計算機體系結(jié)構(gòu)期末復(fù)習資料(同名506)

計算機體系結(jié)構(gòu)期末復(fù)習資料(同名506)第一章 計算機體系結(jié)構(gòu)的基本概念層次結(jié)構(gòu)——計算機系統(tǒng)可以按語言的功能劃分為多級層次結(jié)構(gòu)，每一層以不同的語言為特征。第一級---微程序機器級。第二級—機器語言。第三級—操作系統(tǒng)虛擬機。第四級—匯編語言虛擬機。第五級—高級語言虛擬機。第六級—應(yīng)用語言虛擬機體系結(jié)構(gòu)——程序員所看到的計算機的屬性，即概念性結(jié)構(gòu)與功能特性。透明性——在計算機技術(shù)中，對本來存在的事物或?qū)傩?，從某一角度來看又好像不存在的概念稱為透明性。系列機——在一個廠家生產(chǎn)的具有相同的體系結(jié)構(gòu)，但具有不同的組成和實現(xiàn)的一系列不同型號的機器。軟件兼容——同一個軟件可以不加修改地運行于體系結(jié)構(gòu)相同的各檔機器上，而且它們所獲得的結(jié)果一樣，差別只在于運行的時間不同。兼容機——不同廠家生產(chǎn)的、具有相同體系(2)如果三個部件的可改進比例為30％、30％和20％，三個部件同時改進，那么系統(tǒng)中不可加速部分的執(zhí)行時間在總執(zhí)行時間中占的比例是多少？解：在多個部件可改進情況下Amdahl定理的擴展:式中，fi為可加速部件i在未優(yōu)化系統(tǒng)中所占的比例；Si是部件i的加速比。CISC——復(fù)雜指令集計算機。RISC——精簡指令集計算機。第三章流水線技術(shù)流水線——將一個重復(fù)的時序過程，分解為若干個子過程，而每一個子過程都可有效地在其專用功能段上與其他子過程同時執(zhí)行。單功能流水線——只能完成一種固定功能的流水線。多功能流水線——流水線的各段可以進行不同的連接，從而使流水線在不同的時間，或者在同一時間完成不同的功能。靜態(tài)流水線——同一時間內(nèi)，流水線的各段只能按同一種功能的連接方式工作。動態(tài)流水線——同一時間內(nèi)，當某些段正在實現(xiàn)某種運算時，另一些段卻在實現(xiàn)另一種運算。部件級流水線——（運算操作流水線）把處理機的算術(shù)邏輯部件分段，以便為各種數(shù)據(jù)類型進行流水操作。處理機級流水線——（指令流水線）把解釋指令的過程按照流水方式處理。處理機間流水線——（宏流水線）由兩個以上的處理機串行地對同一數(shù)據(jù)流進行處理，每一個處理機完成一項任務(wù)。線性流水線——指流水線的各段串行連接，沒有反饋回路。非線性流水線——指流水線中除有串行連接的通路外，還有反饋回路。標量流水處理機——處理機不具有向量數(shù)據(jù)表示，僅對標量數(shù)據(jù)進行流水處理。向量流水處理機——處理機具有向量數(shù)據(jù)表示，并通過向量指令對向量的各元素進行處理。結(jié)構(gòu)相關(guān)——某些指令組合在流水線中重疊執(zhí)行時，發(fā)生資源沖突，則稱該流水線有結(jié)構(gòu)相關(guān)。數(shù)據(jù)相關(guān)——當指令在流水線中重疊執(zhí)行時，流水線有可能改變指令讀/寫操作的順序，使得讀/寫操作順序不同于它們非流水實現(xiàn)時的順序，將導致數(shù)據(jù)相關(guān)。定向——將計算結(jié)果從其產(chǎn)生的地方直接送到其他指令需要它的地方，或所有需要它的功能單元，避免暫停。RAW——兩條指令i，j，i在j前進入流水線，j執(zhí)行要用到i的結(jié)果，但當其在流水線中重疊執(zhí)行時，j可能在i寫入其結(jié)果之前就先行對保存該結(jié)果的寄存器進行讀操作，得到錯誤值。WAW——兩條指令i，j，i在j前進入流水線，j、i的操作數(shù)一樣，在流水線中重疊執(zhí)行時，j可能在i寫入其結(jié)果之前就先行對保存該結(jié)果的寄存器進行寫操作，導致寫錯誤。WAR——兩條指令i，j，i在j前進入流水線，j可能在i讀某個寄存器之前對該寄存器進行寫操作，導致i讀出數(shù)據(jù)錯誤。有一條流水線如下所示。求連續(xù)輸入10條指令，該流水線的實際吞吐率和效率；該流水線的瓶頸在哪一段？請采取三種不同的措施消除此“瓶頸”。對于你所給出的新流水線，計算連續(xù)輸入10條指令時，其實際吞吐率和效率。解：（1）（2）瓶頸在3、4段。變成八級流水線（細分）變成兩級流水線（合并）重復(fù)設(shè)置部件1123-13-24-14-24-34-4★如果流水線有m段，各段的處理時間分別是ti（i=1，2，…，m），現(xiàn)在有n個任務(wù)需要完成，且每個任務(wù)均需流水線各段實現(xiàn)，請計算：流水線完成這n個任務(wù)所需要的時間；和非流水線實現(xiàn)相比，這n個任務(wù)流水實現(xiàn)的加速比是多少？加速比的峰值是多少？解：（1）（2）第五章存儲層次存儲層次——采用不同的技術(shù)實現(xiàn)的存儲器，處在離CPU不同距離的層次上，目標是達到離CPU最近的存儲器的速度，最遠的存儲器的容量。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中唯一的一個地方。組相聯(lián)映象——主存中的每一塊可以放置到Cache中唯一的一組中任何一個地方（Cache分成若干組，每組由若干塊構(gòu)成）。替換算法——由于主存中的塊比Cache中的塊多，所以當要從主存中調(diào)一個塊到Cache中時，會出現(xiàn)該塊所映象到的一組（或一個）Cache塊已全部被占用的情況。