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

1、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)誤的開銷為4個(gè)時(shí)鐘周期，緩沖不命中的開銷為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。求程序執(zhí)行的CPI。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)的額外開銷分支帶來(lái)的額外開銷是指在分支指令中，緩沖命中但預(yù)測(cè)錯(cuò)誤帶來(lái)的開銷與緩沖沒(méi)有命中帶來(lái)的開銷之和。分支帶來(lái)的額外開銷= 15% * (90%命中×10%預(yù)測(cè)錯(cuò)誤×4 + 10沒(méi)命中

2、15;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？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：

3、（1）在多個(gè)部件可改進(jìn)情況下，Amdahl定理的擴(kuò)展：已知S130，S215，S315，Sn10，F(xiàn)10.3，F(xiàn)20.3，得：得F30.36，即部件3的可改進(jìn)比例為36%。（2）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+0.2）T = 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S130，S220，S310，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

4、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T114t。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T25t，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T35t，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

5、指令。執(zhí)行完12條指令需T45.75t，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2t 。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： 連續(xù)執(zhí)行N條指令所需的時(shí)間為：4t3（N-1）t（3N1）t 連續(xù)執(zhí)行N條指令所需的時(shí)間為：4t2（N-1）t（2N2）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； 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

6、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。n 變成八級(jí)流水線（細(xì)分）n 重復(fù)設(shè)置部件123-13-24-14-24-34-46. 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V0V5中分別放有向量A、B、C、D、E、F，向量

7、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。求此鏈接流水線的通過(guò)時(shí)間？（設(shè)寄存器入、出各需1拍）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)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(shí)現(xiàn)參考下圖：通過(guò)時(shí)間應(yīng)該為前者（AB）×C）

8、通過(guò)的時(shí)間：T通過(guò)= (1+2+1)+(1+3+1) =9（拍）（2）在做完（AB）×C之后，作（CD）×E就不需要通過(guò)時(shí)間了。V6AB V7V6×C V8DE V9V8×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：15%×x1.1 x2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 ×

9、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)開銷 0.50.2%×遠(yuǎn)程訪問(wèn)開銷 遠(yuǎn)程訪問(wèn)開銷為 ：遠(yuǎn)程訪問(wèn)時(shí)間/時(shí)

10、鐘周期時(shí)間400 ns/1 ns400個(gè)時(shí)鐘周期 CPI0.50.2%×4001.3 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： 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； 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)?；舅枷耄褐灰僮鲾?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

11、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，只有最后一個(gè)才真正更新寄存器中的內(nèi)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。 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。 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

12、能達(dá)到56MIPS，需要每臺(tái)處理機(jī)的MIPS速率是多少（即x=？）？ 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) （2）32*x/(10.4*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，失效開銷為50 個(gè)時(shí)鐘周

13、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)采用寫直達(dá)策略，且有一個(gè)寫緩沖器，并且忽略寫緩沖器引起的等待。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%&#

14、215;3.77%）1.055%； 容量為128KB的混合Cache的失效率略低一些，只有0.95%。 （2）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%×（10.15%×50）25%×（13.77%×50）（75%×1.075）（25%×2.885）1.5275 混合Cache的平均訪存時(shí)間75%

15、×（10.95%×50）25%×（110.95%×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？（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)Cach

16、e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；（5） 命中時(shí)間為1個(gè)時(shí)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CPU time=IC（CPI執(zhí)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*

17、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）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：（1） 95的訪存在Cache中命中；（2） 塊大小為兩個(gè)字，且失效時(shí)整個(gè)塊被調(diào)入；（3） CPU發(fā)出訪存請(qǐng)求的速率為109字

18、/s；（4） 25的訪存為寫訪問(wèn)；（5） 存儲(chǔ)器的最大流量為109字/s（包括讀和寫）；（6） 主存每次只能讀或?qū)懸粋€(gè)字；（7） 在任何時(shí)候，Cache中有30的塊被修改過(guò)；（8） 寫失效時(shí)，Cache采用按寫分配法?，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。（1） 寫直達(dá)Cache；（2） 寫回法Cache。參考答案：解：采用按寫分配（1）寫直達(dá)cache訪問(wèn)命中，有兩種情況：讀命中，不訪問(wèn)主存；寫命中，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；寫失效，將要

19、寫的塊調(diào)入cache，訪問(wèn)主存兩次，再將修改的數(shù)據(jù)寫入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95%*25%=23.8%1N讀5%*75%=3.8%2N寫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=0.35×109/10 9 =35.0%（2）寫回法cache訪問(wèn)命中,有兩種情況：讀命中，不訪問(wèn)主存；寫命中，不訪問(wèn)主存。采用寫回法，只有當(dāng)修改的cache塊被換出時(shí)，才寫入主存；訪問(wèn)失效,有一個(gè)塊

20、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*028.5%*0+3.5%*2+1.5%*4=0.13已用帶寬0.13×10 9/10 913%15. 降低Cache失效率有哪幾種方法？簡(jiǎn)述其基本思想。參考

21、答案：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(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。（5） 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)。（6） 由編譯器控制的預(yù)取，硬件

22、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。（7） 編譯器優(yōu)化，通過(guò)對(duì)軟件的優(yōu)化來(lái)降低失效率。（8） “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