計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)習(xí)重點+課后習(xí)題解答(顧一禾)

1、總 復(fù) 習(xí)第一章1. 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成、實現(xiàn)的基本概念和包含的內(nèi)容；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與軟硬件功能劃分的關(guān)系；計算機(jī)系統(tǒng)的多級層次結(jié)構(gòu)；判斷某項內(nèi)容屬于結(jié)構(gòu)、組成、實現(xiàn)的哪一類；判斷某項內(nèi)容針對不同程序員的透明性。 2. 促進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的因素（軟件、應(yīng)用、器件）。軟件：實現(xiàn)軟件可移植性的方法；系列機(jī)的概念；軟件兼容的概念（向前、向后、向上、向下兼容）；模擬與仿真技術(shù)的概念；應(yīng)用：應(yīng)用對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的要求。器件：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下移的概念。3. 計算機(jī)系統(tǒng)的分型與分類的概念。Flynn分類法4. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的定量原理（Amdahl定理）；加速比的計算方法；5. 程序訪問的局部性原理（時間局部性、空間局部性）；

2、判斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中局部性原理的應(yīng)用。6. 系統(tǒng)評價的指標(biāo)（響應(yīng)時間、CPU時間、MIPS、MFLOPS）；運用CPU性能公式、平均CPI比較系統(tǒng)性能。7. 并行性的概念；并行性的等級、粒度；并行性的開發(fā)策略（時間重疊、資源重復(fù)、資源共享）；8. 計算機(jī)系統(tǒng)的主要設(shè)計方法部分習(xí)題參考答案：1.6 解：（1）CPI (4500017500028000415002) / 1.776（2）MIPS速率f/ CPI 400/1.776 225.225MIPS（3）程序執(zhí)行時間= (4500017500028000415002)400106=5.75104s=0.575ms=575s1.8 解：（1）在多個部

3、件可改進(jìn)情況下，Amdahl定理的擴(kuò)展：已知re130，re220，re310，Sp10，fe10.3，fe20.3，得：得fe30.36，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)行時間為T，則3個部件改進(jìn)前的執(zhí)行時間為：（0.3+0.3+0.2）T = 0.8T，不可改進(jìn)部分的執(zhí)行時間為0.2T。已知3個部件改進(jìn)后的加速比分別為S130，S220，S310，因此3個部件改進(jìn)后的執(zhí)行時間為： 改進(jìn)后整個系統(tǒng)的執(zhí)行時間為：Tn = 0.045T+0.2T = 0.245T那么系統(tǒng)中不可改進(jìn)部分的執(zhí)行時間在總執(zhí)行時間中占的比例是：=82%1.9 解：（1）改進(jìn)后，各類操作的加速比re分

4、別是：操作類型各類操作的加速比re操作12/12操作220/151.33操作310/33.33操作44/14（2） 改進(jìn)前系統(tǒng)總執(zhí)行時間：102+3020+3510+1541030 改進(jìn)前各類操作時間在所有操作時間中所占的比例fe：操作類型改進(jìn)前各類操作的執(zhí)行時間在總的執(zhí)行時間中所占的比例操作1102/10300.01941.94%操作23020/10300.582558.3%操作33510/10300.339834%操作4154/10300.05835.83%根據(jù)Amdahl定律可得各類操作單獨改進(jìn)后，程序獲得的加速比分別是：操作類型改進(jìn)前各類操作的執(zhí)行時間在總的執(zhí)行時間中所占的比例各類操作

5、單獨改進(jìn)后，程序獲得的加速比操作11.94%1.01操作258.3%1.17操作334%1.31操作45.83%1.05（3）在多個部件可改進(jìn)情況下，Amdahl定理的擴(kuò)展：4類操作均改進(jìn)后，整個程序的加速比是：1/(1.94%/2+58.3%/1.33+34%/3.33+5.83%/4)1.78補(bǔ)充題1. 確定下列內(nèi)容各屬于哪方面的問題。（1）機(jī)器字長為32位。 A. B. C. （2）存儲器最大容量為64MB。 A. B. C. （3）存儲器采用31路交叉存儲方式。 A. B. C. （4）采用4M4位的DRAM存儲器芯片，組裝在一塊印刷電路板。 A. B. C. （5）存儲器字長為32位

