12系統(tǒng)結(jié)構(gòu)答案.ppt

1、1,1.模擬a.用軟件方法在一臺(tái)現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)另一臺(tái)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)b.指在一個(gè)廠家內(nèi)生產(chǎn)的具有相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但具有不同組成和實(shí)現(xiàn)的一系列不同型號(hào)的機(jī)器 2.仿真a.用微程序直接解釋另一種機(jī)器指令系統(tǒng)的方法b.每條指令的平均時(shí)鐘周期數(shù) 3.MIPSa.它表示每秒百萬(wàn)指令條數(shù)b.每秒百萬(wàn)次浮點(diǎn)操作次數(shù) 4.MFLOPSa.每秒百萬(wàn)次浮點(diǎn)操作次數(shù)b.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) （請(qǐng)計(jì)算機(jī)四班的同學(xué)，將本題答案寫在紙條上，下課后交到講臺(tái)上，并寫好班級(jí)、學(xué)號(hào)、姓名，） 2005.4.25,課 堂 作 業(yè)（一）單選題,2,1.想在系列機(jī)中發(fā)展一種新型號(hào)機(jī)器，你認(rèn)為將CPU與主存之間的數(shù)據(jù)

2、通路寬度由16位擴(kuò)到32位，以加快主機(jī)內(nèi)部信息的傳送。可以考慮的，還是不行的？為什么？ 可以。只是提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣取?（請(qǐng)計(jì)算機(jī)六班的同學(xué)，將本題答案寫在紙條上，下課后交到講臺(tái)上，并寫好班級(jí)、學(xué)號(hào)、姓名，） 2005年4月10日,課 堂 作 業(yè)（二）,3,1.假定我們將某一執(zhí)行部件改進(jìn)后速度提高10倍。改進(jìn)后被改進(jìn)部件執(zhí)行時(shí)間占系統(tǒng)總運(yùn)行時(shí)間的50%。則改進(jìn)后，獲得的加速比Sp是多少？ （請(qǐng)計(jì)算機(jī)六班的同學(xué)，將本題答案寫在紙條上，下課后交到講臺(tái)上，并寫好班級(jí)、學(xué)號(hào)、姓名，）,課 堂 作 業(yè)（三）,4,在尾數(shù)采用補(bǔ)碼、小數(shù)表示且p=6，階碼采用移碼、整數(shù)表示且q=6，尾數(shù)基rm為16，階碼基

3、re為2的情況下：(1) 最大尾數(shù)為：1rm-p116-6，0.FFFFFF(2) 最小正尾數(shù)為：1/rm1/16，0.100000(3) 最小尾數(shù)為： -1， 1.000000(4) 最大負(fù)尾數(shù)為：-(rm-1 + rm-p)(16-1 + 16-6)，1.EFFFFF(5) 最大階碼為：req126163，7F，包括符號(hào)位共7個(gè)1(6) 最小階碼為：-req-26-64，00，包括符號(hào)位共7個(gè)0(7) 最大正數(shù)為：(116-6)1663，7FFFFFFF(8) 最小正數(shù)為：16-65，00100000(9) 最大負(fù)數(shù)為：-(16-1 + 16-6) 16-64，80EFFFFF(10) 最

4、小負(fù)數(shù)為：-1663，F(xiàn)F000000(11) 浮點(diǎn)零為：00000000(12) 表數(shù)精度為：16-5/22-21(13) 表數(shù)效率為：15/1693.75(14) 能表示的規(guī)格化浮點(diǎn)數(shù)個(gè)數(shù)為：21516527+1,課 堂 作 業(yè)（四、五、六）,5,證明：在浮點(diǎn)數(shù)的字長(zhǎng)和表數(shù)范圍一定時(shí)，尾數(shù)基值rm 取2或4具有最高的表精度。(見教案） 假設(shè)有兩種表示方式F1和F2，它們二進(jìn)制字長(zhǎng)相同，尾數(shù)都用原碼或補(bǔ)碼、小數(shù)表示，階碼都移碼、整數(shù)表示，階碼的基值均為2，尾數(shù)基值不同。 浮點(diǎn)數(shù)表示方式F1：rm1=2,p1,q1, 二進(jìn)制字長(zhǎng)：L1= p1+q1+2 浮點(diǎn)數(shù)表示方式F2： rm1=2k ,p

