中南大學計算機體系結(jié)構(gòu)題庫

1、五 計算題 目 錄一、填空題1二、判斷題56三、名詞解釋74四、簡答題74五、計算題74五、計算題-1、試題序號：5812、題型：計算題3、難度級別：44、知識點：一、計算機體系結(jié)構(gòu)的基本概念5、分值：106、所需時間：15分鐘7、試題關(guān)鍵字：解釋執(zhí)行8、試題內(nèi)容：假設(shè)有一個計算機系統(tǒng)分為四級，每一級指令都比它下一級指令在功能上強M倍，即一條r+1級指令能夠完成M條r指令的工作，且一條r+1級指令需要N條r級指令解釋。對于一段在第一級執(zhí)行時間為K的程序，在第二、第三、第四級上的一段等效程序需要執(zhí)行多少時間？9、答案內(nèi)容：解：假設(shè)在第一級上用時間K執(zhí)行了該級IC條指令。1分對第二級而言，為了完成

2、IC條指令的功能，第二級指令的條數(shù)為：。為了執(zhí)行第二級條指令，需要執(zhí)行條第一級的指令對其進行解釋，所以對于第二級而言，等效程序的執(zhí)行時間是： 2分對于第三級而言，為了完成IC條指令的功能，第三級指令的條數(shù)為：。為了執(zhí)行第三級條指令，需要執(zhí)行條第二級的指令對其進行解釋。那么對第二級而言，總的指令條數(shù)為： 3分而第二級等效于第一級條指令，同時還需要條第一級指令進行解釋，所以第三級等效程序的執(zhí)行時間是： 3分按照同樣的逐層遞推關(guān)系，不難求得第四級等效程序的總的執(zhí)行時間為： 1分10、評分細則：10分/小題，評分細則分布在答案內(nèi)容中。-1、試題序號：5822、題型：計算題3、難度級別：34、知識點：1

3、.5 定量分析技術(shù)基礎(chǔ)5、分值：106、所需時間：15分鐘7、試題關(guān)鍵字：阿姆達爾定律8、試題內(nèi)容：已知某商用計算機擬增加字符串操作功能。 若用軟件實現(xiàn)，與無字符串操作相比，速度提高4倍， CPU成本提高1/5倍；若用硬件實現(xiàn)，則速度是原來的100倍，,CPU成本是原來的5倍。 由實驗測得，字符串操作占總運行時間的50%， CPU成本約占整機成本的1/3。你選用哪種設(shè)計方案?9、答案內(nèi)容：解：采用軟件方法時根據(jù)阿姆達爾定律，性能提高：=1.66 2分硬件成本提高到C=2/3 + 1/3* (1+1/5)=1.07 1分價格性能比為：C/S = 1.07/1.66 = 0.64 1分采用硬件方法

4、時： S=1/（1-50%）+50%/100=1.98 2分硬件成本提高到C=2/3 + 1/3* 5=2.33 1分價格性能比為：C/S = 2.33/1.98 = 1.18 1分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。 2分10、評分細則：10分/小題，評分細則分布在答案內(nèi)容中。-1、試題序號：5832、題型：計算題3、難度級別：44、知識點：一、計算機體系結(jié)構(gòu)的基本概念5、分值：106、所需時間：15分鐘7、試題關(guān)鍵字：CPU性能公式8、試題內(nèi)容：假設(shè)我們考慮條件分支指令的兩種不同設(shè)計方法如下： （1） CPUA：通過比較指令設(shè)置條件碼，然后測試

5、條件碼進行分支。 （2） CPUB：在分支指令中包括比較過程在兩種CPU中，條件分支指令都占用2個時鐘周期而所有其它指令占用1個時鐘周期，對于CPUA，執(zhí)行的指令中分支指令占20%；由于每個分支指令之前都需要有比較指令，因此比較指令也占20%。由于CPUA在分支時不需要比較，因此假設(shè)它的時鐘周期時間比CPUB快1.25倍。哪一個CPU更快？如果CPUA的時鐘周期時間僅僅比CPUB快1.1倍，哪一個CPU更快呢？9、答案內(nèi)容：解：我們不考慮所有系統(tǒng)問題，所以可用CPU性能公式。占用2個時鐘周期的分支指令占總指令的20%，剩下的指令占用1個時鐘周期。所以 CPIA = 0.2 ´ 2 +

