉分布式奇偶校驗(yàn)盤陣列，是旋轉(zhuǎn)奇偶校驗(yàn)獨(dú)立存取的陣列。即數(shù)據(jù)以塊交叉的方式存于各盤，但無專用的校驗(yàn)盤，而是把冗余的奇偶校驗(yàn)信息均勻地分布在所有磁盤上。(7)RAID6。雙維奇偶校驗(yàn)獨(dú)立存取盤陣列。即數(shù)據(jù)以塊(塊大小可變)交叉的方式存于各盤，冗余的檢、糾錯(cuò)信息均勻地分布在所有磁盤上。并且，每次寫入數(shù)據(jù)都要訪問一個(gè)數(shù)據(jù)盤和兩個(gè)校驗(yàn)盤，可容忍雙盤出錯(cuò)。6.4同步總線和異步總線各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？答：(1)同步總線。同步總線上所有設(shè)備通過統(tǒng)一的總線系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行同步。同步總線成本低，因?yàn)樗恍枰O(shè)備之間互相確定時(shí)序的邏輯。但是其缺點(diǎn)是總線操作必須以相同的速度運(yùn)行。(2)異步總線。異步總線上的設(shè)備之間沒有統(tǒng)一的系統(tǒng)時(shí)鐘，設(shè)備自己內(nèi)部定時(shí)。設(shè)備之間的信息傳送用總線發(fā)送器和接收器控制。異步總線容易適應(yīng)更廣泛的設(shè)備類型，擴(kuò)充總線時(shí)不用擔(dān)心時(shí)鐘時(shí)序和時(shí)鐘同步問題。但在傳輸時(shí)，異步總線需要額外的同步開銷。6.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)字長(zhǎng)32位，包含兩個(gè)選擇通道和一個(gè)多路通道，每個(gè)選擇通道上連接了兩臺(tái)磁盤機(jī)和兩臺(tái)磁帶機(jī)，多路通道上連接了了兩臺(tái)行式打印機(jī)，兩臺(tái)讀卡機(jī)，10臺(tái)終端，假定各設(shè)備的傳輸率如下：磁盤機(jī)：800KBps磁帶機(jī)：200KBps行打機(jī)：6.6KBps讀卡機(jī)：1.2KBps終端：1KBps計(jì)算該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的最大I/O數(shù)據(jù)傳輸率。解：本題要求計(jì)算通道的吞吐率，而且機(jī)器有一個(gè)多路通道，這就有兩種可能：字節(jié)多路通道和數(shù)組多路通道。因?yàn)槿绻麑⒍嗦吠ǖ澜M織成數(shù)組多路通道，某個(gè)時(shí)刻通道只能為一臺(tái)設(shè)備傳送數(shù)據(jù)，所以它的傳輸率是所有設(shè)備的傳輸率的最大值，而如果將它組織成字節(jié)多路通道，該通道的最大傳輸率就是所有設(shè)備的傳輸率之和。所以在本題中，從性能上考慮，應(yīng)組織成字節(jié)多路通道形式。所以此類通道的最大傳輸率為：（1）fBYTE＝∑fi＝f打印機(jī)傳輸率×2＋f讀卡機(jī)傳輸率×2＋f終端傳輸率×10＝25.6KBps（i＝1..14）（2）兩個(gè)選擇通道連接的設(shè)備相同，所以只要計(jì)算其中一個(gè)通道的傳輸率既可。因?yàn)榇疟P機(jī)的傳輸率大于磁帶機(jī)。所以此類通道的傳輸率為：max{800，200}＝800KBps所以本系統(tǒng)的最大數(shù)據(jù)傳輸率為：f系統(tǒng)＝2×800＋25.6＝1625.6KBps。6.6簡(jiǎn)述通道完成一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕^程。答：（1）在用戶程序中使用訪管指令進(jìn)入管理程序，由CPU通過管理程序組織一個(gè)通道程序，并啟動(dòng)通道。(2)通道處理機(jī)執(zhí)行CPU為它組織的通道程序，完成指定的數(shù)據(jù)I/O工作。(3)通道程序結(jié)束后向CPU發(fā)中斷請(qǐng)求。CPU響應(yīng)這個(gè)中斷請(qǐng)求后，第二次進(jìn)入操作系統(tǒng)，調(diào)用管理程序?qū)/O中斷請(qǐng)求進(jìn)行處理。6.7試比較三種通道的優(yōu)缺點(diǎn)及適用場(chǎng)合。答：（1）字節(jié)多路通道。一種簡(jiǎn)單的共享通道，主要為多臺(tái)低速或中速的外圍設(shè)備服務(wù)。（2）數(shù)組多路通道。適于為高速設(shè)備服務(wù)。（3）選擇通道。為多臺(tái)高速外圍設(shè)備（如磁盤存儲(chǔ)器等）服務(wù)的。6.8一個(gè)字節(jié)多路通道連接有6臺(tái)設(shè)備，它們的數(shù)據(jù)傳輸率如下表所示。設(shè)備名稱D1D2D3D4D5D6數(shù)據(jù)傳輸速率（B/ms）505040252510計(jì)算該通道的實(shí)際工作流量。若通道的最大流量等于實(shí)際工作流量，求通道的工作周期Ts+TD。