計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課后答案

1、第1章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念1.1 解釋下列術(shù)語Amdahl 定律:當(dāng)對一個(gè)系統(tǒng)中的某個(gè)部件進(jìn)行改進(jìn)后,所能獲得的整個(gè)系統(tǒng)性能的提高,受限于該部件的執(zhí)行時(shí)間占總執(zhí)行時(shí)間的百分比。程序的局部性原理:程序執(zhí)行時(shí)所訪問的存儲(chǔ)器地址不是隨機(jī)分布的,而是相對地簇聚。包括時(shí)間局部性和空間局部性。CPI :每條指令執(zhí)行的平均時(shí)鐘周期數(shù)。1.2 試用實(shí)例說明計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)之間的相互關(guān)系。答:如在設(shè)計(jì)主存系統(tǒng)時(shí),確定主存容量、編址方式、尋址范圍等屬于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。確定主存周期、邏輯上是否采用并行主存、邏輯設(shè)計(jì)等屬于計(jì)算機(jī)組成。選擇存儲(chǔ)芯片類型、微組裝技術(shù)、線路設(shè)計(jì)等屬于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。

2、計(jì)算機(jī)組成是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)。一種體系結(jié)構(gòu)可以有多種組成。一種組成可以有多種實(shí)現(xiàn)。1.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的Flynn 分類法是按什么來分類的?共分為哪幾類?答:Flynn 分類法是按照指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性進(jìn)行分類。把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為: (1 單指令流單數(shù)據(jù)流SISD (2 單指令流多數(shù)據(jù)流SIMD (3 多指令流單數(shù)據(jù)流MISD(4 多指令流多數(shù)據(jù)流MIMD1.9 假設(shè)某應(yīng)用程序中有4類操作,通過改進(jìn),各操作獲得不同的性能提高。具體數(shù)據(jù)如下表所示:操作類型 程序中的數(shù)量 (百萬條指令改進(jìn)前的執(zhí)行時(shí)間(周期改進(jìn)后的執(zhí)行時(shí)間(周期操作1 10 2 1

3、 操作2 30 20 15 操作3 35 10 3 操作41541(1改進(jìn)后,各類操作的加速比分別是多少?(2各類操作單獨(dú)改進(jìn)后,程序獲得的加速比分別是多少? (34類操作均改進(jìn)后,整個(gè)程序的加速比是多少? 解:根據(jù)Amdahl 定律SeFe Fe S n +-=1(1可得操作類型 各類操作的指令條數(shù)在程序中所占的比例F i各類操作的加速比S i各類操作單獨(dú)改進(jìn)后,程序獲得的加速比操作1 11.1% 2 1.06 操作2 33.3% 1.33 1.09 操作3 38.9% 3.33 1.37 操作416.7%44類操作均改進(jìn)后,整個(gè)程序的加速比:1(1+-=ii i n S F F S第2章

4、指令集結(jié)構(gòu)的分類2.1 解釋下列術(shù)語CISC :復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī) RISC :精簡指令集計(jì)算機(jī)尋址方式:指令系統(tǒng)中如何形成所要訪問的數(shù)據(jù)的地址。一般來說,尋址方式可以指明指令中的操作數(shù)是一個(gè)常數(shù)、一個(gè)寄存器操作數(shù)或者是一個(gè)存儲(chǔ)器操作數(shù)。數(shù)據(jù)表示:硬件結(jié)構(gòu)能夠識別、指令系統(tǒng)可以直接調(diào)用的那些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。2.2指令集應(yīng)滿足哪幾個(gè)基本要求?答:對指令集的基本要求是:完整性、規(guī)整性、高效率和兼容性。完整性是指在一個(gè)有限可用的存儲(chǔ)空間內(nèi),對于任何可解的問題,編制計(jì)算程序時(shí),指令集所提供的指令足夠使用。規(guī)整性主要包括對稱性和均勻性。對稱性是指所有與指令集有關(guān)的存儲(chǔ)單元的使用、操作碼的設(shè)置等都是對稱的。均勻性