6、 0.80 ´ 1 = 1.2 1分則CPU性能為： 總CPU時間A = IC ´ 1.2 ´ 時鐘周期A 1分根據(jù)假設(shè)，有： 時鐘周期B = 1.25 ´ 時鐘周期A 1分在CPUB中沒有獨立的比較指令，所以CPUB的程序量為CPUA的80%，分支指令的比例為： 20%/80% = 25% 2分這些分支指令占用2個時鐘周期，而剩下的75%的指令占用1個時鐘周期，因此： CPIB = 0.25 ´ 2 + 0.75 ´ 1 = 1.25 1分因為CPUB不執(zhí)行比較，故： ICB = 0.8 ´ ICA因此CPUB性能為： 總

7、CPU時間B = ICB ´ CPIB ´ 時鐘周期B = 0.8 ´ ICA ´ 1.25 ´ (1.25 ´ 時鐘周期A) = 1.25 ´ ICA ´ 時鐘周期A 2分在這些假設(shè)之下，盡管CPUB執(zhí)行指令條數(shù)較少，CPUA因為有著更短的時鐘周期，所以比CPUB快。如果CPUA的時鐘周期時間僅僅比CPUB快1.1倍，則 時鐘周期B = 1.10 ´ 時鐘周期ACPUB的性能為： 總CPU時間B = ICB ´ CPIB ´ 時鐘周期B = 0.8 ´ ICA ´

8、 1.25 ´ (1.10 ´ 時鐘周期A) = 1.10 ´ ICA ´ 時鐘周期A因此CPUB由于執(zhí)行更少指令條數(shù)，比CPUA運行更快。 2分10、評分細則：10分/小題，評分細則分布在答案內(nèi)容中。-1、試題序號：5842、題型：計算題3、難度級別：24、知識點：一、計算機體系結(jié)構(gòu)的基本概念5、分值：106、所需時間：15分鐘7、試題關(guān)鍵字：CPU性能公式8、試題內(nèi)容：對于一臺400MHz計算機執(zhí)行標準測試程序，程序中指令類型，執(zhí)行數(shù)量和平均時鐘周期數(shù)如下：指令類型指令執(zhí)行數(shù)量平均時鐘周期數(shù)整數(shù)450001數(shù)據(jù)傳送750002浮點80004分支150

9、02求該計算機的有效CPI、MIPS和程序執(zhí)行時間。9、答案內(nèi)容：解： 1分 3分 3分 程序執(zhí)行時間=（）400=575s 3分10、評分細則：10分/小題，評分細則分布在答案內(nèi)容中。-1、試題序號：5852、題型：計算題3、難度級別：24、知識點：一、計算機體系結(jié)構(gòu)的基本概念5、分值：106、所需時間：15分鐘7、試題關(guān)鍵字：CPI8、試題內(nèi)容：假定要在一個時鐘速率為40MHz的標量處理機上執(zhí)行20萬條目標代碼指令的程序，該程序中含有4種主要類型指令，每種指令類型所占的比例及CPI數(shù)如圖所示。要求計算：(1)在單處理機上執(zhí)行該程序的平均CPI.(2)根據(jù)(1)所得到的CPI值，計算相應(yīng)的M

10、IPS速率。指令類型CPI指令所占比例ALU160%LOAD/STORE指令(Cache命中時)418%Branch指令412%訪存指令(Cache 不合中時)810%9、答案內(nèi)容：解：=CPIi ICi/IC=1 0.6+4 0.18+4 0.12+8 0.1=2.24 5分階段 5分10、評分細則：10分/小題，評分細則分布在答案內(nèi)容中。-1、試題序號：5892、題型：計算題3、難度級別：34、知識點：三、流水線技術(shù)5、分值：106、所需時間：15分鐘7、試題關(guān)鍵字：流水線技術(shù)8、試題內(nèi)容：1、假設(shè)一條指令的解釋分為取指、分析與執(zhí)行三個階段，每個階段所需時間為t取指、t分析、t執(zhí)行。(1)

11、寫出用下列幾種方式執(zhí)行100條指令所需的時間的通式：1)順序方式；2)僅"執(zhí)行k"、與"取指k+1"重疊；3)僅"執(zhí)行K"、"分析k+1"和"取指k+2"重疊。(2)當t取指=t分析=2,t執(zhí)行=3以及t取指=t分析=4,t執(zhí)行=2時，用上述通式計算所需時間。9、答案內(nèi)容：解：（1）以下是各方式執(zhí)行100條指令所需時間的通式：1）順序方式：100t=t取指i+t分析i+t執(zhí)行i i=1 =100t取指i+t分析i+t執(zhí)行i 2分2）“執(zhí)行i”與“取指k”重疊：100t=t取指1+ t分析i=1