解：（1）通道實(shí)際流量為（2）由于通道的最大流量等于實(shí)際工作流量，即有可得，通道的工作周期Ts+TD=5μs。6.9設(shè)某個(gè)字節(jié)多路通道的設(shè)備選擇時(shí)間Ts為9.8μs，傳送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)所需的時(shí)間TD為0.2μs。若某種低速外設(shè)每隔500μs發(fā)出一次傳送請(qǐng)求，那么，該通道最多可連接多少臺(tái)這種外設(shè)？解：字節(jié)多路通道的最大流量為：字節(jié)多路通道的實(shí)際流量為：其中，p為通道連接的外設(shè)臺(tái)數(shù)，fi為外設(shè)i的數(shù)據(jù)傳輸速率。因?yàn)檫B接的是同樣的外設(shè)，所以f1=f2=…=fp=f，故有fbyte=pf。通道流量匹配的要求有：fmax-byte≥fbyte即有：；可得：已知Ts=9.8μs，TD=0.2μs，1/f=500μs，可求出通道最多可連接的設(shè)備臺(tái)數(shù)為：6.10在有Cache的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，進(jìn)行I/O操作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生哪些數(shù)據(jù)不一致問題？如何克服？答：（1）存儲(chǔ)器中可能不是CPU產(chǎn)生的最新數(shù)據(jù)，所以I/O系統(tǒng)從存儲(chǔ)器中取出來的是陳舊數(shù)據(jù)。（2）I/O系統(tǒng)與存儲(chǔ)器交換數(shù)據(jù)之后，在Cache中，被CPU使用的可能就會(huì)是陳舊數(shù)據(jù)。第一個(gè)問題可以用寫直達(dá)Cache解決。第二個(gè)問題操作系統(tǒng)可以保證I/O操作的數(shù)據(jù)不在cache中。如果不能，就作廢Cache中相應(yīng)的數(shù)據(jù)。6.11假設(shè)在一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中：每頁(yè)為32KB，Cache塊大小為128字節(jié)；對(duì)應(yīng)新頁(yè)的地址不在Cache中，CPU不訪問新頁(yè)中的任何數(shù)據(jù)；Cache中95%的被替換塊將再次被讀取，并引起一次失效；Cache使用寫回方法，平均60%的塊被修改過；I/O系統(tǒng)緩沖能夠存儲(chǔ)一個(gè)完整的Cache塊；訪問或失效在所有Cache塊中均勻分布；在CPU和I/O之間，沒有其它訪問Cache的干擾；無I/O時(shí)，每100萬個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)有18000次失效；失效開銷是40個(gè)時(shí)鐘周期。如果被替換的塊被修改過，則再加上30個(gè)周期用于寫回主存；假設(shè)計(jì)算機(jī)平均每200萬個(gè)周期處理一頁(yè)。試分析I/O對(duì)于性能的影響有多大？解：每個(gè)主存頁(yè)有32K/128＝256塊。因?yàn)槭前磯K傳輸，所以I/O傳輸本身并不引起Cache失效。但是它可能要替換Cache中的有效塊。如果這些被替換塊中有60％是被修改過的，將需要（256×60％）×30＝4608個(gè)時(shí)鐘周期將這些被修改過的塊寫回主存。這些被替換出去的塊中，有95％的后繼需要訪問，從而產(chǎn)生95％×256＝244次失效，將再次發(fā)生替換。由于這次被替換的244塊中數(shù)據(jù)是從I/O直接寫入Cache的，因此所有塊都為被修改塊，需要寫回主存（因?yàn)镃PU不會(huì)直接訪問從I/O來的新頁(yè)中的數(shù)據(jù)，所以它們不會(huì)立即從主存中調(diào)入Cache），需要時(shí)間是244×（40＋30）＝17080個(gè)時(shí)鐘周期。沒有I/O時(shí)，每一頁(yè)平均使用200萬個(gè)時(shí)鐘周期，Cache失效36000次，其中60％被修改過，所需的處理時(shí)間為：（36000×40％）×40＋（36000×60％）×（40＋30）＝2088000（時(shí)鐘周期）時(shí)鐘I/O造成的額外性能損失比例為（4608＋17080）÷（2000000＋2088000）＝0.53％即大約產(chǎn)生0.53％的性能損失。第7章互連網(wǎng)絡(luò)7.1解釋以下術(shù)語線路交換：在線路交換中，源結(jié)點(diǎn)和目的結(jié)點(diǎn)之間的物理通路在整個(gè)數(shù)據(jù)傳送期間一直保持連接。分組交換：把信息分割成許多組（又稱為包），將它們分別送入互連網(wǎng)絡(luò)。這些數(shù)據(jù)包可以通過不同的路徑傳送，到目的結(jié)點(diǎn)后再拼合