6、，邏輯地址空間為4GB。 A. B. C.（6）主存儲器的存儲周期設(shè)計為200ns。 A. B. C. 答案中的符號的含義：A： 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) B： 計算機(jī)組成 C： 計算機(jī)實現(xiàn) 答： AABCAB2. 判斷下列哪些內(nèi)容對機(jī)器語言（含匯編語言）程序員是透明的。1）指令寄存器 2）程序計數(shù)器3）數(shù)據(jù)通路的寬度 4）浮點數(shù)據(jù)表示5）行波進(jìn)位加法器 6）Cache7）控制存儲器 8）中斷屏蔽觸發(fā)器9）通用寄存器 10）硬盤11）只讀存儲器使用EPROM芯片 12）微地址寄存器答： 1、3、5、6、7、11、12第二章1. 指令系統(tǒng)的設(shè)計要求（完備性、有效性、兼容性、規(guī)整性、對稱性、可擴(kuò)充性、正交性、有利

7、于編譯）。2. 指令系統(tǒng)的分類（堆棧型、累加器型、通用寄存器型）；通用寄存器型指令的特點（RR型、RM型、MM型）。3. 操作數(shù)訪問方式（按地址訪問、按內(nèi)容訪問）；按地址訪問的編址問題：字編址、字節(jié)編址、位編址；按字節(jié)編址時的大端排序與小端排序。編址規(guī)定中的訪存越界問題及其解決方法。按內(nèi)容訪問：聯(lián)想存儲器的工作過程。4. 指令格式的設(shè)計準(zhǔn)則；操作碼的優(yōu)化方法（霍夫曼編碼、擴(kuò)展霍夫曼編碼）。5. 指令系統(tǒng)的兩種設(shè)計風(fēng)格CISC和RISC。CISC風(fēng)格的特點；RISC風(fēng)格的特點。RISC風(fēng)格指令系統(tǒng)的實現(xiàn)技術(shù)：窗口寄存器重疊技術(shù)、優(yōu)化轉(zhuǎn)移技術(shù)。6. 數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)表示、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的概念和關(guān)系；引入數(shù)

8、據(jù)表示的原則（減少程序執(zhí)行時間和存儲容量、較好的通用性和較高的效率）；數(shù)據(jù)表示與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的關(guān)系。7. 向量數(shù)據(jù)表示的形式；采用向量數(shù)據(jù)表示時，向量指令中應(yīng)給出的內(nèi)容。8. 自定義數(shù)據(jù)表示：帶標(biāo)志符數(shù)據(jù)表示、數(shù)據(jù)描述符表示。部分習(xí)題參考答案：補(bǔ)充題一、 某模型機(jī)的9條指令在程序中的使用頻度經(jīng)統(tǒng)計如下表所示。指令I(lǐng)i使用頻度piADD43%SUB13%JMP7%JOM6%STO5%SHR1%CIL2%CLA22%STP1%寫出這9條指令操作碼的Huffman編碼、3-4擴(kuò)展編碼、2-7擴(kuò)展編碼，并計算這3種編碼的平均碼長。答：兩種Huffman編碼方案指令I(lǐng)i使用頻度piHuffman編碼1Huf

9、fman編碼234編碼27編碼ADD43%0000000CLA22%1010000101SUB13%11010101010JMP7%1110011000110JOM6%1110111010111STO5%1111011101000CIL2%111101001SHR1%1010STP1%1110平均碼長2.422.423.223.1Huffman編碼1的平均碼長：H0.4310.2220.133(0.070.060.05)50.026(0.010.01)72.42Huffman編碼2的平均碼長：H0.431(0.220.13)3(0.070.060.05)40.025(0.010.01)62.4

