高級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2015年復(fù)習(xí)題

./1.假設(shè)有一條長(zhǎng)流水線,僅僅對(duì)條件轉(zhuǎn)移指令使用分支目標(biāo)緩沖。假設(shè)分支預(yù)測(cè)錯(cuò)誤的開(kāi)銷為4個(gè)時(shí)鐘周期,緩沖不命中的開(kāi)銷為3個(gè)時(shí)鐘周期。假設(shè)：命中率為90%,預(yù)測(cè)精度為90%,分支頻率為15%,沒(méi)有分支的基本CPI為1。①求程序執(zhí)行的CPI。②相對(duì)于采用固定的2個(gè)時(shí)鐘周期延遲的分支處理,哪種方法程序執(zhí)行速度更快？參考答案：解：〔1程序執(zhí)行的CPI=沒(méi)有分支的基本CPI〔1+分支帶來(lái)的額外開(kāi)銷分支帶來(lái)的額外開(kāi)銷是指在分支指令中,緩沖命中但預(yù)測(cè)錯(cuò)誤帶來(lái)的開(kāi)銷與緩沖沒(méi)有命中帶來(lái)的開(kāi)銷之和。分支帶來(lái)的額外開(kāi)銷=15%*<90%命中×10%預(yù)測(cè)錯(cuò)誤×4+10％沒(méi)命中×3>=0.099所以,程序執(zhí)行的CPI＝1＋0.099=1.099〔2采用固定的2個(gè)時(shí)鐘周期延遲的分支處理CPI=1+15%×2=1.3由〔1〔2可知分支目標(biāo)緩沖方法執(zhí)行速度快。2.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2和部件3的可改進(jìn)比例均為30%,那么當(dāng)部件1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？②如果三個(gè)部件的可改進(jìn)比例分別為20%、10%和30%,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？參考答案：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＝15,S3＝15,Sn＝10,F1＝0.3,F2＝0.3,得：得F3＝0.36,即部件3的可改進(jìn)比例為36%?！?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+0.2T=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：3.設(shè)指令流水線由取指令、分析指令和執(zhí)行指令3個(gè)部件構(gòu)成,每個(gè)部件經(jīng)過(guò)的時(shí)間為△t,連續(xù)流入12條指令。分別畫(huà)出標(biāo)量流水處理機(jī)以及ILP均為4的超標(biāo)量處理機(jī)、超長(zhǎng)指令字處理機(jī)、超流水處理機(jī)的時(shí)空?qǐng)D,并分別計(jì)算它們相對(duì)于標(biāo)量流水處理機(jī)的加速比。參考答案：解：標(biāo)量流水處理機(jī)的時(shí)空?qǐng)D：執(zhí)行完12條指令需T1＝14△t。超標(biāo)量流水處理機(jī)與超長(zhǎng)指令字處理機(jī)的時(shí)空?qǐng)D：超標(biāo)量流水處理機(jī)中,每一個(gè)時(shí)鐘周期同時(shí)啟動(dòng)4條指令。執(zhí)行完12條指令需T2＝5△t,相對(duì)于標(biāo)量流水處理機(jī)的加速比為：超長(zhǎng)指令字處理機(jī)中,每4條指令組成一條長(zhǎng)指令,共形成3條長(zhǎng)指令。執(zhí)行完12條指令需T3＝5△t,相對(duì)于標(biāo)量流水處理機(jī)的加速比為：超流水處理機(jī)的時(shí)空?qǐng)D：超流水處理機(jī)中,每1/4個(gè)時(shí)鐘周期啟動(dòng)一條指令。執(zhí)行完12條指令需T4＝5.75△t,相對(duì)于標(biāo)量流水處理機(jī)的加速比為：4.設(shè)一條指令的執(zhí)行過(guò)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。只有"取指令"與"執(zhí)行指令"重疊；"取指令"、"分析指令"與"執(zhí)行指令"重疊。參考答案：①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△t5.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；②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？參考答案：〔1〔2瓶頸在3、4段。變成八級(jí)流水線〔細(xì)分重復(fù)設(shè)置部件1123-13-24-14-24-34-46.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(huà)出時(shí)空?qǐng)D；計(jì)算實(shí)際的吞吐率、加速比和效率。參考答案：7.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。①求此流水線的通過(guò)時(shí)間？〔設(shè)寄存器入、出各需1拍②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？參考答案：解：〔1在這里假設(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(guò)時(shí)間應(yīng)該為前者〔〔A＋B×C通過(guò)的時(shí)間：T通過(guò)=<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(guò)時(shí)間了。V6←A＋BV7←V6×CV8←D＋EV9←V8×F8.