《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》習(xí)題課及答案全套課件

習(xí)題課目錄1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的根本概念

2指令系統(tǒng)

3存儲系統(tǒng)

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4輸入輸出系統(tǒng)

5標(biāo)量處理機(jī)

7互連網(wǎng)絡(luò)●根本要求：１〕計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的根本概念，定量原理，指令的格式設(shè)計(jì)，CISC與RISC，虛擬存儲頁面替換算法，Cache映象，通道流量分析，數(shù)據(jù)相關(guān)，線性與非線性流水線技術(shù)及性能分析，互連網(wǎng)絡(luò)根本概念；●學(xué)習(xí)重點(diǎn)：１〕定量原理，指令格式設(shè)計(jì)，RISC，頁面替換算法，Cache映象，流水線性能分析；1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的根本概念1.1名詞解釋

返回目錄1.計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的定義：程序員所看到的計(jì)算機(jī)的屬性，即概念性結(jié)構(gòu)與功能特性。Amdahl提出的體系結(jié)構(gòu)：是指傳統(tǒng)機(jī)器級的體系結(jié)構(gòu)。即一般所說的機(jī)器語言程序員所看到的傳統(tǒng)機(jī)器級所具有的屬性。

2.透明性

在計(jì)算機(jī)技術(shù)中，對這種本來是存在的

事物或?qū)傩?，但從某種角度看又好象不存在。大概率事件優(yōu)先原那么：即對于大概率事件〔最常見事件〕，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。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。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，而是相對地簇聚；這種簇聚包括指令和數(shù)據(jù)兩局部。程序局部性包括程序的時(shí)間局部性和空間局部性。時(shí)間局部性：程序即將用到的信息很可能就是目前正在使用的信息空間局部性：程序即將用到的信息很可能與目前正在使用的信息相鄰或臨近。 1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的根本概念1.1名詞解釋

系統(tǒng)加速比：系統(tǒng)改進(jìn)前與改進(jìn)后總執(zhí)行時(shí)間之比CPI：指令周期數(shù)〔CyclesofInstruction)并行性：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的性質(zhì)相同或不同的工作。翻譯：先把N＋1級程序全部變換成N級程序之后，再去執(zhí)行N級程序，在執(zhí)行過程中，N＋1級程序不再被訪問〔基于層次結(jié)構(gòu)〕解釋：每當(dāng)一條N＋1級指令被譯碼后，就直接去執(zhí)行一串等效的N級指令，然后再去取下一條N＋1級指令，依此重復(fù)進(jìn)行。1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的根本概念1.1名詞解釋

例：設(shè)某程序中FP操作占20%，其平均CPI=4.0,FPSQR操作的比例占4%，其平均CPI=20.0,其它指令平均CPI=1.20，現(xiàn)采用兩種方法進(jìn)行優(yōu)化:

a.將FP操作的CPI減為2;

b.將FPSQR操作的CPI減少為12;

問1：哪一種方法更優(yōu)?問2：假設(shè)同時(shí)采用a、b方法，系統(tǒng)的加速比為多少？1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的根本概念1.2

問1解：比較2方案的CPI即可CPIa=〔1-20%-4%〕×CPI其他+〔20%×CPIFP〕+〔4%×CPIFPSQR〕

=76%×1.20+20%×2+4%×20=2.11

CPIb=〔1-20%-4%〕×CPI其他+〔20%×CPIFP〕 +〔4%×CPIFPSQR〕

=76%×1.20+20%×4+4%×12=2.3

所以，采用方法a更優(yōu)。1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的根本概念1.2

問2解：加速比：1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的根本概念1.2

例：假設(shè)我們考慮條件分支指令的兩種不同設(shè)計(jì)方法如下：(1)CPUA：通過比較指令設(shè)置條件碼，然后測試條件碼進(jìn)行分支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(gè)時(shí)鐘周期而所有其它指令占用1個(gè)時(shí)鐘周期，對于CPUA，執(zhí)行的指令中分支指令占20%；由于每個(gè)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CPUB在分支時(shí)需要比較，因此假設(shè)它的時(shí)鐘周期時(shí)間是CPUA的1.25倍。問1：哪一個(gè)CPU更快？1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的根本概念1.3