12、100+maxt執(zhí)行i，t取指i +t執(zhí)行100 2分 i=23）僅“執(zhí)行k”、“分析K+1”與“取指K+2”重疊：t=t取指1+maxt分析1，t取指2100+maxt執(zhí)行i2，t分析i1，t取指ii=3+maxt分析100，t執(zhí)行99 2分+t執(zhí)行100（2）當T取指=T分析=2，T執(zhí)行=3時，用上述通式計算所需時間 3分1）T=100（2+2+3）=7002）T=2+2×100+3×99+3=5023）T=2+2+3×97+3+3=301當T取指=T執(zhí)行=4，T分析=2時，用上述通式計算所需時間為：1）T=100（4+2+4）=10002）T=4+2

13、5;100+4×99+4=6043）T=4+4+4×97+4+4=404 1分10、評分細則：10分/小題，評分細則分布在答案內(nèi)容中。-1、試題序號：5902、題型：計算題3、難度級別：34、知識點：三、流水線技術(shù)5、分值：106、所需時間：15分鐘7、試題關(guān)鍵字：流水線技術(shù)8、試題內(nèi)容：一個流水線由四段組成，其中每當流經(jīng)第三段時，總要在該段循環(huán)一次才能流到第四段。如果每段經(jīng)過一次的時間都是t，問：當在流水線的輸入端每t時間輸入任務(wù)時，該流水線會發(fā)生什么情況？此流水線的實際吞吐率為多少？如果每2t輸入一個任務(wù)，連續(xù)處理10個任務(wù)的實際吞吐率和效率是多少？當每段時間不變時，如

14、何提高該流水線的吞吐率？仍連續(xù)處理10個任務(wù) 時，其吞吐率提高多少？9、答案內(nèi)容：解：（1）會發(fā)生流水線阻塞情況。2分（2） 4分（3）重復設(shè)置部件 4分吞吐率提高倍數(shù)1.6410、評分細則：10分/小題，評分細則分布在答案內(nèi)容中。-1、試題序號：5912、題型：計算題3、難度級別：34、知識點：三、流水線技術(shù)5、分值：106、所需時間：15分鐘7、試題關(guān)鍵字：流水線技術(shù)8、試題內(nèi)容：有一條流水線如下所示。求連續(xù)輸入10條指令，該流水線的實際吞吐率和效率；該流水線的瓶頸在哪一段？請采取三種不同的措施消除此“瓶頸”。對于你所給出的新流水線，計算連續(xù)輸入10條指令時，其實際吞吐率和效率。9、答案內(nèi)

15、容：解：（1） 3分（2）瓶頸在3、4段。l 變成八級流水線（細分） 3分l 變成兩級流水線（合并） 2分l 重復設(shè)置部件123-13-24-14-24-34-4 2分10、評分細則：10分/小題，評分細則分布在答案內(nèi)容中。1、試題序號：5932、題型：計算題3、難度級別：34、知識點：三、流水線技術(shù)5、分值：106、所需時間：15分鐘7、試題關(guān)鍵字：流水線技術(shù)8、試題內(nèi)容：一臺非流水處理器A的工作時鐘頻率為25MHz，它的平均CPI為4，處理器B是A的改進型，它有一條5段的線性指令流水線。由于鎖定電路延遲及時鐘扭斜效應(yīng)，它的工作時鐘頻率僅為20MHz。問：(1)若在A和B兩個處理器上執(zhí)行含有

16、100條指令的程序，則處理器B對A的加速比為多少?(2)在執(zhí)行上述程序時，計算A、B處理器各自的MIPS速率為多少?9、答案內(nèi)容：解：(1)Ta=100*4/2.5E7=1.6E-5 秒 Tb=(5+100-1)×4/5)/2E7=4.16E-6 秒 Sp=Ta/tb=3.85 5分(2)MIPSa=100/1.6E-5=6.25MIPSMIPSb=100/4.16E-6=24.04MIPS 5分10、評分細則：10分/小題，評分細則分布在答案內(nèi)容中。-1、試題序號：5942、題型：計算題3、難度級別：34、知識點：三、流水線技術(shù)5、分值：106、所需時間：15分鐘7、試題關(guān)鍵字：流