10、234編碼的平均碼長：H(0.430.220.13)3(0.070.060.050.020.010.01)43.2227編碼的平均碼長：H(0.430.220.13)2(0.070.060.050.020.010.01)73.1二、某處理機(jī)的指令系統(tǒng)的指令字長為12位，每個地址碼的長度為3位，現(xiàn)要求該指令系統(tǒng)中有：三地址指令4條、單地址指令255條、零地址指令16條。問能否用擴(kuò)展編碼的方式為其操作碼編碼？如果要求單地址指令為254條，能否對其操作碼用擴(kuò)展編碼？說明理由。答：三地址指令格式：3位3位3位3位操作碼地址碼1地址碼2地址碼3（1）3位操作碼，可以表示8條三地址指令，現(xiàn)只需4條，剩余4

11、個碼點。設(shè)沒有二地址指令，則單地址指令可以使用6位地址碼作為擴(kuò)展操作碼，共可有464256條指令，但要求有16條零地址指令，需要單地址指令留出2個碼點，2562254，不能滿足單地址指令的需要，所以不能用擴(kuò)展編碼的方式為該方案的操作碼編碼。（2）如果要求單地址指令為254條，則可以滿足單地址指令的需要，可以用擴(kuò)展編碼的方式為該方案的操作碼編碼。三、設(shè)需要計算X(a+b)(c+d)/(f-g)，其中a、b、c、d、f、g均事先存放在存儲器中，X為存放結(jié)果的存儲器單元。請用堆棧型、累加器型、寄存器寄存器型指令編寫完成同樣功能的匯編語言程序。設(shè)寄存器寄存器型指令為二地址指令，指令格式中第一操作數(shù)為目

12、的操作數(shù)，第二操作數(shù)為源操作數(shù)，指令的操作碼占一字節(jié)（包含指令中使用的寄存器），存儲器地址占二字節(jié)，操作數(shù)占四字節(jié)。請根據(jù)所編寫的匯編語言程序回答下列問題： 計算三種指令代碼序列從存儲器取指所需的總字節(jié)數(shù)。 計算三種指令代碼序列取數(shù)或存數(shù)所需的總字節(jié)數(shù)。 比較三種結(jié)構(gòu)所需的指令字節(jié)數(shù)和需傳送的總字節(jié)數(shù)。說明：減法為目的操作數(shù)減去源操作數(shù)、除法為目的操作數(shù)除以源操作數(shù)。答：（1）堆棧型指令取指字節(jié)數(shù)取/存數(shù)字節(jié)數(shù)PUSH a 38PUSH b38ADD ；(a+b)112PUSH c38PUSH d38ADD ；(c+d) 112MUL ；(a+b)(c+d)112PUSH f38PUSH g3

13、8SUB ；(f-g)112DIV ；(a+b)(c+d) /(f-g)112POP X ；X(a+b)(c+d)/(f-g)38總字節(jié)數(shù)26116（2）累加器型 指令取指字節(jié)數(shù)取/存數(shù)字節(jié)數(shù)LOAD a34ADD b34STORE h ； hab34LOAD c34ADD d ； cd34MUL h ；(a+b)(c+d)34STORE h ； h(a+b)(c+d)34LOAD f34SUB g ；f-g34STORE i ； if-g34LOAD h ；讀被除數(shù)h34DIV i ；(a+b)(c+d)/(f-g)34STORE X ； X(a+b)(c+d)/(f-g)34總字節(jié)數(shù)395

14、2（3）寄存器寄存器型X(a+b)(c+d)/(f-g)指令取指字節(jié)數(shù)取/存數(shù)字節(jié)數(shù)LOAD R1 ，a34LOAD R2，b34ADD R1 ，R2 ；R1a +b10LOAD R2 ，c34LOAD R3，d34ADD R2 ，R3 ；R2c +d10MUL R1 ，R2 ；R1(a+b)(c+d)10LOAD R2 ，f34LOAD R3，g34SUB R2 ，R3 ；R2f-g10DIV R1 ，R2 ；R1(a+b)(c+d) /(f-g)10STORE X，R1 ；X(a+b)(c+d)/(f-g)34總字節(jié)數(shù)2628指令條數(shù)取指字節(jié)數(shù)取數(shù)/存數(shù)字節(jié)數(shù)需傳送總字節(jié)數(shù)堆棧型12261