假設(shè)分支目標(biāo)緩沖的命中率為90%,程序中無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令的比例為5%,沒(méi)有無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令的程序CPI值為1。假設(shè)分支目標(biāo)緩沖中包含分支目標(biāo)指令,允許無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令進(jìn)入分支目標(biāo)緩沖,則程序的CPI值為多少？參考答案：解：設(shè)每條無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令的延遲為x,則有：1＋5%×x＝1.1x＝2當(dāng)分支目標(biāo)緩沖命中時(shí),無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令的延遲為0。所以程序的CPI＝1＋2×5%×<1－90%>＝1.019.一臺(tái)32個(gè)處理器的計(jì)算機(jī),對(duì)遠(yuǎn)程存儲(chǔ)器訪問(wèn)時(shí)間為400ns。除了通信以外,假設(shè)計(jì)算中的訪問(wèn)均命中局部存儲(chǔ)器。當(dāng)發(fā)出一個(gè)遠(yuǎn)程請(qǐng)求時(shí),本處理器掛起。處理器時(shí)鐘時(shí)間為1GHz,如果指令基本的IPC為2<設(shè)所有訪存均命中Cache>,求在沒(méi)有遠(yuǎn)程訪問(wèn)的狀態(tài)下與有0.2%的指令需要遠(yuǎn)程訪問(wèn)的狀態(tài)下,前者比后者快多少?參考答案：解:沒(méi)有遠(yuǎn)程訪問(wèn)時(shí),機(jī)器的CPI為1/基本IPC=1/2=0.5有0.2%遠(yuǎn)程訪問(wèn)的機(jī)器的實(shí)際CPI為CPI＝基本CPI＋遠(yuǎn)程訪問(wèn)率×遠(yuǎn)程訪問(wèn)開(kāi)銷＝0.5＋0.2%×遠(yuǎn)程訪問(wèn)開(kāi)銷遠(yuǎn)程訪問(wèn)開(kāi)銷為：遠(yuǎn)程訪問(wèn)時(shí)間/時(shí)鐘周期時(shí)間＝400ns/1ns＝400個(gè)時(shí)鐘周期∴CPI＝0.5＋0.2%×400＝1.3因此在沒(méi)有遠(yuǎn)程訪問(wèn)的情況下的計(jì)算機(jī)速度是有0.2%遠(yuǎn)程訪問(wèn)的計(jì)算機(jī)速度的1.3/0.5=2.6倍。10.簡(jiǎn)述Tomasulo算法的基本思想。參考答案：答：核心思想是：①記錄和檢測(cè)指令相關(guān),操作數(shù)一旦就緒就立即執(zhí)行,把發(fā)生RAW沖突的可能性減小到最少；②通過(guò)寄存器換名來(lái)消除WAR沖突和WAW沖突。寄存器換名是通過(guò)保留站來(lái)實(shí)現(xiàn),它保存等待流出和正在流出指令所需要的操作數(shù)。基本思想：只要操作數(shù)有效,就將其取到保留站,避免指令流出時(shí)才到寄存器中取數(shù)據(jù),這就使得即將執(zhí)行的指令從相應(yīng)的保留站中取得操作數(shù),而不是從寄存器中。指令的執(zhí)行結(jié)果也是直接送到等待數(shù)據(jù)的其它保留站中去。因而,對(duì)于連續(xù)的寄存器寫(xiě),只有最后一個(gè)才真正更新寄存器中的容。一條指令流出時(shí),存放操作數(shù)的寄存器名被換成為對(duì)應(yīng)于該寄存器保留站的名稱〔編號(hào)。11.假定有一個(gè)處理機(jī)臺(tái)數(shù)為p的共享存儲(chǔ)器多處理機(jī)系統(tǒng)。設(shè)m為典型處理機(jī)每條指令執(zhí)行時(shí)對(duì)全局存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問(wèn)的平均次數(shù)。設(shè)t為共享存儲(chǔ)器的平均存取時(shí)間,x為使用本地存儲(chǔ)器的單處理機(jī)MIPS速率。再假定在多處理機(jī)的每臺(tái)處理機(jī)上執(zhí)行n條指令。①根據(jù)參數(shù)m,t,x,n和p,確定多處理機(jī)的有效MIPS速率。②假設(shè)一臺(tái)多處理機(jī)有p=32臺(tái)RISC處理機(jī),m=0.4,t=1us,要使多處理機(jī)的有效性能達(dá)到56MIPS,需要每臺(tái)處理機(jī)的MIPS速率是多少〔即x=？？③假設(shè)有p=32臺(tái)CISC處理機(jī)用在上述多處理機(jī)系統(tǒng)中,每臺(tái)處理機(jī)的x=2MIPS、m=1.6、t=1us,試問(wèn)多處理機(jī)系統(tǒng)的有效MIPS速率是多少？參考答案：解：〔1有效MIPS速率=p*x/<1+m*x*t>〔232*x/<1－0.4*x*1>=56,得x=5.83〔3有效MIPS速率=p*x/<1+m*x*t>=32*2/<1+1.6*2*1>=15.2412.假設(shè)對(duì)指令Cache的訪問(wèn)占全部訪問(wèn)的75%；而對(duì)數(shù)據(jù)Cache的訪問(wèn)占全部訪問(wèn)的25%。Cache的命中時(shí)間為1個(gè)時(shí)鐘周期,失效開(kāi)銷為50個(gè)時(shí)鐘周期,在混合Cache中一次load或store操作訪問(wèn)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0.15%,32KB的數(shù)據(jù)Cache的失效率為3.77%,64KB的混合Cache的失效率為0.95%。又假設(shè)采用寫(xiě)直達(dá)策略,且有一個(gè)寫(xiě)緩沖器,并且忽略寫(xiě)緩沖器引起的等待。