5、是指對于各種不同的操作數(shù)類型、字長、操作種類和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元,指令的設(shè)置都要同等對待。高效率是指指令的執(zhí)行速度快、使用頻度高。2.3指令中表示操作數(shù)類型的方法有哪幾種?答:操作數(shù)類型有兩種表示方法:(1操作數(shù)的類型由操作碼的編碼指定,這是最常見的一種方法;(2數(shù)據(jù)可以附上由硬件解釋的標(biāo)記,由這些標(biāo)記指定操作數(shù)的類型,從而選擇適當(dāng)?shù)倪\(yùn)算。2.4通常有哪幾種指令格式,請簡述其適用范圍。答:(1 變長編碼格式。如果系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者感興趣的是程序的目標(biāo)代碼大小,而不是性能,就可以采用變長編碼格式。(2固定長度編碼格式。如果感興趣的是性能,而不是程序的目標(biāo)代碼大小,則可以選擇固定長度編碼格式。 (3 混合型

6、編碼格式。需要兼顧降低目標(biāo)代碼長度和降低譯碼復(fù)雜度時(shí),可以采用混合型編碼格式。第3章流水線技術(shù)流水線:將一個(gè)重復(fù)的時(shí)序過程,分解成為若干個(gè)子過程,而每一個(gè)子過程都可有效地在其專用功能段上與其它子過程同時(shí)執(zhí)行。數(shù)據(jù)相關(guān):考慮兩條指令i和j,i在j的前面,如果下述條件之一成立,則稱指令j與指令i數(shù)據(jù)相關(guān):(1指令j使用指令i產(chǎn)生的結(jié)果;(2指令j與指令k數(shù)據(jù)相關(guān),而指令k又與指令i數(shù)據(jù)相關(guān)。名相關(guān):如果兩條指令使用了相同的名,但是它們之間并沒有數(shù)據(jù)流動(dòng),則稱這兩條指令存在名相關(guān)。控制相關(guān):是指由分支指令引起的相關(guān)。它需要根據(jù)分支指令的執(zhí)行結(jié)果來確定后面該執(zhí)行哪個(gè)分支上的指令。結(jié)構(gòu)沖突:因硬件資源滿

7、足不了指令重疊執(zhí)行的要求而發(fā)生的沖突。數(shù)據(jù)沖突:當(dāng)指令在流水線中重疊執(zhí)行時(shí),因需要用到前面指令的執(zhí)行結(jié)果而發(fā)生的沖突?？刂茮_突:流水線遇到分支指令或其它會(huì)改變PC值的指令所引起的沖突。3.3 簡述先行控制的基本思想。答:先行控制技術(shù)是把緩沖技術(shù)和預(yù)處理技術(shù)相結(jié)合。緩沖技術(shù)是在工作速度不固定的兩個(gè)功能部件之間設(shè)置緩沖器,用以平滑它們的工作。預(yù)處理技術(shù)是指預(yù)取指令、對指令進(jìn)行加工以及預(yù)取操作數(shù)等。采用先行控制方式的處理機(jī)內(nèi)部設(shè)置多個(gè)緩沖站,用于平滑主存、指令分析部件、運(yùn)算器三者之間的工作。這樣不僅使它們都能獨(dú)立地工作,充分忙碌而不用相互等待,而且使指令分析部件和運(yùn)算器分別能快速地取得指令和操作數(shù),

8、大幅度地提高指令的執(zhí)行速度和部件的效率。這些緩沖站都按先進(jìn)先出的方式工作,而且都是由一組若干個(gè)能快速訪問的存儲(chǔ)單元和相關(guān)的控制邏輯組成。采用先行控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多條指令的重疊解釋執(zhí)行。3.5 簡述流水線技術(shù)的特點(diǎn)。答:流水技術(shù)有以下特點(diǎn):(1流水線把一個(gè)處理過程分解為若干個(gè)子過程,每個(gè)子過程由一個(gè)專門的功能部件來實(shí)現(xiàn)。因此,流水線實(shí)際上是把一個(gè)大的處理功能部件分解為多個(gè)獨(dú)立的功能部件,并依靠它們的并行工作來提高吞吐率。(2流水線中各段的時(shí)間應(yīng)盡可能相等,否則將引起流水線堵塞和斷流。(3流水線每一個(gè)功能部件的前面都要有一個(gè)緩沖寄存器,稱為流水寄存器。(4流水技術(shù)適合于大量重復(fù)的時(shí)序過程,只有在輸