15、16142累加器型13395291寄存器寄存器型12262854第三章1. 標(biāo)量流水的基本概念和分類；先行控制的概念。會計算采用順序方式和不同的重疊方式執(zhí)行指令時的指令執(zhí)行時間。2. 利用時空圖進(jìn)行標(biāo)量流水線的性能分析（吞吐率、加速比、效率）3. 非線性流水線的調(diào)度方法（基本調(diào)度方法和優(yōu)化調(diào)度方法）。4. 掌握流水線操作中全局相關(guān)（轉(zhuǎn)移指令引起的相關(guān)）和局部相關(guān)（數(shù)據(jù)讀寫引起的相關(guān)）問題的解決方法。幾種解決全局相關(guān)的預(yù)測算法的原理及實現(xiàn)。5. 向量流水線的特點。向量處理方式（橫向、縱向、縱橫向加工）。6. 增強(qiáng)向量處理性能的方法（并行處理技術(shù)、鏈接技術(shù)）的應(yīng)用及向量程序的時間計算。7. 向量編

16、隊的方法，根據(jù)向量編隊計算性能參數(shù)的方法。8. 向量訪問步長，解決向量機(jī)的訪存沖突的方法。9. 向量處理性能的評估參數(shù)（Tvp、 R、n1/2、nv等）的定義。部分習(xí)題參考答案：3.9 解：for (i=2; i100; i=i+1)ai=bi+ai;/* s1 */ci+1=ai+di; /* s2 */ai-1=2*bi; /* s3 */bi+1=2*bi ;/* s4 */（1）在一次循環(huán)中存在的相關(guān)： 真數(shù)據(jù)相關(guān)：S1&S2：ai ai = bi + ai與ci+1 = ai + di 先寫后讀沒有輸出相關(guān)和反相關(guān)（2）展開循環(huán)后，可發(fā)現(xiàn)由于循環(huán)存在的相關(guān)：展開循環(huán)兩次：ai = b

17、i + ai; /* s1 */ci+1 = ai + di; /* s2 */ai-1 = 2 * bi; /* s3 */bi+1 = 2 * bi; /* s4 */ai+1 = bi+1 + ai+1; /* s1*/ci+2 = ai+1 + di+1; /* s2*/ai = 2 * bi+1; /* s3*/bi+2 = 2 * bi+1; /* s4*/存在的相關(guān)：真數(shù)據(jù)相關(guān)（先寫后讀）：S1&S2：ai： ai = bi + ai 與 ci+1 = ai + di S1&S2：ai： ai = bi + ai 與 ci+1 = ai + di S4& S1： bi+1；bi+

18、1 = 2 * bi 與 ai+1 = bi+1 + ai+1 S4& S3： bi+1：bi+1 = 2 * bi 與 ai = 2 * bi+1 S4&S4： bi+1；bi+1 = 2 * bi 與 bi+2 = 2 * bi+1 反相關(guān)（先讀后寫）：S1&S3：ai： ai = bi + ai 與ai = 2 * bi+1 S2&S3：ai：ci+1 = ai + di 與ai = 2 * bi+1輸出相關(guān)（先寫后寫）：S1&S3： ai： ai = bi + ai 與ai = 2 * bi+1 3.14 解：適合于流水線工作的算法：先計算A1B1、A2B2、A3B3和A4B4；再計算

19、(A1B1)(A2B2)和(A3B3)(A4B4)；最后求總的結(jié)果。完成該計算的時空圖，圖中陰影部分表示該段在工作。由圖可見，完成7個運算用了18個t，吞吐率為： 如果不用流水線，由于一次求積需3t，一次求和需5t，則產(chǎn)生上述7個結(jié)果共需（45+33）t =29t。所以加速比為： 該流水線的效率可由陰影區(qū)的面積和5個段總時空區(qū)的面積的比值求得： 3.17解：沒有控制相關(guān)時，流水線的平均CPI1存在控制相關(guān)時：無條件分支在第二個時鐘周期結(jié)束時就被解析出來，需要插入1個額外的stall；條件分支要到第3個時鐘周期結(jié)束時才能被解析出來，需要插入2個額外的stall。根據(jù)采用減少分支延遲的方法不同，所