5、2,q2, 二進(jìn)制字長(zhǎng)：L2= kp2+q2+2 由于F1和F2二進(jìn)制字長(zhǎng)相同，即L1= L2，得 p1+q1 =kp2+q2 （1） F1的表數(shù)范圍是： F2的表數(shù)范圍是：,課 堂 作 業(yè)（六*）,6,課 堂 作 業(yè)（六*）,兩邊取以2為底的對(duì)數(shù)得: q1 =q2 +log2k (2) (2.2)代入(2.1)得： p1+ q2 +log2k =kp2+q2 化簡(jiǎn)得到：p1=kp2 -log2k (2.3) F1的表示數(shù)精度是： (2.4) 把(2.3)代入(2.4)得到： F2的表示數(shù)精度是： 取F2與F1表示數(shù)精度的比值： (2.5) 只有k=1(rm=2)或k=2(rm=4)時(shí)，比值T

6、=1 結(jié)論1：在字長(zhǎng)和表數(shù)范圍一定時(shí)，尾數(shù)基值rm取2或4，浮點(diǎn)數(shù)具有最高的表精度。,7,操作碼：00，01，10，110，1110，11110，11111平均長(zhǎng)度：H = 2.35,0.35,0.25,0.20,0.10,0.05,0.02,0.03,0.05,0.10,0.20,0.40,1.00,0,0,0,0,0,0,1,1,1,1,1,1,0.60,課 堂 作 業(yè)（七）,8,寄存器-寄存器：每個(gè)R為3位，共8位 00 R R; 01 R R10 R R寄存器-存儲(chǔ)器: R為3位，X為1位，A變址量為8(127)，共16位。 1100 R X A（變址寄存器兩個(gè)只要1位） 1101 R

7、 X A（變址量127需要8位） 1110 R X A 1111 R X A,課 堂 作 業(yè)（八）,9,1、請(qǐng)回答下列問題:在許多早期處理機(jī)中,為什么采用微程序設(shè)計(jì)方法?為什么現(xiàn)代處理機(jī)較少采用該方法? 答:早期主要是微程序設(shè)計(jì)方法允許少量硬件實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜指令。現(xiàn)代可用硬件增多，CISC指令減少，這樣在硬件中直接實(shí)現(xiàn)指令。 2、按Cache地址映像的塊沖突概率從高到低的順序是( ). A、全相聯(lián)映像 、直接映像、組相聯(lián)映像 B、組相聯(lián)映像、直接映像、全相聯(lián)映像 C、直接映像、組相聯(lián)映像、全相聯(lián)映像(OK) D、全相聯(lián)映像、組相聯(lián)映像、直接映像,課 堂 作 業(yè)（十）,10,一、對(duì)于一個(gè)采用組相聯(lián)映

8、象方式和FIFO替換算法的Cache，發(fā)現(xiàn)它的等效訪問時(shí)間太長(zhǎng)；為此，提出如下改進(jìn)建議： (1)增大主存的容量。 基本無(wú)關(guān) (2)提高主存的速度。 能夠減小等效訪問時(shí)間，T = TC H+TM (1-H)，通過減小TM能夠減小T。 (3)增大Cache的容量。 當(dāng)Cache比較小時(shí)，增大Cache對(duì)減小等效訪問時(shí)間效果明顯；當(dāng)Cache容量達(dá)到一定程度時(shí)，效果逐漸不明顯。 (4) Cache的總?cè)萘亢蛪K大小不變，增大組的大小。 有一個(gè)極大值，在這個(gè)極大值點(diǎn)，等效訪問時(shí)間最小。,課 堂 作 業(yè)（十一）,11,1、不屬于堆棧算法的是( ) A、FIFO算法 B、LFU 算法 C、OPT算法 D、L