9、入端不斷地提供任務(wù),才能充分發(fā)揮流水線的效率。(5流水線需要有通過時(shí)間和排空時(shí)間。在這兩個(gè)時(shí)間段中,流水線都不是滿負(fù)荷工作。3.6 解決流水線瓶頸問題有哪兩種常用方法?答:細(xì)分瓶頸段與重復(fù)設(shè)置瓶頸段3.11 可采用哪些方法來提高向量處理機(jī)的性能?答:可采用多種方法:(1設(shè)置多個(gè)功能部件,使它們并行工作;(2采用鏈接技術(shù),加快一串向量指令的執(zhí)行;(3 采用循環(huán)開采技術(shù),加快循環(huán)的處理; (4 采用多處理機(jī)系統(tǒng),進(jìn)一步提高性能。3.14 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2t ,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

10、暫存于相應(yīng)的流水寄存器中?，F(xiàn)要在該流水線上計(jì)算 ,畫出其時(shí)空圖,并計(jì)算其吞吐率、加速比和效率。解:首先,應(yīng)選擇適合于流水線工作的算法。對于本題,應(yīng)先計(jì)算A 1+B 1、A 2+B 2、A 3+B 3和A 4+B 4;再計(jì)算(A 1+B 1 (A 2+B 2和(A 3+B 3 (A 4+B 4;然后求總的結(jié)果。其次,畫出完成該計(jì)算的時(shí)空圖,如圖所示,圖中陰影部分表示該段在工作。由圖可見,它在18個(gè)t 時(shí)間中,給出了7個(gè)結(jié)果。所以吞吐率為:tTP =817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(gè)結(jié)果共需(45+33t =29t 。所以加速比為:該流水線的效率可由陰影區(qū)

11、的面積和5個(gè)段總時(shí)空區(qū)的面積的比值求得:3.15 動(dòng)態(tài)多功能流水線由6個(gè)功能段組成,如下圖:1234 5乘法加法tt2ttt(41i i i B A +=S1 S2 S3 S4 S5 乘法加法S6時(shí)間段 12 3 4 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 輸入A 1B 1 A 2 B 2 A 3 B 3 A 4 B 4ABCDA BC DA B A BC D A B C DA =A 1+B 1 B =A 2+B 2C =A 3+B 3D =A 4+B 4C D17 1861.18192=tt S 2253354=+=E其中,S1、S4、S5、S6

12、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:=51i i i iz y x(1畫出時(shí)空圖;(2計(jì)算實(shí)際的吞吐率、加速比和效率。 解:機(jī)器一共要做10次乘法,4次加法。 3.17 假設(shè)各種分支指令數(shù)占所有指令數(shù)的百分比如下:條件分支 20%(其中的60%是分支成功的跳轉(zhuǎn)和調(diào)用5%現(xiàn)有一條段數(shù)為4的流水線,無條件分支在第二個(gè)時(shí)鐘周期結(jié)束時(shí)就被解析出來,而條件分支要到第三個(gè)時(shí)鐘周期結(jié)束時(shí)才能夠被解析出來。第一個(gè)流水段是完全獨(dú)立于指令類型的,即所有類型的指令都必須經(jīng)

13、過第一個(gè)流水段的處理。請問在沒有任何控制相關(guān)的情況下,該流水線相對于存在上述控制相關(guān)情況下的加速比是多少?解:沒有控制相關(guān)時(shí)流水線的平均CPI =1 存在控制相關(guān)時(shí):由于無條件分支在第二個(gè)時(shí)鐘周期結(jié)束時(shí)就被解析出來,而條件分支 要到第3個(gè)時(shí)鐘周期結(jié)束時(shí)才能被解析出來。所以:(1若使用排空流水線的策略,則對于條件分支,有兩個(gè)額外的stall ,對無條件分支,有一個(gè)額外的stall:(2 若使用預(yù)測分支成功策略,則對于不成功的條件分支,有兩個(gè)額外的stall ,對無條件分支和成功的條件分支,有一個(gè)額外的stall 1:(3若使用預(yù)測分支失敗策略,則對于成功的條件分支,有兩個(gè)額外的stall ;對無

14、條件分支,有一個(gè)額外的stall ;對不成功的條件分支,其目標(biāo)地址已經(jīng)由PC 值給出,不必等待,所以無延遲:3.19 某向量處理機(jī)有16個(gè)向量寄存器,其中V 0V 5中分別放有向量A 、B 、C 、D 、E 、F ,向量長度均為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的鏈接技術(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 求此鏈接流水線的通過時(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)F