20、得的加速比不同。（1）采用排空流水線的策略時，對無條件分支，有1個額外的stall；對于條件分支，有2個額外的stall：CPIA = 1+20%2+5%1 = 1.45 加速比S=CPIA/1 = 1.45（2）采用預(yù)測分支成功策略時，對無條件分支和成功的條件分支，有1個額外的stall，對于失敗的條件分支，有2個額外的stall（需作廢預(yù)取的成功分支指令）：CPIA = 1+20%(60%1+40%2) +5%1 = 1.33 加速比S= CPIA /1 = 1.33（3）采用預(yù)測分支失敗策略時，對無條件分支，有1個額外的stall，對于成功的條件分支，有2個額外的stall，（需作廢預(yù)取

21、的失敗分支指令）；對失敗的條件分支，由于預(yù)測失敗分支，因此分支指令相當(dāng)于一條普通指令，其目標(biāo)地址已經(jīng)由PC給出，流水線正常流動，不必等待，所以不需要延遲：CPIA = 1+20%(60%2 + 40%0) +5%1 = 1.29 加速比S= CPIA /1 = 1.29補(bǔ)充題已知有一個5段的流水線，其預(yù)約表如下： 時間功能段T1T2T3T4T5T6T7S1S2S3S4S51、試列出流水線的禁止表及原始沖突向量，畫出流水線的狀態(tài)圖，并選擇最佳的無沖突調(diào)度方案。2、按所選擇的調(diào)度方案，連續(xù)輸入6個任務(wù)，畫出流水線的時空圖并求出流水線的最大吞吐率、實際吞吐率、加速比和效率。答：1、 禁止表 F1，3

22、，6，原始沖突向量 C（）流水線狀態(tài)圖調(diào)度方案平均延遲時間2，53.52，2，534，54.54455最佳的無沖突調(diào)度方案為 2，2，5，2、 S5112233445566S4121323454656S3112233445566S2121323454656S11231243564561234567891011121314151617181920設(shè)每個功能段的時間為t流水線的最大吞吐率 Tpmax1/3t流水線的實際吞吐率 Tp6/20t0.3/t流水線的加速比：Sp67t/20t2. 1流水線的效率：E610/5*203/50.6=60%3.19 解：（1）設(shè)AB的中間結(jié)果放在V6中，（AB）

23、C的最后結(jié)果放在V7中，DE的中間結(jié)果放在V8中，（DE）F的最后結(jié)果放在V9中。具體實現(xiàn)參考下圖：通過時間應(yīng)該為前者（AB）C）通過的時間：T通過= (1+2+1)+(1+3+1) =9（拍）（2）在做完（AB）C之后，作（CD）E就不需要通過時間了。V6AB V7V6C V8DE V9V8F第四章1. 指令級并行的基本概念。2. 開發(fā)指令級并行常用的方法3. 超標(biāo)量、超流水、超長指令字的概念。4. 超長指令字的實現(xiàn)5. 循環(huán)展開和指令調(diào)度的基本方法部分習(xí)題參考答案：4.3分析：產(chǎn)生結(jié)果指令使用結(jié)果指令延遲時鐘周期數(shù)浮點計算另外的浮點計算3浮點計算浮點數(shù)據(jù)存操作（SD）2浮點數(shù)據(jù)取操作（LD

24、）浮點計算1浮點數(shù)據(jù)取操作（LD）浮點數(shù)據(jù)存操作（SD）0指令在流水線中執(zhí)行時需要的延遲：LOOP:L.DF0,0(R1) （空轉(zhuǎn)）MUL.DF0,F0,F2L.DF4,0(R2)（空轉(zhuǎn)）（空轉(zhuǎn)）ADD.DF0,F0,F4（空轉(zhuǎn)）（空轉(zhuǎn)）S.DF0,0(R2)DSUBIR1,R1,#8DSUBIR2,R2,#8BNEZR1,LOOP（空轉(zhuǎn)）解：將循環(huán)展開兩次，進(jìn)行指令調(diào)度，即可以消除延遲，其中增加寄存器F10、F14，對應(yīng)一次循環(huán)中的F0和F4.代碼如下：LOOP： L.D F0，0（R1）L.D F10，-8（R1）MUL.D F0，F(xiàn)0，F(xiàn)2MUL.D F10，F(xiàn)10，F(xiàn)2L.D F4，0