17、水線技術(shù)8、試題內(nèi)容：一個由4段構(gòu)成的雙輸入端的流水浮點加法器，每一段的延遲為10ns，輸出可直接返回到輸入端或把結(jié)果暫存到相應(yīng)緩沖寄存器中?，F(xiàn)若要將10個浮點數(shù)相加，問最少需用多少時間，要求畫出相應(yīng)的流水線工作的時空圖。9、答案內(nèi)容：解：根據(jù)題意，畫出相應(yīng)流水線時空圖： 6分所需最少時間：Tmin=17*10ns=170ns 4分10、評分細則：10分/小題，評分細則分布在答案內(nèi)容中。-1、試題序號：5952、題型：計算題3、難度級別：44、知識點：三、流水線技術(shù)5、分值：106、所需時間：15分鐘7、試題關(guān)鍵字：8、試題內(nèi)容：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

18、、3、6段組成，加法流水線由1、4、5、6段組成，通過每段所需時間如圖所示。使用流水線時，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)。若要計算：A×B=(a1+b1)×(a2+b2)×(a3+b3)，問：(1)在上述流水方式下，完成A×B需要多少時間?畫出時空圖并計算此流水線的使用效率和吞吐率。(2)與順序運算方式相比，加速比為多少?9、答案內(nèi)容：解：根據(jù)題意，畫出的時空圖為： 6分（1）T=26吞吐率：Tp=5/26效率：E=（2*17）/（26*6）=21.79% 3分（2）加速比：Sp=Tl/Tk=（6*3+8*2）/26=

19、1.31 1分10、評分細則：10分/小題，評分細則分布在答案內(nèi)容中。-1、試題序號：5962、題型：計算題3、難度級別：44、知識點：三、流水線技術(shù)5、分值：106、所需時間：15分鐘7、試題關(guān)鍵字：流水線技術(shù)8、試題內(nèi)容：在如下圖所示的靜態(tài)流水線上計算，流水線的輸出可以直接返回輸入端或暫存于相應(yīng)于的流水線寄存器中，試計算其吞吐率，加速比，效率。9、答案內(nèi)容：解：該題解題步驟為：(1) 確定適合于流水處理的計算過程。(2) 畫時空圖(3) 計算性能 (1) 確定適合于流水處理的計算過程為：3分(2)根據(jù)所確定的計算過程，畫出時空圖 4分(3) 根據(jù)時空圖和流水線性能公式，計算性能 3分故：吞

20、吐率 TP7(20t) 加速比 S(34t)(20t)1.7效率 E(4×43×6)(8×20)0.2110、評分細則：10分/小題，評分細則分布在答案內(nèi)容中。-1、試題序號：5972、題型：計算題3、難度級別：34、知識點：三、流水線技術(shù)5、分值：106、所需時間：15分鐘7、試題關(guān)鍵字：流水線技術(shù)8、試題內(nèi)容：假設(shè)各種分支所占指令數(shù)地百分比如下表所示：條件分支20（其中60是成功的）跳轉(zhuǎn)和調(diào)用5現(xiàn)有一深度為4地流水線（流水線有4段），無條件分支在第二個時鐘周期結(jié)束時就被解析出來，而條件分支要到第三個時鐘周期結(jié)束時才能被解析出來。第一個流水段是完全獨立于指令類型

21、的，即所有的指令都必須經(jīng)過第一個流水段的處理。請問在沒有任何結(jié)構(gòu)相關(guān)地情況下，該流水線相對于存在上述結(jié)構(gòu)相關(guān)情況下地加速比是多少？9、答案內(nèi)容：解：在不存在結(jié)構(gòu)相關(guān)時，每條指令的平均執(zhí)行時間是1個時鐘周期，而存在上述條件相關(guān)的情況下，并假設(shè)條件分支預測成功，那么無條件分支和成功的條件分支的等待時間都是1，而不成功地條件分支等待時間是2個周期；所以加速比就等于存在相關(guān)的每條指令的平均執(zhí)行時間和不存在相關(guān)的每條指令的執(zhí)行時間1的比值： 4分每條指令的平均等待時間： 4分所以： 2分10、評分細則：10分/小題，評分細則分布在答案內(nèi)容中。-1、試題序號：5982、題型：計算題3、難度級別：44、知識