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(gè)時(shí)鐘周期的分支指令占總指令的20%，剩下的指令占用1個(gè)時(shí)鐘周期。所以CPIA=20%2+80%1=1.2那么CPU性能為：總CPU時(shí)間A=ICA1.2時(shí)鐘周期A解1：1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的根本概念1.3

根據(jù)假設(shè)，有：時(shí)鐘周期B=1.25時(shí)鐘周期A在CPUB中沒有獨(dú)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%這些分支指令占用2個(gè)時(shí)鐘周期，而剩下的75%的指令占用1個(gè)時(shí)鐘周期，因此：CPIB=0.252+0.751=1.25因?yàn)镃PUB不執(zhí)行比較，故：ICB=0.8ICA解1：1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的根本概念1.3

因此CPUB性能為：總CPU時(shí)間B=ICB

CPIB

時(shí)鐘周期B

=0.8ICA

1.25(1.25時(shí)鐘周期A)=1.25ICA

時(shí)鐘周期A在這些假設(shè)之下，盡管CPUB執(zhí)行指令條數(shù)較少，CPUA因?yàn)橛兄痰臅r(shí)鐘周期，所以比CPUB快。解1：1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的根本概念1.3

例：我們分析一個(gè)用于Web效勞器系統(tǒng)的處理器的性能。假定采用某增強(qiáng)方式使新的CPU處理Web效勞器應(yīng)用程序的運(yùn)行速度是原來處理器中的10倍，同時(shí)假定此CPU有40%的時(shí)間用于計(jì)算，另外60%的時(shí)間用于I/O操作。那么增強(qiáng)性能后總的加速比是多少？解：增強(qiáng)比例=0.4增強(qiáng)加速比=10總加速比=10.6+0.410=0.64=1.5611計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的根本概念1.4

例：設(shè)某計(jì)算機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行程序中，可向量化局部最大可達(dá)70%。一種實(shí)現(xiàn)方法是采用陳列多處理機(jī)即硬件方式實(shí)現(xiàn)，使60%的向量化指令執(zhí)行速度加快到原來的10倍，另一種方法是采用優(yōu)化編譯系統(tǒng)的方法實(shí)現(xiàn)，使向量化程序可達(dá)70%，且速度可增加3倍。請比較這兩種方案哪種更優(yōu)。解：通過計(jì)算加速比知，硬件方案較優(yōu)！1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的根本概念1.5

Assumeasimpleload/storemachinewiththefollowinginstructionfrequency:

InstructiontypeFrequencyCyclesLoads25%2Stores15%2Branches20%2ALU40%1conditionalbranchescurrentlyusesimpletestagainst0Shouldweaddcomplexcomparison/branchcombination(BEQRn,Rm,LOCorBNERn,Rm,LOC)----25%ofbranchescanusethecomplexschemeandsave(節(jié)省了〕theprecedingALUinstruction----TheCPUcycletime(CCT)ofthemachinehastobe10%longer----WillthisincreaseCPUperformance?1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的根本概念1.6

1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的根本概念1.6

使用40MHz時(shí)鐘速率的處理機(jī)執(zhí)行一個(gè)測試程序，它的主要指令類型所執(zhí)行的指令數(shù)及所需的時(shí)鐘周期數(shù)如下，試計(jì)算執(zhí)行此程序的有效CPI，MIPS速率及總的CPU時(shí)間。〔p33習(xí)題1.19)

指令類型指令數(shù)時(shí)鐘周期數(shù)整數(shù)算術(shù)450001數(shù)據(jù)傳送320002浮點(diǎn)150002控制轉(zhuǎn)移800021計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的根本概念1.7p33習(xí)題1.19

總時(shí)鐘周期數(shù)=45000*1+32000*2+15000*2+8000*2=155000總指令數(shù)=45000+32000+15000+8000=100000CPI=總時(shí)鐘周期數(shù)/總指令數(shù)=1.55總CPU執(zhí)行時(shí)間=155000/40*10-6=0.003875sMIPS=總指令數(shù)*10-6/總時(shí)間=0.1/0.003875=25.81計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的根本概念1.7p33習(xí)題1.19

