计算机系统结构课后答案

第1章计算机系统结构的基本概念1.1解释下列术语Amdahl定律：当对一个系统中的某个部件进行改进后，所能获得的整个系统性能的提高，受限于该部件的执行时间占总执行时间的百分比。程序的局部性原理：程序执行时所访问的存储器地址不是随机分布的，而是相对地簇聚。包括时间局部性和空间局部性。CPI：每条指令执行的平均时钟周期数。1.2试用实例说明计算机系统结构、计算机组成与计算机实现之间的相互关系。答：如在设计主存系统时，确定主存容量、编址方式、寻址范围等属于计算机系统结构。确定主存周期、逻辑上是否采用并行主存、逻辑设计等属于计算机组成。选择存储芯片类型、微组装技术、线路设计等属于计算机实现。计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现。计算机实现是计算机组成的物理实现。一种体系结构可以有多种组成。一种组成可以有多种实现。1.3计算机系统结构的Flynn分类法是按什么来分类的？共分为哪几类？答：Flynn分类法是按照指令流和数据流的多倍性进行分类。把计算机系统的结构分为：（1）单指令流单数据流SISD（2）单指令流多数据流SIMD（3）多指令流单数据流MISD（4）多指令流多数据流MIMD1.9假设某应用程序中有4类操作，通过改进，各操作获得不同的性能提高。具体数据如下表所示：操作类型程序中的数量（百万条指令）改进前的执行时间（周期）改进后的执行时间（周期）操作11021操作2302015操作335103操作41541（1）改进后，各类操作的加速比分别是多少？（2）各类操作单独改进后，程序获得的加速比分别是多少？（3）4类操作均改进后，整个程序的加速比是多少？解：根据Amdahl定律SeFeFeSn)1(1可得操作类型各类操作的指令条数在程序中所占的比例Fi各类操作的加速比Si各类操作单独改进后，程序获得的加速比操作111.1%21.06操作233.3%1.331.09操作338.9%3.331.37操作416.7%41.144类操作均改进后，整个程序的加速比：2.16)1(1iiinSFFS第2章指令集结构的分类2.1解释下列术语CISC：复杂指令集计算机RISC：精简指令集计算机寻址方式：指令系统中如何形成所要访问的数据的地址。一般来说，寻址方式可以指明指令中的操作数是一个常数、一个寄存器操作数或者是一个存储器操作数。数据表示：硬件结构能够识别、指令系统可以直接调用的那些数据结构。2.2指令集应满足哪几个基本要求？答：对指令集的基本要求是：完整性、规整性、高效率和兼容性。完整性是指在一个有限可用的存储空间内，对于任何可解的问题，编制计算程序时，指令集所提供的指令足够使用。规整性主要包括对称性和均匀性。对称性是指所有与指令集有关的存储单元的使用、操作码的设置等都是对称的。均匀性是指对于各种不同的操作数类型、字长、操作种类和数据存储单元，指令的设置都要同等对待。高效率是指指令的执行速度快、使用频度高。2.3指令中表示操作数类型的方法有哪几种？答：操作数类型有两种表示方法：（1）操作数的类型由操作码的编码指定，这是最常见的一种方法；（2）数据可以附上由硬件解释的标记，由这些标记指定操作数的类型，从而选择适当的运算。2.4通常有哪几种指令格式，请简述其适用范围。答：(1)变长编码格式。如果系统结构设计者感兴趣的是程序的目标代码大小，而不是性能，就可以采用变长编码格式。（2）固定长度编码格式。如果感兴趣的是性能，而不是程序的目标代码大小，则可以选择固定长度编码格式。(3)混合型编码格式。需要兼顾降低目标代码长度和降低译码复杂度时，可以采用混合型编码格式。第3章流水线技术3.1解释下列术语流水线：将一个重复的时序过程，分解成为若干个子过程，而每一个子过程都可有效地在其专用功能段上与其它子过程同时执行。数据相关：考虑两条指令i和j，i在j的前面，如果下述条件之一成立，则称指令j与指令i数据相关：（1）指令j使用指令i产生的结果；（2）指令j与指令k数据相关，而指令k又与指令i数据相关。