15、LOPS ?解:(1我們在這里假設(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:V0AV1BV3D V4E V5F V6V7V2CV9V8向量加向量乘通過時(shí)間應(yīng)該為前者(A +B C 通過的時(shí)間:T 通過= (1+2+1+(1+3+1 =9(拍(2在做完(A +B C 之后,作(C +D E 就不需要通過時(shí)間了。V6A +BV7V 6C V8D +EV9V 8F第4章 指令級并行指令級并行:簡稱ILP 。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。

16、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。保留站: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。

17、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項(xiàng)目的相應(yīng)字段進(jìn)行比較,以便盡早知道分支是否成功,盡早知道分支目標(biāo)地址,達(dá)到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)行猜測,然后按這個(gè)猜測結(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)果不是寫回到寄存器或存儲(chǔ)器,而

18、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)果寫入寄存器或存儲(chǔ)器。 ROB :ReOrder Buffer 。前瞻執(zhí)行緩沖器。S26.67MFLOP T32TP 1200(ns24818T T =+=(拍-+(通過超標(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。 4.5

19、 假設(shè)分支目標(biāo)緩沖的命中率為 90%，程序中無條件轉(zhuǎn)移指令的比例為 5%，沒有無條件轉(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？ 解：設(shè)每條無條件轉(zhuǎn)移指令的延遲為 x，則有： 15%x1.1 x2 當(dāng)分支目標(biāo)緩沖命中時(shí)，無條件轉(zhuǎn)移指令的延遲為 0。 所以 程序的 CPI 1 2 5% (1 90% 1.01 第 5 章 存儲(chǔ)層次 5.1 解釋下列術(shù)語 全相聯(lián)映象：主存中的任一塊可以被放置到 Cache 中任意一個(gè)地方。 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)地方。 組相聯(lián)映象

20、：主存中的每一塊可以放置到 Cache 中唯一的一組中任何一個(gè)地方（Cache 分成若干組，每組由若干塊 構(gòu)成） 。 寫直達(dá)法：在執(zhí)行寫操作時(shí)，不僅把信息寫入 Cache 中相應(yīng)的塊，而且也寫入下一級存儲(chǔ)器中相應(yīng)的塊。 寫回法：只把信息寫入 Cache 中相應(yīng)塊，該塊只有被替換時(shí)，才被寫回主存。 5.2 簡述“Cache主存”層次與“主存輔存”層次的區(qū)別。 答： 存儲(chǔ)層次 比較項(xiàng)目 目的 存儲(chǔ)管理的實(shí)現(xiàn) 訪問速度的比值 （第一級比第二級） 典型的塊（頁）大小 CPU 對第二級的訪問方式 不命中時(shí) CPU 是否切換 “Cache主存”層次 為了彌補(bǔ)主存速度的不足 全部由專用硬件實(shí)現(xiàn) 幾比一 幾十

21、個(gè)字節(jié) 可直接訪問 不切換 “主存輔存”層次 為了彌補(bǔ)主存容量的不足 主要由軟件實(shí)現(xiàn) 幾萬比一 幾百到幾千個(gè)字節(jié) 均通過第一級 切換到其它進(jìn)程 5.3 降低 Cache 失效率有哪幾種方法？簡述其基本思想。 答：常用的降低 Cache 失效率的方法有下面幾種： （1） 增加 Cache 塊大小。增加塊大小利用了程序的空間局部性。 （2） 增加 Cache 的容量。 （3） 提高相聯(lián)度，降低沖突失效。 （4） 偽相聯(lián) Cache，降低沖突失效。當(dāng)對偽相聯(lián) Cache 進(jìn)行訪問時(shí)，首先是按與直接映象相同的方式進(jìn)行訪 問。如果命中，則從相應(yīng)的塊中取出所訪問的數(shù)據(jù)，送給 CPU，訪問結(jié)束。如果不命中，

22、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”中的對應(yīng)塊。如果這一塊的標(biāo)識匹配，則稱發(fā)生了“偽命中”。否則，就訪問 下一級存儲(chǔ)器。 （5） 硬件預(yù)取技術(shù)。在處理器提出訪問請求前預(yù)取指令和數(shù)據(jù)。 （6） 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 求。 （7） 編譯器優(yōu)化，通過對軟件的優(yōu)化來降低失效率。 （8） “犧牲”Cache。在 Cache 和其下一級存儲(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)，在訪問下一級存儲(chǔ)器之前，先檢查“犧牲”Cache 中是否含有所需的塊。 如果