1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的根本概念1.8p33習(xí)題1.20

某工作站采用時(shí)鐘頻率為15MHz，處理速率為10MIPS的處理機(jī)來執(zhí)行一個(gè)混合程序。假定每次存儲器存取為1周期延遲，試問：〔1〕此計(jì)算機(jī)的有效CPI是多少？〔2〕時(shí)鐘提高到30MHz，但存儲器子系統(tǒng)速率不變。這樣，每次存儲器存取需要2個(gè)時(shí)鐘周期。如果30%指令每條只需要1次存儲存取，而另外5%每條需要2次存儲存取，還假定混合程序的指令數(shù)不變，并與原工作站兼容，試求改進(jìn)后的處理機(jī)性能。 1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的根本概念1.8p33習(xí)題1.20

解：〔1〕設(shè)該程序執(zhí)行時(shí)間為t，那么CPI=總時(shí)鐘周期數(shù)/總指令數(shù)=(t*15M)/(t*10M)=1.5〔2〕公式：CPUtime=IC*CPI*CCT即有：CPUtime=指令數(shù)＊指令周期數(shù)＊cpu周期時(shí)間1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的根本概念1.8p33習(xí)題1.20

1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的根本概念1.9p34習(xí)題1.21

解：2指令系統(tǒng)2.1名詞解釋

CISC:復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)〔ComplexInstructionSetComputer〕。強(qiáng)化指令功能，設(shè)置一些功能復(fù)雜的指令，把一些原來由軟件實(shí)現(xiàn)的、常用的功能改用硬件的指令系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，基于這種指令集結(jié)構(gòu)而設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)稱為CISC計(jì)算機(jī)。RISC:精簡指令集計(jì)算機(jī)〔ReducedInstructionSetComputer〕。盡量簡化指令功能，只保存那些功能簡單，能在一個(gè)周期內(nèi)執(zhí)行完成的指令，較復(fù)雜的功能用一段子程序來實(shí)現(xiàn)，這種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)稱為RISC計(jì)算機(jī)。

返回目錄2指令系統(tǒng)2.2簡答

RISC的關(guān)鍵技術(shù)有哪些？延時(shí)轉(zhuǎn)移技術(shù)指令取消技術(shù)重疊存放器窗口技術(shù)指令流調(diào)整技術(shù)硬件為主，固件為輔2指令系統(tǒng)2.3

例:某計(jì)算機(jī)有10條指令，它們的使用頻率分別為0.30,0.20,0.16,0.09,0.08,0.07,0.04,0.03,0.02,0.01(1)用霍夫曼編碼對它們的操作碼進(jìn)行編碼，并計(jì)算平均代碼長度。(2)用擴(kuò)展霍夫曼編碼法對操作碼進(jìn)行編碼，限兩種操作碼長度，并計(jì)算平均代碼長度。2指令系統(tǒng)2.3

答：(1)霍夫曼樹如下：2指令系統(tǒng)2.3

霍夫曼編碼的結(jié)果以及各編碼的長度如下所示：0.300.200.160.090.080.070.040.030.020.01110110100110011000000100001000001000002233444566平均代碼長度為(0.30+0.20)×2+(0.16+0.09)×3+(0.08+0.07+0.04)×4+0.03×5+(0.02+0.01)×6=1+0.75+0.76+0.15+0.18=2.842指令系統(tǒng)2.3

(2)用擴(kuò)展霍夫曼編碼法對操作碼進(jìn)行編碼，限兩種操作碼長度，采用長度為2和長度為4兩種編碼：0.300.200.160.090.080.070.040.030.020.01000110001001101010111100110111101111 平均代碼長度為 (0.30+0.20)×2+(1-0.30-0.20)×4=3.02指令系統(tǒng)2.4P127頁習(xí)題2.13

出現(xiàn)的概率Huffman編碼2/8擴(kuò)展碼3/7擴(kuò)展碼0.251000000.200001010.151101000100.100101001110000.0801111010110010.0811101011110100.0501101100110110.04111101101111000.031111111110111010.02111110111111110解：2指令系統(tǒng)2.4P127頁習(xí)題2.13

解：出現(xiàn)的概率Huffman編碼2/8擴(kuò)展碼3/7擴(kuò)展碼操作碼平均長度2.993.13.2操作碼的信息冗余量2指令系統(tǒng)2.4P127頁習(xí)題2.13

解：出現(xiàn)的概率Huffman編碼2/8擴(kuò)展碼3/7擴(kuò)展碼操作碼平均長度2.993.13.2操作碼的信息冗余量1.10%4.61%7.59%2指令系統(tǒng)2.5P127頁習(xí)題2.14