這時，需要被迫騰出其中的某一塊，以接納新調(diào)入的塊。LRU——選擇最近最少被訪問的塊作為被替換的塊。實際實現(xiàn)都是選擇最久沒有被訪問的塊作為被替換的塊。寫直達法——在執(zhí)行寫操作時，不僅把信息寫入Cache中相應(yīng)的塊，而且也寫入下一級存儲器中相應(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，才被寫回主存。按寫分配法——寫失效時，先把所寫單元所在的塊調(diào)入Cache，然后再進行寫入。不按寫分配法——寫失效時，直接寫入下一級存儲器中，而不把相應(yīng)的塊調(diào)入Cache。命中時間——訪問Cache命中時所用的時間。失效率——CPU訪存時，在一級存儲器中找不到所需信息的概率。失效開銷——CPU向二級存儲器發(fā)出訪問請求到把這個數(shù)據(jù)調(diào)入一級存儲器所需的時間。強制性失效——當?shù)谝淮卧L問一個塊時，該塊不在Cache中，需要從下一級存儲器中調(diào)入Cache，這就是強制性失效。容量失效——如果程序在執(zhí)行時，所需要的塊不能全部調(diào)入Cache中，則當某些塊被替換后又重新被訪問，就會產(chǎn)生失效，這種失效就稱作容量失效。沖突失效——在組相聯(lián)或直接映象Cache中，若太多的塊映象到同一組（塊）中，則會出現(xiàn)該組中某個塊被別的塊替換（即使別的組或塊有空閑位置），然后又被重新訪問的情況。2：1Cache經(jīng)驗規(guī)則——大小為N的直接映象Cache的失效率約等于大小為N/2的兩路組相聯(lián)Cache的實效率。相聯(lián)度——在組相聯(lián)中，每組Cache中的塊數(shù)。VictimCache——位于Cache和存儲器之間的又一級Cache，容量小，采用全相聯(lián)策略。用于存放由于失效而被丟棄（替換）的那些塊。每當失效發(fā)生時，在訪問下一級存儲器之前，先檢查VictimCache中是否含有所需塊。偽相聯(lián)Cache——一種既能獲得多路組相聯(lián)Cache的低失效率，又能獲得直接映象Cache的命中速度的相聯(lián)辦法?！锝档虲ache失效率有哪幾種方法？簡述其基本思想。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。提高相聯(lián)度，降低沖突失效。VictimCache，降低沖突失效。偽相聯(lián)Cache，降低沖突失效。硬件預(yù)取技術(shù)，指令和數(shù)據(jù)都可以在處理器提出訪問請求前進行預(yù)取。由編譯器控制的預(yù)取，硬件預(yù)取的替代方法，在編譯時加入預(yù)取的指令，在數(shù)據(jù)被用到之前發(fā)出預(yù)取請求。編譯器優(yōu)化，通過對軟件的優(yōu)化來降低失效率?！锝o定以下的假設(shè)，試計算直接映象Cache和兩路組相聯(lián)Cache的平均訪問時間以及CPU的性能。由計算結(jié)果能得出什么結(jié)論？理想Cache情況下的CPI為2.0，時鐘周期為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的時鐘周期增加了10％；這兩種Cache的失效開銷都是80ns；命中時間為1個時鐘周期；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：平均訪問時間＝命中時間＋失效率×失效開銷平均訪問時間1-路=2.0+1.4%*80=3.12ns平均訪問時間2-路=2.0*(1+10%)+1.0%*80=3.0ns兩路組相聯(lián)的平均訪問時間比較低CPUtime=（CPU執(zhí)行+存儲等待周期）*時鐘周期CPUtime=IC（CPI執(zhí)行+總失效次數(shù)/指令總數(shù)*失效開銷）*時鐘周期=IC（（CPI執(zhí)行*時鐘周期）+（每條指令的訪存次數(shù)*失效率*失效開銷*時鐘周期））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相對性能比：5.36/5.344=1.003直接映象cache的訪問速度比兩路組相聯(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)?！飩蜗嗦?lián)中，假設(shè)在直接映象位置沒有發(fā)現(xiàn)匹配，而在另一個位置才找到數(shù)據(jù)（偽命中）時，需要1個額外的周期，而且不交換兩個Cache中的數(shù)據(jù)，失效開銷為50個時鐘周期。試求：推導出平均訪存的時間公式。利用（1）中得到的公式，對于2KBCache和128KBCache，重新計算偽相聯(lián)的平均訪存時間。請問哪一種偽相聯(lián)更快？假設(shè)2KB直接映象Cache的總失效率為0.098，2路相聯(lián)的總失效率為0.076； 128KB直接映象Cache的總失效率為0.010，2路相聯(lián)的總失效率為0.007。解：不管作了何種改進，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的命中時間等于直接映象cache的命中時間加上偽相聯(lián)查找過程中的命中時間*該命中所需的額外開銷。命中時間偽相聯(lián)＝命中時間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，將地址取反，再在第二次查找?guī)淼?。因此偽命中率偽相?lián)＝命中率2路－命中率1路＝（1－失效率2路）－（1－