25、（R2）L.DF14，-8（R2）ADD.D F0，F(xiàn)0，F(xiàn)4ADD.DF10，F(xiàn)10，F(xiàn)14DSUBI R1，R1，#16S.D F0，0(R2)DSUBI R2，R2，#16BNEZ R1，LOOPS.D F10，8(R2)4.9 解：標(biāo)量流水處理機(jī)的時空圖：執(zhí)行完12條指令需T114t。超標(biāo)量流水處理機(jī)與超長指令字處理機(jī)的時空圖：超標(biāo)量流水處理機(jī)中，每一個時鐘周期同時啟動4條指令。執(zhí)行完12條指令需T25t，相對于標(biāo)量流水處理機(jī)的加速比為：超長指令字處理機(jī)中，每4條指令組成一條長指令，共形成3條長指令。執(zhí)行完12條指令需T35t，相對于標(biāo)量流水處理機(jī)的加速比為：超流水處理機(jī)的時空圖：超流

26、水處理機(jī)中，每1/4個時鐘周期啟動一條指令。執(zhí)行完12條指令需T45.75t，相對于標(biāo)量流水處理機(jī)的加速比為：補(bǔ)充題設(shè)系統(tǒng)中有多個加法器，不存在加法器的資源沖突，有3條連續(xù)指令構(gòu)成的程序代碼段： ADD R1，R2，R4 ADD R2，R1，1 SUB R1，R4，R5請回答：(1) 分析代碼段中的存在的數(shù)據(jù)相關(guān)；(2) 采用何種硬件技術(shù)可以解決這些數(shù)據(jù)相關(guān)？要求加以說明。答：I1 ADD R1，R2，R4I2 ADD R2，R1，1I3 SUB R1，R4，R5真數(shù)據(jù)相關(guān)RAW：I1與I2（R1） 先寫后讀名相關(guān)WAW：I1與I3（R1） 先寫后寫 反相關(guān)WAR：I1與I2（R2）；I2與I

27、3（R1） 先讀后寫解決方法：（1）I1與I2關(guān)于R1的RAW相關(guān)，可以用定向技術(shù)解決。（2）I1與I3關(guān)于R1的WAW相關(guān)，I1與I2（R2）；I2與I3（R1）的WAR，可以用寄存器換名技術(shù)解決。將R2，R1換名為R2，R1.解決結(jié)果：I1 ADD R1，R2，R4I2 ADD R2，R1，1I3 SUB R1，R4，R5第五章1. 存儲器層次結(jié)構(gòu)的概念；采用存儲器層次結(jié)構(gòu)的目的；程序局部性在存儲器層次結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。2. 設(shè)置Cache主存層次、主存輔存層次的目的；Cache主存層次、主存輔存層次實現(xiàn)手段的不同之處。3. 命中率（失效率）、平均訪問時間的概念和計算方法；如何利用速度、容量、

28、價格的關(guān)系設(shè)計存儲器層次結(jié)構(gòu)各級的參數(shù)。4. Cache的基本概念；主存Cache的三種地址映象方式及實現(xiàn)方法。能夠根據(jù)給定條件分析設(shè)計不同地址映象方式下，主存、Cache的地址和塊的映像關(guān)系。5. 各種替換算法的特點和實現(xiàn)方法；Cache的取算法和更新策略；Cache寫不命中時的調(diào)塊策略。6. 程序的執(zhí)行時間與Cache的性能的關(guān)系7. Cache的性能分析，失效率與塊大小、相聯(lián)度、容量之間的關(guān)系8. 提高主存帶寬的方法；并行存儲器的特點；高位交叉存取和低位交叉存取的特點和實現(xiàn)方法。能夠通過計算分析采用多體交叉技術(shù)后增加的存儲器帶寬和計算機(jī)性能的提高情況。部分習(xí)題參考答案：補(bǔ)充題 某采用組相