試問(wèn)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？參考答案：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%?！?平均訪存時(shí)間公式可以分為指令訪問(wèn)和數(shù)據(jù)訪問(wèn)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(kāi)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(kāi)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)。13.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(wèn)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(kāi)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％。參考答案：解：平均訪問(wèn)時(shí)間＝命中時(shí)間＋失效率×失效開(kāi)銷平均訪問(wèn)時(shí)間1-路=2.0+1.4%*80=3.12ns平均訪問(wèn)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(wèn)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(kāi)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(kāi)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(wèn)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)。14.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(xiě)訪問(wèn)；存儲(chǔ)器的最大流量為109字/s〔包括讀和寫(xiě)；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(guò)；寫(xiě)失效時(shí),Cache采用按寫(xiě)分配法?，F(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(xiě)直達(dá)Cache；寫(xiě)回法Cache。參考答案：解：采用按寫(xiě)分配〔1寫(xiě)直達(dá)cache訪問(wèn)命中,有兩種情況：讀命中,不訪問(wèn)主存；寫(xiě)命中,更新cache和主存,訪問(wèn)主存一次。訪問(wèn)失效,有兩種情況：讀失效,將主存中的塊調(diào)入cache中,訪問(wèn)主存兩次；寫(xiě)失效,將要寫(xiě)的塊調(diào)入cache,訪問(wèn)主存兩次,再將修改的數(shù)據(jù)寫(xiě)入cache和主存,訪問(wèn)主存一次,共三次。上述分析如下表所示。訪問(wèn)命中訪問(wèn)類型頻率訪存次數(shù)Y讀95%*75%=71.3%0Y寫(xiě)95%*25%=23.8%1N讀5%*75%=3.8%2N寫(xiě)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(xiě)回法cache訪問(wèn)命中,有兩種情況：讀命中,不訪問(wèn)主存；寫(xiě)命中,不訪問(wèn)主存。采用寫(xiě)回法,只有當(dāng)修改的cache塊被換出時(shí),才寫(xiě)入主存；訪問(wèn)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(méi)有修改過(guò),將主存中的塊調(diào)入cache塊中,訪問(wèn)主存兩次；如果被替換的塊修改過(guò),則首先將修改的塊寫(xiě)入主存,需要訪問(wèn)主存兩次；然后將主存中的塊調(diào)入cache塊中,需要訪問(wèn)主存兩次,共四次訪問(wèn)主存。訪問(wèn)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%15.降低Cache失效率有哪幾種方法？簡(jiǎn)述其基本思想。參考答案：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(wèn)時(shí),首先是按與直接映象相同的方式進(jìn)行訪問(wèn)。如果命中,則從相應(yīng)的塊中取出所訪問(wèn)的數(shù)據(jù),送給CPU,訪問(wèn)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(wèn)下一級(jí)存儲(chǔ)器。硬件預(yù)取技術(shù)。在處理器提出訪問(wèn)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(guò)對(duì)軟件的優(yōu)化來(lái)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(wèn)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。16.假設(shè)Cache失效開(kāi)銷為50個(gè)時(shí)鐘周期,當(dāng)不考慮存儲(chǔ)器停頓時(shí),所有指令的執(zhí)行時(shí)間都是2.0個(gè)時(shí)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(duì)性能的影響。解：CPU時(shí)間也增加為原來(lái)的1.67倍。但若不采用Cache,則：CPI＝2.0+50×1.33＝68.5