體系結(jié)構(gòu)(知識講座)

1.6某臺主頻為400MHz的計(jì)算機(jī)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)測試程序，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) 45000 1 數(shù)據(jù)傳送 75000 2 浮點(diǎn) 8000 4 分支 1500 2 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+1500×460（或259）〔2〕MIPS速率=f/CPI=400/1.776=225.225MIPS(或5180MIPS)259〔3〕程序執(zhí)行時(shí)間=(45000X1+75000X2+8000×4+1500×2)/400=575μs1.7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%，那么采用此增強(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：可改良比例=40%=0.4根據(jù)Amdahl定律可知：部件加速比=10系統(tǒng)加速比=1(L-0.4)+04=1.562510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。2.11某臺處理機(jī)的各條指令使用頻度如下表所示：指令使用頻度指令使用頻度指令使用頻度ADD43%JOM6%CIL2%SUB13%STO5%CLA22%JMP7%SHR1%STP1%請分別設(shè)計(jì)這9條指令操作碼的哈弗曼編碼、3/3/3擴(kuò)展編碼和2/7擴(kuò)展編碼，并計(jì)算這3種編碼的平均碼長。解：根據(jù)給出的九條指令的使用頻度和哈弗曼生成算法的結(jié)構(gòu)的不用構(gòu)造了兩種不同的哈夫曼樹。1Il15O.02Oa0219 18（左邊為A,右邊為B）各編碼如下:指令I(lǐng)iPi哈弗曼A哈弗曼B3/3/32/7ADDI1000000CLAI2101000101SUBI3110101101000JMPI411100110011001001JOMI511101110111011010STOI611110111011101011CILI7111110111101111001100SHRI811111101111101111011101STPI911111111111111111101110由表可知，三種編碼的平均碼長為：（公式：L=∑Pi*Li）.某機(jī)指令字長16位。設(shè)有單地址指令和雙地址指令兩類。假設(shè)每個(gè)地址字段為6位.且雙地址指令有X條。問單地址指令最多可以有多少條？解：雙地址指令結(jié)構(gòu)為：〔4位操作碼〕〔6位地址碼〕〔6位地址碼〕單地址指令結(jié)構(gòu)為：〔10位操作碼〕〔6位地址碼）因此，每少一條雙地址指令，那么多2^6條單地址指令，雙地址指令最多是2^（16-6-6）=2^4=16條，所以單地址指令最多有〔16-X〕*2^6條。.假設(shè)某機(jī)要求：三地址指令4條，單地址指令255條，零地址指令16條。設(shè)指令字長為12位．每個(gè)地址碼長為3位。問能否以擴(kuò)展操作碼為其編碼?如果其中單地址指令為254條呢?說明其理由。解：〔1〕不能用擴(kuò)展碼為其編碼。指令字長12位，每個(gè)地址碼占3位，三地址指令最多是2^(12-3-3-3)=8條，現(xiàn)三地址指令需4條,所以可有4條編碼作為擴(kuò)展碼，而單地址指令最多為4×2^3×2^3=2^8=256條，現(xiàn)要求單地址指令255條，所以可有一條編碼作擴(kuò)展碼因此零地址指令最多為1×2^3=8條不滿足題目要求，故不可能以擴(kuò)展碼為其編碼?！?〕假設(shè)單地址指令254條，可以用擴(kuò)展碼為其編碼。依據(jù)〔1〕中推導(dǎo)，單地址指令中可用2條編碼作為擴(kuò)展碼，零地址指令為2×2^3=16條，滿足題目要求有一指令流水線如下所示入一U 1I2T3T4一出50ns50ns100ns 200ns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？請采取兩種不同的措施消除此“瓶頸〞。對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〕T1=EAt+(n-1)?tpipeline i maxi=1=(50+50+100+200)+9X200=2200(ns)TP=nT=1220(nsT)pipelineEm?ti400 5E=TP?-4=1—=TP? =—≈45.45%m 4 11〔2〕瓶頸在3、4段。■變成八級流水線〔細(xì)分〕50ns50ns50ns50ns50ns 50nsT1=EAt+(n-1)?tpipeline i maxi=1=50X8+9X50=850(ns)TP=nT.r=185(nsT)pipelineEm?ti40010E=TP?-4-ι =TP? =——≈58.82%m 8 17■重復(fù)設(shè)置部件段4_44_34_24_13_23_121時(shí)間IH850nsTP=/T.?.=185(nsT)JpipelineE=400X10850x8=1017≈58.82%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At，問：(1)當(dāng)在流水線的輸入端連續(xù)地每At時(shí)間輸入任務(wù)時(shí)，該流水線會發(fā)生什么情況？(2)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)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〕ΔE=TP?5δt,4=5%2≈54.35%〔3〕重復(fù)設(shè)置部件TP=Δtpipeline?Δt=7?Δt5吞吐率提高倍數(shù)=J1023Δt3.8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243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)的流水存放器中?，F(xiàn)要在該流水線上計(jì)算算其吞吐率、加速比和效率。H(A,+B.),畫出其時(shí)空圖，并計(jì)加法ii=1i解：首先，應(yīng)選擇適合于流水線工作的算法。對于此題，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)空圖,如下圖,圖中陰影局部表示該段在工作。B1B2B3B4 BDC×D由圖可見,它在18個(gè)^t時(shí)間中，給出了7個(gè)結(jié)果。