2指令系統(tǒng)2.5P127頁習(xí)題2.14

解:〔1〕應(yīng)采用Huffman編碼，構(gòu)造Huffman樹如下：2指令系統(tǒng)2.5P127頁習(xí)題2.14

2指令系統(tǒng)2.5P127頁習(xí)題2.14

2指令系統(tǒng)2.5P127頁習(xí)題2.14

2指令系統(tǒng)2.6P128頁習(xí)題2.15

2指令系統(tǒng)2.6P128頁習(xí)題2.15

解:〔1〕首先，我們可以根據(jù)指令地址的數(shù)量來決定各種指令在指令空間上的分布：2指令系統(tǒng)2.6P128頁習(xí)題2.15

2指令系統(tǒng)2.6P128頁習(xí)題2.15

2指令系統(tǒng)2.7P129頁習(xí)題2.20

解：START:MOVEAS,R1MOVENUM,R2LOOP:MOVE(R1),AD-AS(R1)INCR1DECR2BGTLOOP

HALTNUM:NHALT指令共取100次，但前99次都被取消。2指令系統(tǒng)2.7P129頁習(xí)題2.20

解：(1)START:MOVEAS,R1MOVENUM,R2MOVE(R1),AD-AS(R1)LOOP:INCR1DECR2BGTLOOP____

MOVE(R1),AD-AS(R1)____HALTNUM:NMOVE指令共取100次，但前99次都被正常執(zhí)行，只有最后1次被取消。2指令系統(tǒng)2.7P129頁習(xí)題2.20

解：(2) 因?yàn)椴捎弥噶钊∠夹g(shù)前，取消指令次數(shù)為99次，而在采用指令取消技術(shù)后，取消指令次數(shù)為1次，所以節(jié)省的指令周期數(shù)為：99－1＝982指令系統(tǒng)2.7P129頁習(xí)題2.20

START:MOVEAS,R1MOVENUM,R2MOVE(R1),AD-AS(R1) INCR1LOOP:DECR2BGTLOOP______

MOVE(R1),AD-AS(R1)______

INCR1______HALTNUM:N解：(3)3存儲系統(tǒng)3.1名詞解釋

返回目錄存儲系統(tǒng):由多個(gè)不同性能的存儲器組成的有機(jī)的一體化的存儲體。LRU:近期最少使用算法(LeastRecentlyUsedAlgorithm)。一種頁面替換算法，這種算法選擇近期最少訪問的頁面作為被替換的頁面。LFU：最久沒用使用的算法—LFU〔LeastFrequentlyUsedAlgorithm〕。一種頁面替換算法，這種算法把近期最久沒有訪問過的頁面作為被替換的頁面。3存儲系統(tǒng)3.1名詞解釋

“顛簸〞現(xiàn)象(thrashing)：下次就要使用的頁面本次被替換出去，這種現(xiàn)象稱為~。全相聯(lián)映象：主存中的任一塊可以被放置到Cache中的任意一個(gè)位置。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)位置。組相聯(lián)：主存中的每一塊可以被放置到Cache中唯一的一個(gè)組中的任何一個(gè)位置。3存儲系統(tǒng)3.1名詞解釋

寫直達(dá)法：執(zhí)行“寫〞操作時(shí)，不僅寫入Cache，而且也寫入下一級存儲器。寫回法：執(zhí)行“寫〞操作時(shí)，只寫入Cache。僅當(dāng)Cache中相應(yīng)的塊被替換時(shí)，才寫回主存。按寫分配(寫時(shí)取)：寫失效時(shí)，先把所寫單元所在的塊調(diào)入Cache，再行寫入.不按寫分配(繞寫法)：寫失效時(shí)，直接寫入下一級存儲器而不調(diào)塊。3存儲系統(tǒng)3.2簡答

常用的頁面替換算法有哪些？隨機(jī)算法RAND算法(randomAlgorithm)FIFO算法〔firstinfirstoutAlgorithm)近期最少使用LRU算法(LeastRecentlyUsedAlgorithm)最久沒用使用的算法—LFU〔LeastFrequentlyUsedAlgorithm〕最優(yōu)替換算法，即OPT算法〔OptionalReplacementalgorithm〕3存儲系統(tǒng)3.2簡答

虛擬存儲器中，影響主存命中率的主要因素有？程序在執(zhí)行過程中的頁地址流的分布情況；所采用的頁面替換算法；頁面的大小主存容量頁面調(diào)度算法3存儲系統(tǒng)3.2簡答