29、聯(lián)映像方式的Cache存儲系統(tǒng)中，主存由M0M7共8塊組成，Cache由C0C3共4塊組成。Cache分為2組，每組2塊。設(shè)在某程序的執(zhí)行過程中，訪存的主存塊地址流為：M6、M2、M4、M1、M4、M6、M3、M4、M0、M5、M3、M7，主存中的內(nèi)容在程序開始時未裝入Cache。設(shè)Cache采用LRU替換算法。(1) 列表寫出程序執(zhí)行過程中Cache中各塊的調(diào)入、替換和命中情況。(2) 計算該程序執(zhí)行過程中訪問Cache的命中率。答：主存塊M0、M2、M4、M6映射到Cache的0組中的C0、C1上主存塊M1、M3、M5、M7映射到Cache的1組中的C2、C3上 采用LRU替換算法時Cac

30、he中各塊使用情況：時刻123456789101112主存塊號M6M2M4M1M4M6M3M4M0M5M3M7C066*4444*4*44*4*4*4*C122*2*2*666*0000C21111*1*1*55*7*C33333*33調(diào)入調(diào)入替換調(diào)入命中替換調(diào)入命中替換替換命中替換Cache的命中率：H3/121/40.25 5.10 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%0.39%）（25%4.82%）1.4975%； 容量為64KB的混合Cache的失效率略低一些，只有1.35%。 （2）平均訪存時間公式可以分為指令訪問和數(shù)據(jù)訪問兩部分：

31、 平均訪存時間指令所占的百分比（讀命中時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)的平均訪存時間分別為： 分離Cache的平均訪存時間75%（10.39%50）25%（14.82%50）（75%1.195）（25%3.41）0.89625+0.85251.74875 混合Cache的平均訪存時間75%（11.35%50）25%（111.35%50）（75%1.675）（25%2.675）1.256250.668751.925因此，盡管分離Cache的實際失效率比混合Cache的高，但其平均訪存時間反而較低。分離Cache提供了兩個端口，消除了結(jié)構(gòu)相關(guān)

32、。5.11 解：平均訪問時間命中時間失效率失效開銷平均訪問時間1-路=2.0+1.4% *80=3.12ns平均訪問時間2-路=2.0*(1+10%)+1.0% *80=3.0ns兩路組相聯(lián)的平均訪問時間比較低CPUtime=（CPU執(zhí)行+存儲等待周期）*時鐘周期CPU time=IC（CPI執(zhí)行+總失效次數(shù)/指令總數(shù)*失效開銷）*時鐘周期=IC（CPI執(zhí)行*時鐘周期）+（每條指令的訪存次數(shù)*失效率*失效開銷*時鐘周期）CPU time 1-way=IC(2.0*2+1.2*0.014*80)5.344ICCPU time 2-way=IC(2.2*2+1.2*0.01*80)5.36IC相對

33、性能比：5.36/5.344=1.003和平均訪存時間的比較結(jié)果相反，從CPU時間的角度看，直接映像Cache的平均性能好一些。5.12解：（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1次（主存每次只能讀或?qū)懸粋€字）。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2次（一個主存塊為兩個字）；寫失效，采用按寫分配，即當(dāng)Cache寫不命中時，先把所寫單元所在的塊從主存調(diào)入Cache，然后再寫入Cache。 訪問主存次數(shù)：將所寫的塊調(diào)入cache，訪問主存2次，寫直達(dá)，寫入Cache的同時要將修改的數(shù)據(jù)寫入主存，再訪問主

34、存1次，共3次。寫直達(dá)，cache與主存信息一致，主存塊調(diào)入cache時，不用考慮塊的寫回。根據(jù)上述分析，各操作占總讀寫操作的比例和訪存次數(shù)如下表：訪問命中訪問類型某操作占總讀寫操作的比例訪存次數(shù)Y讀95%75%71.25% （75%是讀操作）0Y寫95%25%23.75% （25%是寫操作）1N讀5%75%3.75%2N寫5%25%1.25%3根據(jù)上表可得一次訪存請求后，真正的平均訪存次數(shù)：平均訪存次數(shù)(71.25%0)+( 23.75%1)+( 3.75%2)+ (1.25%3) 0.35次CPU發(fā)出訪存請求的速率為109字/s，即帶寬為109字/s，其中真正訪存的次數(shù)是0.35109次，