22、點：3.5向量處理機5、分值：106、所需時間：15分鐘7、試題關(guān)鍵字：向量處理機8、試題內(nèi)容：CRAY-1機器上，按照鏈接方式執(zhí)行下述4條向量指令（括號中給出了相應(yīng)功能部件的時間），如果向量寄存器和功能部件之間數(shù)據(jù)傳輸需要1拍，試求此鏈接流水線的通過時間是多少拍？如果向量長度為64，則需要多少拍才能得到全部結(jié)果。V0存儲器（從存儲器中取數(shù)：7拍）V2V0V1（向量加：3拍）V2V2 < A3（按(A3)左移：4拍）V5V3V4（向量邏輯乘：2拍）9、答案內(nèi)容：解：通過時間就是每條向量指令的第一個操作數(shù)執(zhí)行完畢需要的時間，也就是各功能流水線由空到滿的時間，具體過程如下圖所示。要得到全部結(jié)

23、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。 2分 6分2分10、評分細則：10分/小題，評分細則分布在答案內(nèi)容中。-1、試題序號：5992、題型：計算題3、難度級別：44、知識點：3.5向量處理機5、分值：106、所需時間：15分鐘7、試題關(guān)鍵字：向量處理機8、試題內(nèi)容：向量處理機有16個向量寄存器，其中V0V5中分別存放有向量A、B、C、D、E、F，向量長度均為12，向量各元素均為浮點數(shù)；處理部件采用兩個單功能流水線，加法功能部件時間為2拍，乘法功能部件時間為3拍。采用類似CRAY-1的鏈接技術(shù)，先計算（AB）*C，在流水線不停留的情況下，接著計算（DE

24、）*F。（1） 求此鏈接流水線的通過時間為多少拍？（設(shè)寄存器入、出各需1拍）假如每拍時間為50ns，完成這些計算并把結(jié)果存進相應(yīng)寄存器，此處理部件地實際吞吐率為多少MFLOPS？9、答案內(nèi)容：解：（1）我們在這里假設(shè)AB的中間結(jié)果放在V6中，（AB）*C地最后結(jié)果放在V7中，DE地中間結(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分（2）在做完（AB）*C之后，作（CD）*E就不需要通過時間了。4分 4分10、評分細則：10分/小題，評分細則分布在答案內(nèi)容中。-1、試題序號

25、：6002、題型：計算題3、難度級別：34、知識點：四、指令級并行5、分值：106、所需時間：15分鐘7、試題關(guān)鍵字：指令調(diào)度8、試題內(nèi)容：對于下面的源代碼，轉(zhuǎn)換成DLX匯編語言，在不進行指令調(diào)度和進行指令調(diào)度兩種情況下，分析代碼一次循環(huán)的執(zhí)行時間。for (i=1; i<=1000; i+) xi=xi + s;假設(shè)：x0 的內(nèi)存地址為 0 （為簡單起見），R1的初值為x1000的地址，F(xiàn)2中存放的值為常量s。DLX浮點流水線的延遲如下表：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）浮點計算1浮點數(shù)據(jù)取操作（LD）

26、浮點數(shù)據(jù)存操作（SD）09、答案內(nèi)容：解：不進行指令調(diào)度的情況下，根據(jù)表中所給浮點流水線中指令執(zhí)行的延遲，實際運行： (1)LOOP:LDF0,0(R1)(2)(空轉(zhuǎn))(3)ADDDF4,F0,F2(4)(空轉(zhuǎn))(5)(空轉(zhuǎn))(6)SD0(R1),F4(7)SUBIR1,R1,#8(8)(空轉(zhuǎn))(9)BNEZR1,LOOP(10)(空轉(zhuǎn))一共 10 個時鐘周期，其中有5個是空轉(zhuǎn)周期。 4分指令調(diào)度：(1)LOOP:LDF0,0(R1)(2)(空轉(zhuǎn))(3)ADDDF4,F0,F2(4)SUBIR1,R1,#8(5)BNEZR1,LOOP(6)SD8(R1),F4一共 6 個時鐘周期，其中有 1

27、個空轉(zhuǎn)周期。 4分經(jīng)過指令調(diào)度，一個元素的操作時間從10個時鐘周期減少到6個時鐘周期，其中5個周期是有指令執(zhí)行的，只剩下一個空轉(zhuǎn)周期。 2分10、評分細則：10分/小題，評分細則分布在答案內(nèi)容中。-1、試題序號：6012、題型：計算題3、難度級別：44、知識點：5.2 Cache基本知識5、分值：106、所需時間：15分鐘7、試題關(guān)鍵字：Cache基本知識8、試題內(nèi)容：VAX-11/780在Cache命中時的指令平均執(zhí)行時間是8.5時鐘周期，Cache失效時間是6個時鐘周期，假設(shè)不命中率是11%，每條指令平均訪存3次。（1）試計算在考慮了Cache不命中時的指令平均間，它比Cache命中時平均