23、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。 5.7 在“Cache主存”層次中，主存的更新算法有哪兩種？它們各有什么特點(diǎn)？ 答： （1）寫直達(dá)法。易于實(shí)現(xiàn)，而且下一級存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)總是最新的。 （2）寫回法。速度快， “寫”操作能以 Cache 存儲(chǔ)器的速度進(jìn)行。而且對于同一單元的多個(gè)寫最后只需一次寫 回下一級存儲(chǔ)器，有些“寫”只到達(dá) Cache，不到達(dá)主存，因而所使用的存儲(chǔ)器頻帶較低。 5.13 在偽相聯(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(gè)位置才找到數(shù)據(jù)（偽命中）時(shí)，不對這兩個(gè) 位置的數(shù)據(jù)進(jìn)行交換。這時(shí)只需要 1 個(gè)額外的周期。假

24、設(shè)失效開銷為 50 個(gè)時(shí)鐘周期，2KB 直接映象 Cache 的失效 率為 9.8%，2 路組相聯(lián)的失效率為 7.6%；128KB 直接映象 Cache 的失效率為 1.0%，2 路組相聯(lián)的失效率為 0.7%。 （1）推導(dǎo)出平均訪存時(shí)間的公式。 （2）利用（1）中得到的公式，對于 2KBCache 和 128KBCache，計(jì)算偽相聯(lián)的平均訪存時(shí)間。 解： 不管作了何種改進(jìn)，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(gè)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。 偽相聯(lián) cache 的命中時(shí)間等于直接映象 cache 的命中時(shí)間加上偽相聯(lián)查找過程中的

25、命中時(shí)間*該命中所需的額外 開銷。 命中時(shí)間偽相聯(lián)命中時(shí)間 1 路偽命中率偽相聯(lián)1 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(shí)，將地址取反，再在第二次查找?guī)淼摹?因此 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。 平均訪存時(shí)間偽相聯(lián)命中時(shí)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 將題設(shè)中的數(shù)據(jù)帶入計(jì)算，得到： 平均訪存時(shí)間2Kb=1+(0.098-0.076*1+(0.076 *50 =4.822 平均訪存時(shí)間 128Kb=1+(0.010-

26、0.007*1+(0.007 *50 =1.353 顯然是 128KB 的偽相聯(lián) Cache 要快一些。 第 6 章輸入輸出系統(tǒng) 6.1 解釋以下術(shù)語 響應(yīng)時(shí)間：從用戶鍵入命令開始，到得到結(jié)果所花的時(shí)間。 可靠性：指系統(tǒng)從某個(gè)初始參考點(diǎn)開始一直連續(xù)提供服務(wù)的能力，它通常用平均無故障時(shí)間來衡量。 可用性：指系統(tǒng)正常工作的時(shí)間在連續(xù)兩次正常服務(wù)間隔時(shí)間中所占的比率。 可信性：指服務(wù)的質(zhì)量，即在多大程度上可以合理地認(rèn)為服務(wù)是可靠的。 RAID：廉價(jià)磁盤冗余陣列或獨(dú)立磁盤冗余陣列。 分離事務(wù)總線：將總線事務(wù)分成請求和應(yīng)答兩部分。在請求和應(yīng)答之間的空閑時(shí)間內(nèi)，總線可以供給其它的 I/O 使 用。采用這種

27、技術(shù)的總線稱為分離事務(wù)總線。 通道：專門負(fù)責(zé)整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輸入/輸出工作的專用處理機(jī)，能執(zhí)行有限的一組輸入輸出指令。 通道流量：指一個(gè)通道在數(shù)據(jù)傳送期間，單位時(shí)間內(nèi)能夠傳送的數(shù)據(jù)量。 虛擬 DMA：它允許 DMA 設(shè)備直接使用虛擬地址，并在 DMA 傳送的過程中由硬件將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址。 異步 I/O：允許進(jìn)程在發(fā)出 I/O 請求后繼續(xù)執(zhí)行，直到該進(jìn)程真正訪問這些數(shù)據(jù)而它們又尚未就緒時(shí)，才被掛起。 6.2 假設(shè)一臺計(jì)算機(jī)的 I/O 處理時(shí)間占 10%，當(dāng)其 CPU 性能改進(jìn)為原來的 100 倍，而 I/O 性能僅改進(jìn)為原來的 2 倍時(shí)，系統(tǒng)總體性能會(huì)有什么樣的變化？ 解： 加速比 = 1