35、 已用帶寬所占的比例0.35109/109 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。寫回法cache訪問失效，無論讀寫，均需從主存調(diào)塊，同時要考慮被修改過的塊被替換時，需要寫回主存，存在兩種情況：讀失效，將主存中的塊調(diào)入cache中，同時要考慮Cache塊被替換時寫回主存的情況：讀失效的概率：5%75%=3.75%，在任何時候，Cache中有30的塊被修改過，70%塊沒有被修改過，是干凈的。替換時，對于70%的干凈塊，直接調(diào)塊，訪存2次；對于30%的臟塊，需將cache塊寫回主存后，再調(diào)塊，訪存4次。寫失效：采用按寫分配，即當(dāng)Cache寫不

36、命中時，先把所寫單元所在的塊從主存調(diào)入Cache，然后再寫入Cache。寫失效的概率：5%25%=1.25%，替換時，對于70%的干凈塊，從主存直接調(diào)塊，訪存2次；對于30%的臟塊，臟cache塊寫回主存訪存2次，再從主存調(diào)塊，訪存2次，共訪存4次。根據(jù)上述分析，訪問Cache不命中時各操作占總讀寫操作的比例和訪存次數(shù)如下表：訪問命中訪問類型塊為臟某操作占總讀寫操作的比例訪存次數(shù)Y讀X95%75%71.25% （75%是讀操作）0Y寫X95%25%23.75% （25%是寫操作）0N讀N（干凈）5%75%70%2.625%2N讀Y（臟）5%75%30%1.125%4N寫N（干凈）5%25%70

37、%0.875%2N寫Y（臟）5%25%30%0.375%4根據(jù)上表可得一次訪存請求后，真正的平均訪存次數(shù)：平均訪存次數(shù)71.25023.75%02.625%21.125%40.875%2+0.375%40.13次 已用帶寬所占的比例0.13109/109 13.0%第六章1. I/O系統(tǒng)的特點；I/O系統(tǒng)對計算機(jī)系統(tǒng)性能的影響，利用加速比進(jìn)行量化比較。2. 通道的概念；帶有通道的I/O系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；通道的工作過程。字節(jié)多路通道、選擇通道、數(shù)組多路通道的特點；根據(jù)給定條件進(jìn)行通道流量分析和主存頻率計算。部分習(xí)題參考答案：6.5解：本題要求計算通道的吞吐率，而且機(jī)器有一個多路通道，這就有兩種可能：字

38、節(jié)多路通道和數(shù)組多路通道。因為如果將多路通道組織成數(shù)組多路通道，某個時刻通道只能為一臺設(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）fBYTEfif打印機(jī)傳輸率2f讀卡機(jī)傳輸率2f終端傳輸率1025.6KBps （i1.14）（2）兩個選擇通道連接的設(shè)備相同，所以只要計算其中一個通道的傳輸率既可。因為磁盤機(jī)的傳輸率大于磁帶機(jī)。所以此類通道的傳輸率為： max800，200800KBps所以本系統(tǒng)的最大數(shù)據(jù)傳輸率為： f系統(tǒng)280025.61625.6KBps。6.8解：（1）通道實際流量為（2）由于通道的最大流量等于實際工作流量，即有可得，通道的工作周期Ts+TD = 5s。補(bǔ)充題有8臺外設(shè)的數(shù)據(jù)傳輸率分別如下表所示。設(shè)備號12345678數(shù)據(jù)傳輸速率（B/ms）5002401007550401410現(xiàn)要設(shè)計一種通道，其設(shè)備選擇時間TS2s，數(shù)據(jù)傳輸時間TD2s。請回答：（1） 如果按字節(jié)多路通道設(shè)計，該通道的最大流量是多少？如果希望從8臺設(shè)備中至少選擇4臺外設(shè)同時連接到該通道上，而且盡可