28、執(zhí)行時間延長百分之幾?（2）若CPU在Cache命中時的指令平均執(zhí)行時間是1.5時鐘周期，其他條件一樣，結(jié)果如何?從結(jié)果的比較可看出什么問題?9、答案內(nèi)容：解：（1）已知:Tie=8.5 Tm=6 1-Hc=0.11 在Cache命中時,每條指令的訪存時間是: Tca=3Tc=3 (Tc為平均訪問Cache時間,一般為1個時鐘周期) 2分而在考慮Cache不命中時,每條指令的訪存時間為:Tcb=3(0.89Tc+0.11×6)=2.67+1.98=4.65因指令執(zhí)行的其他時間相同,所以Ti=8.5-3+4.65=10.15(10.15-8.5)/8.5=0.194=19.4% 3分（

29、2）根據(jù)題意，Tie=1.5則當考慮Cache不命中時,每條指令的平均執(zhí)行時間為:Ti=1.5-3+4.65=3.15(3.15-1.5)/3.15=0.524=52.4% 3分由比較結(jié)果可以看出,在速度較高的系統(tǒng)中,Cache的命中率對指令的執(zhí)行速度有較大的影響,從而影響到整個系統(tǒng)的性能,因此,提高Cache的命中率,降低平均訪存時間,對提高系統(tǒng)的性能有著重要作用。 2分10、評分細則：10分/小題，評分細則分布在答案內(nèi)容中。-1、試題序號：6022、題型：計算題3、難度級別：34、知識點：5.2 Cache基本知識5、分值：106、所需時間：15分鐘7、試題關(guān)鍵字：存儲層次8、試題內(nèi)容：有

30、一個"Cache-主存"存儲層次，主存共分8個塊(07)，Cache分為4個塊(03),采用組相聯(lián)映象，組內(nèi)塊數(shù)為2塊，替換算法為近期最少使用法(LRU)。(1)畫出主存、Cache存儲器地址的各字段對應(yīng)關(guān)系；(2)對于如下主存塊地址流：1、2、4、1、3、7、0、1、2、5、4、6、4、7、2，如主存中內(nèi)空一開始未裝入Cache中，請列出隨時間變化Cache中各塊的使用情況。；(3)對于(2)，指出塊失效又發(fā)生塊爭用時刻。(4)對于(23)，求出此間的Cache命中率。9、答案內(nèi)容：解：(1)見下表: 3分nd區(qū)號q'組號s'塊號1位1位1位nmr(塊內(nèi)地

31、址)1位1位ncr(塊內(nèi)地址)qs (2)如下表: 3分訪問順序123456789101112131415地址塊號124137012546472Cache中塊分配情況111111111144444 - - 4444000555555 - 22227777776662 - - - - 33332222277操作狀態(tài)調(diào)進調(diào)進調(diào)進命中調(diào)進替換替換命中替換替換替換替換命中替換替換(3)在第14和15次訪問塊時產(chǎn)生塊失效又發(fā)生塊爭用現(xiàn)象。 2分(4)命中率：Hc=3/15=20% 2分10、評分細則：10分/小題，評分細則分布在答案內(nèi)容中。-1、試題序號：6032、題型：計

32、算題3、難度級別：34、知識點：五、存儲層次5、分值：106、所需時間：15分鐘7、試題關(guān)鍵字：平均訪存時間8、試題內(nèi)容：假設(shè)Cache的命中時間為1個時鐘周期，失效開銷為50 個時鐘周期，在混合Cache中一次load或store操作訪問Cache的命中時間都要增加一個時鐘周期(因為混合Cache只有一個端口，無法同時滿足兩個請求，混合Cache會導致結(jié)構(gòu)沖突)，根據(jù)下表所列的失效率，試問指令Cache和數(shù)據(jù)Cache容量均為16KB的分離Cache和容量為32KB的混合Cache相比，哪種Cache的失效率更低？又假設(shè)采用寫直達策略，且有一個寫緩沖器，并且忽略寫緩沖器引起的等待。請問上述兩