簡要介紹Cache與主存的三種地址映象方式，并舉例加以說明？(略)3存儲系統(tǒng)3.3P205頁習(xí)題3.14

解：(1)頁地址流p2p3p2p1p5p2p4p5p3p2p5p2命中次數(shù)3個(gè)主存頁面FIFO222255553333333332222255111444442調(diào)入調(diào)入命中調(diào)入替換替換替換命中替換命中替換替換3存儲系統(tǒng)3.3P205頁習(xí)題3.14

解：(1)頁地址流p2p3p2p1p5p2p4p5p3p2p5p2命中次數(shù)3個(gè)主存頁面LFU222222223333533355555555111444222調(diào)入調(diào)入命中調(diào)入替換命中替換命中替換替換命中命中3存儲系統(tǒng)3.3P205頁習(xí)題3.14

解：(1)頁地址流p2p3p2p1p5p2p4p5p3p2p5p2命中次數(shù)3個(gè)主存頁面OPT222222444222633333333333155555555調(diào)入調(diào)入命中調(diào)入替換命中替換命中命中替換命中命中3存儲系統(tǒng)3.3P205頁習(xí)題3.14

解：(2) FIFO頁面替換算法的頁命中率：3/12 LFU頁面替換算法的頁命中率：5/12 OPT頁面替換算法的頁命中率：6/123存儲系統(tǒng)3.4P205頁習(xí)題3.15

解：(1)可能的最高頁命中率出現(xiàn)在:頁地址流中每一種都可以單獨(dú)占一個(gè)頁面時(shí)，因?yàn)閷τ诟鞣N頁地址流，都是第一次“調(diào)入〞，其后各次都是“命中〞。在此例中，需5個(gè)頁面。因此：可能的最高頁命中率＝〔頁地址流個(gè)數(shù)－頁地址流種數(shù)〕/頁地址流個(gè)數(shù)＝〔12－5〕/12=7/123存儲系統(tǒng)解：(1) 或通過“堆棧模擬法〞，求得命中次數(shù)隨主存頁數(shù)變化的函數(shù)關(guān)系。以下圖就是“堆棧模擬圖〞，其中“√〞表示命中。Hmax=7/12≈58.3%3.4P205頁習(xí)題3.15

3存儲系統(tǒng)解：(2) 至少分配4個(gè)頁面才能獲得最高的命中率7/12.3.4P205頁習(xí)題3.15

3存儲系統(tǒng)解：(3) 訪問存儲單元的命中率 ＝命中次數(shù)/總訪問次數(shù) ＝(12×1024-5)/(12×1024) ＝12283/12288 ≈99.96% 分析：頁“不命中〞時(shí)，僅第1次不命中，其它1023次都是命中的。而在頁“命中〞時(shí)，1024次都是命中的。所以總訪問次數(shù)為12*1024，不命中次數(shù)為53.4P205頁習(xí)題3.15

3存儲系統(tǒng)3.4P205頁習(xí)題3.19

解：〔1〕主存地址區(qū)號組號塊號塊內(nèi)地址65430組號塊號塊內(nèi)地址5430解：〔2〕緩存地址3存儲系統(tǒng)3.4P205頁習(xí)題3.19

解：〔3〕主存與Cache的塊映象關(guān)系C0C1C2C3B0B1B2B3B4B5B6B7Cache主存3存儲系統(tǒng)3.4P205頁習(xí)題3.19

解：〔3〕主存與Cache的塊映象關(guān)系3存儲系統(tǒng)3.4P205頁習(xí)題3.19

解：〔4〕通過作“實(shí)存狀況圖〞模擬各虛塊的調(diào)度情況，可獲得Cache的塊地址流序列。

此問最容易出錯(cuò)的地方是忽略“組相聯(lián)〞地址約束，將虛頁裝錯(cuò)實(shí)組。另外沒有及時(shí)標(biāo)注“*〞號也容易導(dǎo)致淘汰對象錯(cuò)誤。3存儲系統(tǒng)3.4P205頁習(xí)題3.19

解：〔5〕采用LFU替換算法，命中率為4/12頁地址流B6B2B4B1B4B6B3B0B4B5B7B3命中率C0C1C2C344444444441111005554/1266666666667722222333333調(diào)入調(diào)入調(diào)入調(diào)入命中命中替換替換命中替換替換命中3存儲系統(tǒng)3.4P205頁習(xí)題3.19