名相关：如果两条指令使用了相同的名，但是它们之间并没有数据流动，则称这两条指令存在名相关。控制相关：是指由分支指令引起的相关。它需要根据分支指令的执行结果来确定后面该执行哪个分支上的指令。结构冲突：因硬件资源满足不了指令重叠执行的要求而发生的冲突。数据冲突：当指令在流水线中重叠执行时，因需要用到前面指令的执行结果而发生的冲突。控制冲突：流水线遇到分支指令或其它会改变PC值的指令所引起的冲突。3.3简述先行控制的基本思想。答：先行控制技术是把缓冲技术和预处理技术相结合。缓冲技术是在工作速度不固定的两个功能部件之间设置缓冲器，用以平滑它们的工作。预处理技术是指预取指令、对指令进行加工以及预取操作数等。采用先行控制方式的处理机内部设置多个缓冲站，用于平滑主存、指令分析部件、运算器三者之间的工作。这样不仅使它们都能独立地工作，充分忙碌而不用相互等待，而且使指令分析部件和运算器分别能快速地取得指令和操作数，大幅度地提高指令的执行速度和部件的效率。这些缓冲站都按先进先出的方式工作，而且都是由一组若干个能快速访问的存储单元和相关的控制逻辑组成。采用先行控制技术可以实现多条指令的重叠解释执行。3.5简述流水线技术的特点。答：流水技术有以下特点：（1）流水线把一个处理过程分解为若干个子过程，每个子过程由一个专门的功能部件来实现。因此，流水线实际上是把一个大的处理功能部件分解为多个独立的功能部件，并依靠它们的并行工作来提高吞吐率。（2）流水线中各段的时间应尽可能相等，否则将引起流水线堵塞和断流。（3）流水线每一个功能部件的前面都要有一个缓冲寄存器，称为流水寄存器。（4）流水技术适合于大量重复的时序过程，只有在输入端不断地提供任务，才能充分发挥流水线的效率。（5）流水线需要有通过时间和排空时间。在这两个时间段中，流水线都不是满负荷工作。3.6解决流水线瓶颈问题有哪两种常用方法？答：细分瓶颈段与重复设置瓶颈段3.11可采用哪些方法来提高向量处理机的性能？答：可采用多种方法：（1）设置多个功能部件，使它们并行工作；（2）采用链接技术，加快一串向量指令的执行；（3）采用循环开采技术，加快循环的处理；（4）采用多处理机系统，进一步提高性能。3.14有一条静态多功能流水线由5段组成，加法用1、3、4、5段，乘法用1、2、5段，第3段的时间为2△t，其余各段的时间均为△t，而且流水线的输出可以直接返回输入端或暂存于相应的流水寄存器中。现要在该流水线上计算，画出其时空图，并计算其吞吐率、加速比和效率。解：首先，应选择适合于流水线工作的算法。对于本题，应先计算A1＋B1、A2＋B2、A3＋B3和A4＋B4；再计算(A1＋B1)×(A2＋B2)和(A3＋B3)×(A4＋B4)；然后求总的结果。其次，画出完成该计算的时空图，如图所示，图中阴影部分表示该段在工作。由图可见，它在18个△t时间中，给出了7个结果。所以吞吐率为：tTP817如果不用流水线，由于一次求积需3△t，一次求和需5△t，则产生上述7个结果共需（4×5+3×3）△t=29△t。所以加速比为：该流水线的效率可由阴影区的面积和5个段总时空区的面积的比值求得：3.15动态多功能流水线由6个功能段组成，如下图：12345乘法加法△t△t2△t△t△t)(41iiiBAS1S2S3S4S5乘法加法S6时间段12345012345678910111213141516输入A1B1A2B2A3B3A4B4ABCDABCDA×BA×BC×DA×B×C×DA=A1＋B1B=A2＋B2C=A3＋B3D=A4＋B4C×D171861.18192ttS223.01853354E其中，S1、S4、S5、S6组成乘法流水线，S1、S2、S3、S6组成加法流水线，各个功能段时间均为50ns，假设该流水线的输出结果可以直接返回输入端，而且设置有足够的缓冲寄存器，若以最快的方式用该流水计算：51iiiizyx（1）画出时空图；（2）计算实际的吞吐率、加速比和效率。