33、種情況下平均訪存時間各是多少？表1 指令Cache、數(shù)據(jù)Cache和混合Cache失效率的比較容 量指令 Cache數(shù)據(jù) Cache混合 Cache1 KB3.06%24.61%13.34%2 KB2.26%20.57%9.78%4 KB1.78%15.94%7.24%8 KB1.10%10.19%4.57%16 KB0.64%6.47%2.87%32 KB0.39%4.82%1.99%64 KB0.15%3.77%1.36%128 KB0.02%2.88%0.95%9、答案內(nèi)容：解： 如前所述，約75%的訪存為取指令。因此，分離Cache的總體失效率為： (75%×0.64%)(2

34、5%×6.47%)2.10% 2分 根據(jù)表1容量為32KB的混合Cache的失效率略低一些，只有1.99%。 1分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：平均訪存時間指令所占的百分比× (指令命中時間指令失效率×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) 2分所以，兩種結(jié)構(gòu)的平均訪存時間分別為：平均訪存時間分離75%×(10.64%×50)25%×(16.47%×50) (75%×1.32)(25%×4.325)0.9901.0592.05 2分平均訪

35、存時間混合75%×(11.99%×50)25%×(111.99%×50) (75%×1.995)(25%×2.995)1.4960.7492.24 2分故，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。 1分10、評分細則：10分/小題，評分細則分布在答案內(nèi)容中。-1、試題序號：6042、題型：計算題3、難度級別：44、知識點：五、存儲層次5、分值：106、所需時間：15分鐘7、試題關(guān)鍵字：Cache失效開銷8、試題內(nèi)容：假設(shè)Cache失效開銷為50個時鐘周期，當不考慮存儲器停頓時，所有指令的執(zhí)行時間都

36、是2.0個時鐘周期， Cache的失效率為2%，平均每條指令訪存1.33次。試分析Cache對性能的影響。9、答案內(nèi)容：解：CPU 時間IC×(CPIexe存儲器停頓周期數(shù)/指令數(shù))×時鐘周期時間 2分考慮Cache的失效后，性能為：CPU 時間有cacheIC×(2.0(1.33×2%×50)×時鐘周期時間 IC×3.33×時鐘周期時間 4分實際CPI ：3.333.33/2.0 = 1.67(倍) 2分CPU時間也增加為原來的1.67倍。但若不采用Cache,則： CPI2.0+50×1.3368.5

37、 2分10、評分細則：10分/小題，評分細則分布在答案內(nèi)容中。-1、試題序號：6052、題型：計算題3、難度級別：44、知識點：五、存儲層次5、分值：106、所需時間：15分鐘7、試題關(guān)鍵字：CPU性能8、試題內(nèi)容：考慮兩種不同組織結(jié)構(gòu)的Cache：直接映象Cache和兩路組相聯(lián)Cache，試問它們對CPU的性能有何影響？先求平均訪存時間，然后再計算CPU性能。分析時請用以下假設(shè)：理想Cache(命中率為100)情況下的CPI為2.0，時鐘周期為2ns，平均每條指令訪存1.3次。兩種Cache容量均為64KB，塊大小都是32字節(jié)。在兩路組相聯(lián)Cache中，我們必須增加一個多路選擇器，用于根據(jù)標

38、識匹配結(jié)果從相應(yīng)組的塊中選擇所需的數(shù)據(jù)。因為CPU的速度直接與Cache命中的速度緊密相關(guān),所以對于組相聯(lián)Cache，由于多路選擇器的存在而使CPU的時鐘周期增加到原來的1.10倍。這兩種結(jié)構(gòu)Cache的失效開銷都是70ns。在實際應(yīng)用中，應(yīng)取整為整數(shù)個時鐘周期。 命中時間為1個時鐘周期，64KB直接映象Cache的失效率為1.4%，相同容量的兩路組相聯(lián)Cache的失效率為1.0%。9、答案內(nèi)容：解：由:平均訪存時間命中時間失效率×失效開銷 1分 得:平均訪存時間1路2.0(0.014×70)2.98ns平均訪存時間2路2.0×1.10(0.010×70

39、)2.90ns 2分兩路級相聯(lián)Cache的平均訪存時間比較低。 1分由:CPU 時間IC×(CPIexe每條指令的平均存儲器停頓周期數(shù))×時鐘周期時間 IC ×(CPIexe×時鐘周期時間每條指令的平均存儲器停頓時間) 3分得：CPU時間1路IC×(2.0×2(1.3×0.014×70)5.27×ICCPU時間2路IC×(2.0×2×1.10(1.3×0.010×70)5.31×IC 2分相對性能比為：CPU時間2路/CPU時間1路=5.31&#