解：〔6〕采用FIFO替換算法，命中率為3/12頁地址流B6B2B4B1B4B6B3B0B4B5B7B3命中率C0C1C2C344444005541111144453/1266666633333322222222277調(diào)入調(diào)入調(diào)入調(diào)入命中命中替換替換替換替換替換命中3存儲系統(tǒng)3.4P205頁習(xí)題3.19

解：〔7〕1采用LFU替換算法(全相聯(lián))，命中率3/12頁地址流B6B2B4B1B4B6B3B0B4B5B7B3命中率C0C1C2C3666666666555222223333773/124444444444111100003調(diào)入調(diào)入調(diào)入調(diào)入命中命中替換替換命中替換替換替換3存儲系統(tǒng)3.4P205頁習(xí)題3.19

解：〔7〕2采用FIFO替換算法(全相聯(lián))，命中率4/12頁地址流B6B2B4B1B4B6B3B0B4B5B7B3命中率C0C1C2C3666666333333222222000004/124444444477111111555調(diào)入調(diào)入調(diào)入調(diào)入命中命中替換替換命中替換替換替換3存儲系統(tǒng)3.4P205頁習(xí)題3.19

解：〔8〕 訪問存儲單元的命中率 ＝命中次數(shù)/總訪問次數(shù) ＝(12×16-8)/(12×16) ＝184/192 ≈95.8% 分析：頁“不命中〞時(shí)，僅第1次不命中，其它15次都是命中的。而在頁“命中〞時(shí)，16次都是命中的。所以總訪問次數(shù)為12*16，不命中次數(shù)為84輸入輸出系統(tǒng)4.1名詞解釋

通道處理機(jī)：一種能夠執(zhí)行有限輸入輸出指令，并且能夠被多臺外圍設(shè)備共享的小型DMA專用處理機(jī)。4輸入輸出系統(tǒng)4.2簡答

通道的分類？4輸入輸出系統(tǒng)4.3P251頁習(xí)題4.7

解：〔1〕字節(jié)多路通道的實(shí)際工作流量為：fBYTE=100+33.3+33.3+20+10=196.6(KB/s)〔2〕在設(shè)計(jì)最大通道流量時(shí)，應(yīng)留有一定的余量，對于字節(jié)多路通道，通道的最大流量應(yīng)略大于所有連接在這個(gè)通道上的設(shè)備的流量之和。因此設(shè)計(jì)：a)通道的最大流量fMAX－BYTE=200(KB/s)b)通道的工作周期T＝1/200000=5us/byte4輸入輸出系統(tǒng)4.3P251頁習(xí)題4.7

〔3〕由于通道工作在最大流量，故工作周期為5us,由時(shí)間關(guān)系圖可知，通道處理完各臺設(shè)備的第一次數(shù)據(jù)效勞請求的時(shí)刻如下： D1：5us D2：10us D3：20us D4：30us D5：90us通道分時(shí)為各臺設(shè)備效勞的時(shí)間關(guān)系圖〔略〕解：4輸入輸出系統(tǒng)4.4P252頁習(xí)題4.8

解：〔1〕字節(jié)多路通道的實(shí)際工作流量為： fBYTE=1/10+1/75+1/15+1/50=200(KB/s)通道的工作周期為： T＝1/200000=5us/byte4輸入輸出系統(tǒng)4.4P252頁習(xí)題4.8

解：〔2〕Ts+Td=5us，通道時(shí)間圖如下。作圖時(shí)注意：至少要畫到最慢設(shè)備的第二次請求出現(xiàn)，才能確定是否喪失數(shù)據(jù)〔因?yàn)轫憫?yīng)優(yōu)先級低的設(shè)備較易喪失數(shù)據(jù)〕。4輸入輸出系統(tǒng)4.4P252頁習(xí)題4.8

解：〔3〕5，160，20，40；〔4〕D2喪失第一次請求的數(shù)據(jù)；〔5〕可用以下三種方法解決：〔見P245〕增加通道的最大流量，保證連接在通道上的所有設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送請求能夠及時(shí)得到通道的響應(yīng)。動(dòng)態(tài)改變設(shè)備的優(yōu)先級。增加一定數(shù)量的數(shù)據(jù)緩沖器，特別是對優(yōu)先級比較低的設(shè)備。如例中，為D5增加一數(shù)據(jù)緩沖器，那么其第一次數(shù)據(jù)傳送請求可以在第85微秒處得到通道的響應(yīng)，第二次在145微秒處響應(yīng)。所有設(shè)備的數(shù)據(jù)都不會(huì)喪失。5標(biāo)量處理機(jī)5.1名詞解釋