解：机器一共要做10次乘法，4次加法。3.17假设各种分支指令数占所有指令数的百分比如下：条件分支20%（其中的60%是分支成功的）跳转和调用5%现有一条段数为4的流水线，无条件分支在第二个时钟周期结束时就被解析出来，而条件分支要到第三个时钟周期结束时才能够被解析出来。第一个流水段是完全独立于指令类型的，即所有类型的指令都必须经过第一个流水段的处理。请问在没有任何控制相关的情况下，该流水线相对于存在上述控制相关情况下的加速比是多少？解：没有控制相关时流水线的平均CPI＝1存在控制相关时：由于无条件分支在第二个时钟周期结束时就被解析出来，而条件分支要到第3个时钟周期结束时才能被解析出来。所以：（1）若使用排空流水线的策略，则对于条件分支，有两个额外的stall，对无条件分支，有一个额外的stall：CPI=1+20%*2+5%*1=1.45加速比S=CPI/1=1.45（2）若使用预测分支成功策略，则对于不成功的条件分支，有两个额外的stall，对无条件分支和成功的条件分支，有一个额外的stall1：CPI=1+20%*(60%*1+40%*2)+5%*1=1.33加速比S=CPI/1=1.33（3）若使用预测分支失败策略，则对于成功的条件分支，有两个额外的stall；对无条件分支，有一个额外的stall；对不成功的条件分支，其目标地址已经由PC值给出，不必等待，所以无延迟：CPI=1+20%*(60%*2+40%*0)+5%*1=1.29加速比S=CPI/1=1.293.19某向量处理机有16个向量寄存器，其中V0~V5中分别放有向量A、B、C、D、E、F，向量长度均为8，向量各元素均为浮点数；处理部件采用两条单功能流水线，加法功能部件时间为2拍，乘法功能部件时间为3拍。采用类似于CARY-1的链接技术，先计算（A+B）*C，在流水线不停流的情况下，接着计算（D+E）*F。（1）求此链接流水线的通过时间？（设寄存器入、出各需1拍）（2）假如每拍时间为50ns，完成这些计算并把结果存进相应寄存器，此处理部件的实际吞吐率为多少MFLOPS？解：（1）我们在这里假设A＋B的中间结果放在V6中，（A＋B）×C地最后结果放在V7中，D＋E地中间结果放在V8中，（D＋E）×F的最后结果放在V9中。具体实现参考下图：V0AV1BV3DV4EV5FV6V7V2CV9V8向量加向量乘通过时间应该为前者（（A＋B）×C）通过的时间：T通过=(1+2+1)+(1+3+1)=9（拍）（2）在做完（A＋B）×C之后，作（C＋D）×E就不需要通过时间了。V6←A＋BV7←V6×CV8←D＋EV9←V8×F第4章指令级并行4.1解释下列术语指令级并行：简称ILP。是指指令之间存在的一种并行性，利用它，计算机可以并行执行两条或两条以上的指令。指令调度：通过在编译时让编译器重新组织指令顺序或通过硬件在执行时调整指令顺序来消除冲突。指令的动态调度：是指在保持数据流和异常行为的情况下，通过硬件对指令执行顺序进行重新安排，以提高流水线的利用率且减少停顿现象。是由硬件在程序实际运行时实施的。指令的静态调度：是指依靠编译器对代码进行静态调度，以减少相关和冲突。它不是在程序执行的过程中、而是在编译期间进行代码调度和优化的。保留站：在采用Tomasulo算法的MIPS处理器浮点部件中，在运算部件的入口设置的用来保存一条已经流出并等待到本功能部件执行的指令（相关信息）。CDB：公共数据总线。动态分支预测技术：是用硬件动态地进行分支处理的方法。在程序运行时，根据分支指令过去的表现来预测其将来的行为。如果分支行为发生了变化，预测结果也跟着改变。BHT：分支历史表。用来记录相关分支指令最近一次或几次的执行情况是成功还是失败，并据此进行预测。分支目标缓冲：是一种动态分支预测技术。将执行过的成功分支指令的地址以及预测的分支目标地址记录在一张硬件表中。在每次取指令的同时，用该指令的地址与表中所有项目的相应字段进行比较