9、RU算法 2、與虛擬存儲(chǔ)器的等效訪問速度無(wú)關(guān)的是（ ） A、訪存頁(yè)地址流 B、頁(yè)面替換算法 C、主存的容量 D、輔存的容量 答案:1、A；2、D （請(qǐng)計(jì)算機(jī)四班的同學(xué)，將本題答案寫在紙條上，下課后交到講臺(tái)上，并寫好班級(jí)、學(xué)號(hào)、姓名，） 2005.4.15,課 堂 作 業(yè)（十二）,12,一、對(duì)于一個(gè)采用組相聯(lián)映象方式和FIFO替換算法的Cache，發(fā)現(xiàn)它的等效訪問時(shí)間太長(zhǎng)；為此，提出如下改進(jìn)建議： (1)Cache的總?cè)萘亢徒M大小不變，增大塊的大小。 有一個(gè)極大值，在這個(gè)極大值點(diǎn)，等效訪問時(shí)間最小。 (2)提高Cache的速度。 能夠減小等效訪問時(shí)間，T = TC H+TM (1-H)，效果明

10、(3)Cache的總?cè)萘亢蛪K大小不變，增加組數(shù)。 當(dāng)組數(shù)不是很多時(shí)，等效訪問時(shí)間的變化不大，當(dāng)組數(shù)超過某一值時(shí)，等效訪問時(shí)間將明顯增加。 (4)替換算法由FIFO改為L(zhǎng)FU。 能夠提高命中率，因此，能夠減小等效訪問時(shí)間。,課 堂 作 業(yè)（十三）,13,課 堂 作 業(yè)（十六）,解：禁止表F=3、沖突向量C=（100） 狀態(tài)圖如右圖所示： 簡(jiǎn)單循環(huán)：(4), (2), (2,4), (1,4), (1,1,4);迫切循環(huán)：(1,1,4), (2);最佳恒定等待時(shí)間循環(huán): (2);最小平均等待延遲 MAL=2;因?yàn)镸AL=2，所以該流水線的吞吐率,14,課 堂 作 業(yè)（十七）,乘法操作用到的流水段有

11、：S1、S4、S5、S6；加法操作用到的流水段有：S1、S2、S3、S6。以最快的方式處理的流水線時(shí)空?qǐng)D如圖所示： (2) A部分所處理的是 B部分所處理的是 C部分所處理的是,15,整個(gè)處理過程共需22個(gè)時(shí)鐘周期。而進(jìn)行了14次不同的運(yùn)算，所以其實(shí)際吞吐率為： 這些運(yùn)算串行處理所需要的時(shí)鐘周期為56個(gè)時(shí)鐘周期，所以其加速比和效率分別為：,課 堂 作 業(yè)（十七續(xù)）,16,試以實(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。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作為一門學(xué)科，主要是研究軟件，硬件功能分配和對(duì)軟件、硬件界面的確定，即哪些功能由軟件完成，哪些功能由硬件完成。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)組成和計(jì)算機(jī)

12、實(shí)現(xiàn)是三個(gè)不同的概念。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟硬件的界面；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)。,17,課 堂 作 業(yè)（四）,一臺(tái)模型機(jī)共有7條指令，有8個(gè)通用數(shù)據(jù)寄存器，2個(gè)變址寄存器。設(shè)計(jì)8位字長(zhǎng)的寄存器-寄存器型指令3條，16位字長(zhǎng)的寄存器-存儲(chǔ)器型變址尋址方式指令4條，變址范圍不小于正、負(fù)127。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)指令格式，并給出各字段的長(zhǎng)度和操作碼的編碼。 (請(qǐng)計(jì)算機(jī)1班的同學(xué)，將本題答案寫在紙條上，下課后交到講臺(tái)上，并寫好班級(jí)、學(xué)號(hào)、姓名） 2007.4.4,用幾bit來(lái)表示?,用幾bit來(lái)表示?,用幾bit來(lái)表示?,要符合擴(kuò)展編碼規(guī)則,18,有5個(gè)中斷