28、 = 16.94 10%/2+ 90%/100 6.10 在有 Cache 的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，進(jìn)行 I/O 操作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生哪些數(shù)據(jù)不一致問題？如何克服？ 答： （1）存儲(chǔ)器中可能不是 CPU 產(chǎn)生的最新數(shù)據(jù) ，所以 I/O 系統(tǒng)從存儲(chǔ)器中取出來的是陳舊數(shù)據(jù)。 （2）I/O 系統(tǒng)與存儲(chǔ)器交換數(shù)據(jù)之后，在 Cache 中，被 CPU 使用的可能就會(huì)是陳舊數(shù)據(jù)。 第一個(gè)問題可以用寫直達(dá) Cache 解決。 第二個(gè)問題操作系統(tǒng)可以保證 I/O 操作的數(shù)據(jù)不在 cache 中。如果不能，就作廢 Cache 中相應(yīng)的數(shù)據(jù)。 第 7 章 互連網(wǎng)絡(luò) 7.1 解釋以下術(shù)語 線路交換：在線路交換中，源結(jié)點(diǎn)和目的結(jié)點(diǎn)

29、之間的物理通路在整個(gè)數(shù)據(jù)傳送期間一直保持連接。 互連網(wǎng)絡(luò)：一種由開關(guān)元件按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，用來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中結(jié)點(diǎn)之間的相互連 接。在拓?fù)渖希ミB網(wǎng)絡(luò)是輸入結(jié)點(diǎn)到輸出結(jié)點(diǎn)之間的一組互連或映象。 對稱網(wǎng)絡(luò)：從任意結(jié)點(diǎn)來看，網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)都是相同的。 7.2 試比較可用于動(dòng)態(tài)互連的總線、交叉開關(guān)和多級互連網(wǎng)絡(luò)的硬件復(fù)雜度和帶寬。 答：總線互連的復(fù)雜性最低，成本也是最低。其缺點(diǎn)是每臺處理機(jī)可用的帶寬較窄。 交叉開關(guān)是最昂貴的，因?yàn)槠溆布?fù)雜性以 n2 上升，所以其成本最高。但是交叉開關(guān)的帶寬和尋徑性能最好。 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模較小時(shí)，它是一種理想的選擇。 多級互連網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度和帶寬介于總

30、線和交叉開關(guān)之間，是一種折中方案。其主要優(yōu)點(diǎn)是采用模塊化結(jié)構(gòu)，可 擴(kuò)展性較好。不過，其時(shí)延隨網(wǎng)絡(luò)級數(shù)的增加而上升。另外，由于其硬件復(fù)雜度比總線高很多，其成本也不低。 第 8 章 多處理機(jī) 8.1 解釋以下術(shù)語 集中式共享多處理機(jī)：也稱為對稱式共享存儲(chǔ)器多處理 SMP。它一般由幾十個(gè)處理器構(gòu)成，各處理器共享一個(gè)集中 式的物理存儲(chǔ)器，這個(gè)主存相對于各處理器的關(guān)系是對稱的， 多 Cache 一致性：多處理機(jī)中，當(dāng)共享數(shù)據(jù)進(jìn)入 Cache，就可能出現(xiàn)多個(gè)處理器的 Cache 中都有同一存儲(chǔ)器塊的副 本，要保證多個(gè)副本數(shù)據(jù)是一致的。 監(jiān)聽協(xié)議：每個(gè) Cache 除了包含物理存儲(chǔ)器中塊的數(shù)據(jù)拷貝之外，也保存著各個(gè)塊的共享狀態(tài)信息。Cache 通常連 在共享存儲(chǔ)器的總線上，各個(gè) Cache 控制器通過監(jiān)聽總線來判斷它們是否有總線上請求的數(shù)據(jù)塊。 8.3 什么是多處理機(jī)的一致性？給出解決一致性的監(jiān)聽協(xié)議和目錄協(xié)議的工作原理。 答： （1） 對多個(gè)處理器維護(hù)一致性的協(xié)議稱為 Cache 一致性協(xié)議。