7TP= 18Δt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54t,那么產(chǎn)生上述7個(gè)結(jié)果共需〔4x5+3x3〕△t=294t。所以加速比為：S=29δt=1.6118Δt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：E=4X5+3X3=0,3225X18解釋以下術(shù)語指令級并行：簡稱ILPo是指指令之間存在的一種并行性，利用它，計(jì)算機(jī)可以并行執(zhí)行兩條或兩條以上的指令。指令調(diào)度：通過在編譯時(shí)讓編譯器重新組織指令順序或通過硬件在執(zhí)行時(shí)調(diào)整指令順序來消除沖突。指令的動(dòng)態(tài)調(diào)度：是指在保持?jǐn)?shù)據(jù)流和異常行為的情況下，通過硬件對指令執(zhí)行順序進(jìn)行重新安排，以提高流水線的利用率且減少停頓現(xiàn)象。是由硬件在程序?qū)嶋H運(yùn)行時(shí)實(shí)施的。指令的靜態(tài)調(diào)度：是指依靠編譯器對代碼進(jìn)行靜態(tài)調(diào)度，以減少相關(guān)和沖突。它不是在程序執(zhí)行的過程中、而是在編譯期間進(jìn)行代碼調(diào)度和優(yōu)化的。保存站：在采用TOmaSUlO算法的MIPS處理器浮點(diǎn)部件中，在運(yùn)算部件的入口設(shè)置的用來保存一條已經(jīng)流出并等待到本功能部件執(zhí)行的指令〔相關(guān)信息〕。CDB：公共數(shù)據(jù)總線。動(dòng)態(tài)分支預(yù)測技術(shù)：是用硬件動(dòng)態(tài)地進(jìn)行分支處理的方法。在程序運(yùn)行時(shí)，根據(jù)分支指令過去的表現(xiàn)來預(yù)測其將來的行為。如果分支行為發(fā)生了變化，預(yù)測結(jié)果也跟著改變。BHT：分支歷史表。用來記錄相關(guān)分支指令最近一次或幾次的執(zhí)行情況是成功還是失敗，并據(jù)此進(jìn)行預(yù)測。分支目標(biāo)緩沖：是一種動(dòng)態(tài)分支預(yù)測技術(shù)。將執(zhí)行過的成功分支指令的地址以及預(yù)測的分支目標(biāo)地址記錄在一張硬件表中。在每次取指令的同時(shí)，用該指令的地址與表中所有工程的相應(yīng)字段進(jìn)行比擬，以便盡早知道分支是否成功，盡早知道分支目標(biāo)地址，到達(dá)減少分支開銷的目的。前瞻執(zhí)行：解決控制相關(guān)的方法，它對分支指令的結(jié)果進(jìn)行猜想，然后按這個(gè)猜想結(jié)果繼續(xù)取指、流出和執(zhí)行后續(xù)的指令。只是指令執(zhí)行的結(jié)果不是寫回到存放器或存儲器，而是放到一個(gè)稱為ROB的緩沖器中。等到相應(yīng)的指令得到“確認(rèn)〃〔即確實(shí)是應(yīng)該執(zhí)行的〕后，才將結(jié)果寫入存放器或存儲器。ROB：ReOrderBuffer。前瞻執(zhí)行緩沖器。超標(biāo)量：一種多指令流出技術(shù)。它在每個(gè)時(shí)鐘周期流出的指令條數(shù)不固定，依代碼的具體情況而定，但有個(gè)上限。超流水：在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)分時(shí)流出多條指令。超長指令字：一種多指令流出技術(shù)。VLIW處理機(jī)在每個(gè)時(shí)鐘周期流出的指令條數(shù)是固定的，這些指令構(gòu)成一條長指令或者一個(gè)指令包，在這個(gè)指令包中，指令之間的并行性是通過指令顯式地表示出來的。循環(huán)展開：是一種增加指令間并行性最簡單和最常用的方法。它將循環(huán)展開假設(shè)干遍后，通過重命名和指令調(diào)度來開發(fā)更多的并行性。假設(shè)在3000次訪存中，第一級Cache失效110次，第二級Cache失效55次。試問：在這種情況下，該Cache系統(tǒng)的局部失效率和全局失效率各是多少？解第一級Cache的失效率〔全局和局部〕是110/3000，第二級Cache的局部失效率是55/110，第二級Cache的全局失效率是55/3000，7.10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？(1)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；(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(shí)鐘周期增加了10%；(4)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X失效開銷平均訪問時(shí)間11-路平均訪問時(shí)間22-路兩路組相聯(lián)的平均訪問時(shí)間比擬低CPUtime=〔CPU執(zhí)行+存儲等待周期〕*時(shí)鐘周期CPUtime=IC〔CPI；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〕〕CPUtimeI-Way=IC(2.0*2+1.2*0.014*80)=CPUtime2-way=IC(2.2*2+1,2*0,01*80)=CPU相對性能比： time-2way=time-1way直接映象cache的訪問速度比兩路組相聯(lián)cache要快倍，而兩路組相聯(lián)Cache的平均性能比直接映象cache要高倍。因此這里選擇兩路組相聯(lián)。一個(gè)字節(jié)多路通道連接有6臺設(shè)備，它們的數(shù)據(jù)傳輸率如下表所示。設(shè)備名稱DiD,D3D4D5D6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。假設(shè)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f=￡f=50+50+40+25+25+10=200B/msbyteii=1〔2〕由于通道的最大流量等于實(shí)際工作流量，即有f=,=-1—=200B/msmax—byteT+TS+D可得，通道的工作周期Ts+TD=5μso.設(shè)某個(gè)數(shù)組多路通道設(shè)備選擇時(shí)間Ts=1μs，傳送1個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送時(shí)間TD=1μs,一次傳送定長數(shù)據(jù)塊的大小k=512B?，F(xiàn)有8臺外設(shè)的數(shù)據(jù)傳輸速率分別為如下表所示：各外設(shè)的數(shù)據(jù)傳輸速率〔KB/s〕外設(shè)號