13、源，其中斷優(yōu)先級(jí)、正常情況下的中斷屏蔽碼和 改變后的中斷屏蔽碼如下表所示，每個(gè)中斷源的有5位中斷屏蔽碼，其中“1” 表示該中斷源被屏蔽，“0”表示該中斷源開放。 (1) 5個(gè)中斷源同時(shí)申請(qǐng)，分別寫出使用正常的中斷屏蔽碼和改變后中斷屏蔽碼時(shí)，處理機(jī)響應(yīng)各中斷源的中斷服務(wù)請(qǐng)求的先后次序和實(shí)際中斷次序。 (2)假設(shè)處理機(jī)從響應(yīng)中斷源的中斷服務(wù)請(qǐng)求開始，到運(yùn)行中斷服務(wù)程序中第一次開中斷所用時(shí)間為1個(gè)單位時(shí)間，運(yùn)行中斷服務(wù)程序的其它部分所使用的時(shí)間為4個(gè)單位時(shí)間，那么在執(zhí)行主程序時(shí)，有D3、D4和D5同時(shí)發(fā)出中斷服務(wù)請(qǐng)求，過了3個(gè)單位時(shí)間，又有中斷源D1和D2同時(shí)發(fā)出中斷服務(wù)請(qǐng)求，如果使用改變后中斷屏蔽

14、碼，請(qǐng)畫出處理機(jī)響應(yīng)中斷源的中斷服務(wù)請(qǐng)求和實(shí)際運(yùn)行中斷服務(wù)程序過程示意圖。,課 堂 作 業(yè)（二十一）,19,（1）D1D2D3D4D5 D5D4D3D2D1,題目中沒有說明是1級(jí)最高，還是5級(jí)最高，有的同學(xué)認(rèn)為中斷優(yōu)先級(jí)D5最高！對(duì)嗎？,我們可以從正常中斷屏蔽碼得到結(jié)論：應(yīng)該是1級(jí)最高，如果是5級(jí)最高就沒有意義，因?yàn)轫憫?yīng)D5 中斷，其他中斷源無(wú)法中斷D5執(zhí)行 。,20,用戶程序 1 2 3 4 5,12345,（2）D1D2D3D4D5 D1D2D3D5D4,此時(shí)D1、 D2、D3執(zhí)行完，還有D4、 D5沒有執(zhí)行，那么選擇D4執(zhí)行，這時(shí)屏蔽碼對(duì)D5是開放的，所以D5中斷D4執(zhí)行，執(zhí)行D5，執(zhí)行

15、D5完畢就執(zhí)行D4 ，然后返回主程序。,21,12,345,用戶程序 1 2 3 4 5,錯(cuò)!,錯(cuò)的原因：執(zhí)行D3 后要返回到用戶程序！,開始345中斷源同時(shí)然后過3單位時(shí)間,又有D1、D2申請(qǐng)中斷。,22,12,345,用戶程序 1 2 3 4 5,OK!,345中斷源同時(shí)申請(qǐng),選擇最高的D3執(zhí)行,由于一個(gè)中斷程序執(zhí)行需要5個(gè)單位時(shí)間,其中一個(gè)關(guān)門時(shí)間.當(dāng)中斷D3執(zhí)行3單位時(shí)間,又有D1、D2申請(qǐng)中斷。,這時(shí)屏蔽碼對(duì)D1是開放的，所以執(zhí)行D1級(jí)中斷！然后返回執(zhí)行D3完！再返回用戶程序，此時(shí)D1、 D3執(zhí)行完，那么在D2D4D5中選擇D2級(jí)別高，且這時(shí)屏蔽碼對(duì)本身是開放的，執(zhí)行完，返回用戶程序

16、，此時(shí)D1、 D2、D3執(zhí)行完，還有D4、 D5沒有執(zhí)行，那么選擇D4執(zhí)行，這時(shí)屏蔽碼對(duì)D5是開放的，所以D5中斷D4執(zhí)行，執(zhí)行D5，執(zhí)行D5完畢就執(zhí)行D4 ，然后返回主程序。,23,解：t=10ns=10-8秒 (1)F=1，2，5，C=(10011) (2)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如下圖所示。100113，4，*6 (3)最小啟動(dòng)循環(huán)=（3）,最小平均啟動(dòng)距離=3t。 (4)插入2個(gè)延遲，最小啟動(dòng)循環(huán)=（2）,最小平均啟動(dòng)距離=2t。,24,計(jì)算峰值,1、10臺(tái)NF190D服務(wù)器理論值：10（節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)）*2（2個(gè)CPU/服務(wù)器）*2（雙核/CPU）*2（一個(gè)時(shí)鐘周期2個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)算）*1.6（主頻）=128Gflops 2、2臺(tái)SP2200服務(wù)