流水線技術(shù)：指將一個(gè)重復(fù)的時(shí)序過程分解成為假設(shè)干個(gè)子過程，而每個(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。靜態(tài)流水線：在同一時(shí)刻，流水線的各段只能按同一種功能的連接方式工作。動(dòng)態(tài)流水線：在同一時(shí)刻，流水線的各段可以按不同功能的連接方式工作。5標(biāo)量處理機(jī)5.1名詞解釋

吞吐率：吞吐率是指單位時(shí)間內(nèi)流水線所完成的任務(wù)數(shù)或輸出結(jié)果的數(shù)量。通過時(shí)間：第1個(gè)任務(wù)從進(jìn)入流水線到流出流水線的時(shí)間稱為通過時(shí)間。排空時(shí)間：最后1個(gè)任務(wù)從進(jìn)入流水線到流出流水線的時(shí)間稱為排空時(shí)間。5.2簡答

5標(biāo)量處理機(jī)衡量流水線性能的主要指標(biāo)有哪些？

吞吐率、加速比和效率。吞吐率是指單位時(shí)間內(nèi)流水線所完成的任務(wù)數(shù)或輸出結(jié)果的數(shù)量。加速比是指流水線的速度與等功能非流水線的速度之比。效率是指流水線的設(shè)備利用率。5.2簡答

5標(biāo)量處理機(jī)流水線各段執(zhí)行時(shí)間不相等時(shí)，消除瓶頸的方法？數(shù)據(jù)相關(guān)有哪幾類？細(xì)分瓶頸段重復(fù)設(shè)置瓶頸段寫后讀讀后寫寫寫5.3例5.1

5標(biāo)量處理機(jī)例5.1在靜態(tài)流水線上計(jì)算

求：吞吐率，加速比，效率。5.3例5.1

5標(biāo)量處理機(jī)用教材P283圖5.32所示的TI-ASC計(jì)算機(jī)的多功能靜態(tài)流水線計(jì)算.5.3例5.1

5標(biāo)量處理機(jī)解：(1)確定適合于流水處理的計(jì)算過程(2)畫時(shí)空圖(3)計(jì)算性能

吞吐率TP＝7／(20△t)

加速比S＝(34△t)／(20△t)＝1.7效率E＝(4×4＋3×6)／(8×20)＝0.215.3例5.1

5標(biāo)量處理機(jī)5.3例5.1

5標(biāo)量處理機(jī)5.3例5.1

5標(biāo)量處理機(jī)5.4例5.2

5標(biāo)量處理機(jī)例5.2在用一條4段浮點(diǎn)加法器流水線計(jì)算8個(gè)浮點(diǎn)浮點(diǎn)數(shù)的和：

Z＝A＋B＋C＋D＋E＋F＋G＋H

求：吞吐率，加速比，效率。5.4例5.2

5標(biāo)量處理機(jī)5.4例5.2

5標(biāo)量處理機(jī)5.5

5標(biāo)量處理機(jī)5.5

5標(biāo)量處理機(jī)5.5

5標(biāo)量處理機(jī)5.5

5標(biāo)量處理機(jī)5.6

5標(biāo)量處理機(jī)一個(gè)流水線由四段組成，其中每當(dāng)流經(jīng)第三段時(shí)，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(shí)間都是△t，問：當(dāng)在流水線的輸入端每△t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2△t輸入一個(gè)任務(wù)，連續(xù)處理10個(gè)任務(wù)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？題：5.6

5標(biāo)量處理機(jī)解：〔1〕會(huì)發(fā)生流水線阻塞情況。5.6

5標(biāo)量處理機(jī)解：5.6

5標(biāo)量處理機(jī)解：5.6

5標(biāo)量處理機(jī)解：5.6

5標(biāo)量處理機(jī)解：〔3〕重復(fù)設(shè)置部件5.6

5標(biāo)量處理機(jī)解：吞吐率提高倍數(shù)＝＝1.645.7P342頁習(xí)題5.3

5標(biāo)