40、215;IC/5.27×IC=1.01 1分10、評分細則：10分/小題，評分細則分布在答案內(nèi)容中。-1、試題序號：6062、題型：計算題3、難度級別：34、知識點：五、存儲層次5、分值：106、所需時間：15分鐘7、試題關(guān)鍵字：存儲器性能8、試題內(nèi)容：給定以下的假設(shè)，試計算直接映象Cache和兩路組相聯(lián)Cache的平均訪問時間以及CPU的性能。由計算結(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中的多路選擇器使CPU的時鐘周期增加了10

41、；（4） 這兩種Cache的失效開銷都是80ns；（5） 命中時間為1個時鐘周期；（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10。9、答案內(nèi)容：解： 平均訪問時間命中時間失效率×失效開銷 1分平均訪問時間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。 3分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

42、次數(shù)*失效率*失效開銷*時鐘周期） 2分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 2分相對性能比：5.36/5.344=1.003 1分直接映象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)。 1分10、評分細則：10分/小題，評分細則分布在答案內(nèi)容中。-1、試題序號：6072、題型：計算題3、難度級別：34、知識點：五、存儲層次5、分值：106、所需時間：15

43、分鐘7、試題關(guān)鍵字：cache性能8、試題內(nèi)容：假設(shè)一臺計算機具有以下特性：（1） 95的訪存在Cache中命中；（2） 塊大小為兩個字，且失效時整個塊被調(diào)入；（3） CPU發(fā)出訪存請求的速率為109字/秒；（4） 25的訪存為寫訪問；（5） 存儲器的最大流量為109字/秒（包括讀和寫）；（6） 主存每次只能讀或?qū)懸粋€字；（7） 在任何時候，Cache中 有30的塊被修改過；（8） 寫失效時，Cache采用寫分配法?，F(xiàn)欲給計算機增添一臺外設(shè)，為此想先知道主存的頻帶已經(jīng)使用了多少。試對于以下兩種情況計算主存頻帶的平均使用比例。（1） 寫直達Cache；（2） 寫回法Cache。9、答案內(nèi)容：解：

44、采用按寫分配（1）寫直達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。3分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

45、=0.35×109/10 9 =35.0% 2分（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，只有當修改的cache塊被換出時，才寫入主存；訪問失效,有一個塊將被換出，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。3分訪問命中塊為臟頻 率訪存次數(shù)YN95%*70%=66.5%0YY95%*30%=28.5%0NN5%*70%=3.5%2NY5%*30%=1.5

46、%4所以：一次訪存請求最后真正的平均訪存次數(shù)=66.5*028.5%*0+3.5%*2+1.5%*4=0.13已用帶寬0.13×10 9/10 913% 2分10、評分細則：10分/小題，評分細則分布在答案內(nèi)容中。-1、試題序號：6082、題型：計算題3、難度級別：34、知識點：五、存儲層次5、分值：106、所需時間：15分鐘7、試題關(guān)鍵字：cache性能8、試題內(nèi)容：偽相聯(lián)中，假設(shè)在直接映象位置沒有發(fā)現(xiàn)匹配，而在另一個位置才找到數(shù)據(jù)（偽命中）時，需要1個額外的周期，而且不交換兩個Cache中的數(shù)據(jù)，失效開銷為50個時鐘周期。試求：（1） 推導出平均訪存的時間公式。（2） 利用（1）

47、中得到的公式，對于2KBCache和128KBCache，重新計算偽相聯(lián)的平均訪存時間。請問哪一種偽相聯(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。9、答案內(nèi)容：解：不管作了何種改進，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。1分偽相聯(lián)cache的命中時間等于直接映象cache的命中時間加上偽相聯(lián)查找過程中的命中時間*該命中所需的額外開銷。命中時間偽相聯(lián)命中時間1路偽命中率偽相聯(lián)×1 2分交換或不交換內(nèi)容，偽相聯(lián)的命中率都是由于在第一次失效時，將地址取反，再在第二次查找?guī)淼摹Ｒ虼?偽命中率偽相聯(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。2分平均訪存時間偽相聯(lián)命中時間1路（失效率1路失效率2路）×1失效率2路×失效開銷1路 2分將題設(shè)中的數(shù)據(jù)帶入計算，得到：平均訪存時間2Kb=1+(0.098-0.076)*1+(0.076 *50 ) =4.822平均訪存時間128Kb=1+(0.010-0.007)*1+(0.007 *50 ) =1.353 2分顯然是128