计算机系统结构--复习（Part 4）
本篇是习题专辑
往期回顾：
Part 1（chapter 1 - chapter 5）：https://blog.csdn.net/zongza/article/details/83780572
Part 2（chapter 5 - chapter 10）：https://blog.csdn.net/zongza/article/details/83933327
Part 3（概念专辑）：https://blog.csdn.net/zongza/article/details/84100133
Part 4（习题专辑）：https://blog.csdn.net/zongza/article/details/84111578
资料下载：
计算机体系结构-量化研究方法-Hennessy&Patterson著（英文版）：https://download.csdn.net/download/zongza/10787837
计算机体系结构-量化研究方法-Hennessy&Patterson著（中文版）：https://download.csdn.net/download/zongza/10787840
计算机系统结构教程-第二版-张晨曦著：https://download.csdn.net/download/zongza/10787843
计算机体系结构教程-学习指导与题解：https://download.csdn.net/download/zongza/10793886
流水线
主要知识点：画出停顿示意图（纵坐标用任务），画出流水线时空图（纵坐标用流水段或者任务，视情况而定，如果重复执行相同指令就是流水段时空图，如果执行多条不同指令就是任务时空图），吞吐率 效率 加速比 的计算，流水线改进（增加硬件，旁路等等）
例1：
假设非流水机单条指令经过相应的5个功能部件的执行时间分别为10ns,8ns,10ns,10ns和7ns，如果实现流水线且每个部件增加了1ns的附加开销，不考虑其他延迟因素，那么该流水线的加速比为多少？
例2：
注意这个最大吞吐率的计算！ 意思是流水线进入稳定状态后，一定是每max（...）个时间流出一条指令。
例3：
主要考察流水线停顿
注意：
- 先分析相关（考察的就是相关带来的stall）
- 任务时空图是：向下的方向为纵轴 和 向左的方向为横轴
例4：
主要考察动态流水线的时空图
例5：
假设非流水线实现的时钟周期时间为1ns，ALU和分支指令需要4个时钟周期，访问存储器指令需5个时钟周期，上述指令在程序中出现的相对频率分别是：40%、20%和40%。在基本的流水线中，假设由于时钟扭曲和寄存器建立延迟等原因，流水线要在其时钟周期时间上附加0.2ns的额外开销。现忽略任何其他延迟因素的影响，请问：相对于非流水实现而言，基本的流水线执行指令的加速比是多少？
例6：
用一条4段浮点加法器流水线求8个浮点数的和: Z＝A＋B＋C＋D＋E＋F＋G＋H,求流水线的吞吐率、加速比和效率,其中△t1=△t2=△t3=△t4=△t。
答：可对原式作一简单变化，得到：
Z＝[（A＋B）＋（C＋D）]＋[（E＋F）＋（G＋H）]
7个加法8个数的流水线时空图如下：
CPI计算
主要知识点:CPI计算,MIPS计算,程序执行时间
例1:
例2:
新CPI的计算 old-
例3:
例4:
新CPI的计算 base+
例5：
例6：
某RISC处理机各类指令使用频率和理想CPI（指令和数据访问Cache命中率为100％时的CPI）如下表所示。而实际测得的指令访问Cache缺失率（miss rate）为5％，数据访问的Cache缺失率为10％，Cache的缺失损失（miss penalty）为40个时钟周期。
1）该机器在无Cache缺失（理想情况）时的CPI是多少？（3分）
2）该机器在无Cache缺失（理想情况）时的速度比有Cache缺失时快几倍？（4分）
| 指令类型 |
ALU操作 |
Loads |
Stores |
Branches |
| 使用频率 |
43％ |
21％ |
12％ |
24％ |
| CPI ideal |
1 |
2 |
2 |
2 |
1）CPI=43%X1+21%X2+12%X2+24%X2=1.57
2）对指令讲，指令Cache的访问占全部访问的100%/(100%+21%+12%)=75%
对数据来讲，数据Cache的访问占全部访问的（21%+12%）/(100%+21%+12%)=25%
new_cpi＝base＋失效率X失效开销
＝1.57＋(75%X5%+25%X10%)X40＝1.57＋2.5＝4.07
则：4.07/1.57＝2.59＝2.6 大约快2.6倍
阿姆达尔定律
例1:
例2:
例3:
指令集架构（从多地址的向下扩展）
例1：
某计算机的指令字长16位，设有单地址指令和两地址指令两类指令，若每个地址子段均为6位，且两地址指令有A条，问单地址指令最多可以有多少？
答：
双地址指令结构为：（4位操作码）（6位地址码）（6位地址码）
单地址指令结构为：（10位操作码）（6位地址码）
因此，每少一条双地址指令，则多2^6条单地址指令，
双地址指令最多是2^(16-6-6)=2^4=16条 ，
所以单地址指令最多有（16-X）*2^6条。
例2：
若某机要求有：三地址指令4条，单地址指令192条，零地址指令16条。设指令字长为12位，每个地址码长3位。问能否以扩展操作码为其编码？
答：能，如下：
例3：
若某机要求：三地址指令4条，单地址指令255条，零地址指令16条。设指令字长为12位．每个地址码长为3位。问能否以扩展操作码为其编码?如果其中单地址指令为254条呢?说明其理由。
解：
（1）不能用扩展码为其编码。
指令字长12位，每个地址码占3位，三地址指令最多是2^(12-3-3-3)=8条， 现三地址指令需4条,
所以可有4条编码作为扩展码，而单地址指令最多为4×2^3×2^3=2^8=256条，现要求单地址指令255条，
所以可有一条编码作扩展码
因此零地址指令最多为1×2^3＝8条
不满足题目要求，故不可能以扩展码为其编码。
（2）若单地址指令254条，可以用扩展码为其编码。
依据（1）中推导，单地址指令中可用2条编码作为扩展码，零地址指令为2×2^3＝16条，满足题目要求
Cache平均访问时间
例1：
答：
例2：
答：
CPU时间（也可以看成CPI的计算）
例1：
答：注意这里不是求平均访问时间，而是计算停顿开销(=miss_rate * miss_pernalty)
页表计算
例1：
一个有快表和慢表的页式虚拟存储器，最多有64个用户，每个用户最多要用1024个页面，每页4K字节，主存容量8M字节。
（1）写出多用户虚地址的格式，并标出各字段的长度。
（2）写出主存地址的格式，并标出各字段的长度。
（3）快表的字长为多少位？分几个字段？各字段的长度为多少位？
（4）慢表的容量是多少个存储字？每个存储字的长度为多少位？
答：
用户号：64＝26，虚页号：1024＝210，页内地址：4K＝212，主存页数：8M/4K＝211
（1）多用户虚地址：
用户号（6位）＋虚页号（10位）＋页内地址（12位） 共28位
（2）主存地址：
主存实页号（11位）＋页内地址（12位） 共23位
（3）快表字长27位；分3个字段：用户号6位，虚页号10位，实页号11位
（4）慢表容量为2（6+10），每个存储字长为：主存页号＋1＝12位。
相关分支预测状态机：
例1：
例2：
