系统结构——2016《计算机系统结构》自做答案（错误率高未订正）

硬连和微指令

硬连逻辑的特点：设计思路清晰，简单明了；线路庞杂，调试困难，修改困难；速度快。主要用于RISC。

微指令的大致思想是这样的，n条微指令组成一个微程序，通过有序的执行微指令，完成一个微程序对应的功能，比如取指令微程序。

频率

1千赫 （kHz 103 Hz） =1 000 Hz

1兆赫 （MHz 106 Hz） =1 000 000 Hz

1吉赫 （GHz 109 Hz） =1 000 000 000 Hz

1太赫 （THz 1012 Hz） =1 000 000 000 000 Hz

1拍赫 （PHz 1015 Hz） =1 000 000 000 000 000 Hz

1艾赫 （EHz 1018 Hz） =1 000 000 000 000 000 000 Hz

习题

1

【单选题】

关于流水线的下列说法，错误的是（ ）。

• A、

  流水线能够提高吞吐率；

• B、

  流水线提高了器件的利用率；

• C、

  流水线提高了单个任务的处理速度；

• D、

  消除流水线瓶颈的方法有“瓶颈段细分方法”和“瓶颈段重复设置方法”

正确答案： C

流水方式是指——多部件同时解释多条指令

有一个流水线由4段组成，S1，S2，S4各段的时间都是Δt，S3段的时间是3Δt。 如下图：

问：

（1）当在流水线的输入端连续地每Δt 时间输入一个任务时，该流水线会发生（ ）现象，原因是（ ）。

（2）此流水线的最大吞吐率TPmax为（ ）；如果每3Δt输入一个任务，连续处理9个任务时的实际吞吐率TP为（ ），其效率E为（ ）。

（3）当每段时间不变时，采用重复设置瓶颈段方法解决流水线瓶颈问题，仍连续处理9个任务时，与（2）相比，其吞吐率提高的倍数N为（ ）；此时的加速比SP为（ ）。

第一空： 流水线阻塞，出现了S3功能段的结构冲突；第二空： TPmax=1/3Δt；TP=9/30Δt；E=9/20；
第三空： N=2.14 ；SP=3.86

当执行指令i发生异常时，处理机的现场（状态）与严格按程序顺序执行时指令i的现场不同。反之，如果发生异常时，处理机的现场跟严格按照程序顺序执行时指令i的现场相同，则称为精确异常。

题目

开发指令级并行的方法主要有两类:基于硬件的（ ）和基于软件的（ ）

（4.0分）

• A、

  动态方法，静态方法

• B、

  动态方法，BHT方法

• C、

  静态方法，BTB方法

• D、

  基于前瞻思想，BHT方法

  选A

如果一串连续的代码除了入口和出口以外，不包含其他分支指令和转入点称为（ 基本程序块 ）

【单选题】

基于硬件的前瞻执行不包括哪种思想（ ）

（4.0分）

• A、

  前瞻地执行后续指令。

• B、

  编译器调度

• C、

  跨基本块的调度。

• D、

  动态分支预测

正确答案： B 我的答案：B

【单选题】

与全相联映像相比，组相联映像的优点是（ ）。

（3.0分）

• A、

  命中时间短，实现成本低

• B、

  块冲突概率低

• C、

  Cache命中率高

• D、

  主存利用率高

我的答案：A

【单选题】

总线是连接多个模块的信息传输线，是各部件共享的传输介质。其特点是在任意时刻允许有（ ）个部件向总线发送信息。

• A、

  多个

• B、

  一个

• C、

  两个

• D、

  三个

正确答案： B 我的答案：B

磁盘存储器适合于连接到（ ）。

• A、

  字节多路通道或者选择通道

• B、

  字节多路通道或数组多路通道

• C、

  选择通道或数组多路通道

• D、

  任意一种通道

正确答案： C 我的答案：C

【填空题】

假设在伪相联Cache中，当在按照直接映射找到的位置处没有发现匹配，而在另一个位置才找到数据（伪命中）需要2个额外的周期。当Cache容量为2KB时，命中时间为1个时钟周期，失效开销为50个时钟周期。若为直接映像，失效率为0.098。若为二路组相联映像，失效率为0.076。请问该伪相联Cache的平均访存时间是（ Q1 ）。

备注：无需进行四舍五入。

（2.0分）

第一空：

4.844

计算过程：$1+(0.098-0.076)\ast 2+0.076\ast 50$

2016《计算机系统结构》自做答案

1.单级存储器的主要矛盾是什么？通常采取什么方法来解决？

答：

答案来自百度文库。

百度文库链接

1.速度越快，每位价格就越高

2.容量越大，每位价格就低

3.容量越大，速度越慢

采取多级存储层次方法来解决

2.简述流水线技术的特点。

答：在52页。

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。

2.流水线中各段的时间尽可能相等，否则会引起流水线阻塞。

3.流水线每一个功能部件后面都要有一个缓冲寄存器（锁存器），称为流水寄存器

4.流水技术适合于大量重复的时序过程

5.流水线需要有通过时间和排空时间

3.简述动态分支预测技术的目的。

答：在125页面

动态分支预测技术的目的有两个

1.预测分支是否成功

2.尽快找到分支目标地址（或指令），从而避免控制相关造成流水线停顿。

4.从执行程序的角度，计算机系统中的并行性等级可以分为哪几级？

答：在21页

从执行程序的角度，可以分为：

指令内部并行

指令级并行

线程级并行

任务级或过程级并行

作业或程序级并行

（拓展，从处理数据角度，有字串位串、字串位并、字并位串和全并行）

5.简述设计RISC机器遵循的原则。

答：在38页

1.指令条数少而简单

2.采用简单而又统一的指令格式，减少寻址方式

3.指令的执行在单个机器周期内完成（采用流水线机制后）

4.只有load和store指令才能访问存储器，其他指令的操作都是在寄存器之后，即采用load-store结构

5.大多数指令都采用硬连逻辑实现

硬连和微指令

硬连逻辑的特点：设计思路清晰，简单明了；线路庞杂，调试困难，修改困难；速度快。主要用于RISC。

微指令的大致思想是这样的，n条微指令组成一个微程序，通过有序的执行微指令，完成一个微程序对应的功能，比如取指令微程序。

6.强调优化编译器的作用

7.利用流水线来提高性能

选择题

1.B（第18页，系列机，模拟与仿真，统一高级语言）

2.C（第58页前两句，流水线的最大吞吐率和实际吞吐率由时间最长的那个段决定）

3.A

4.C（增加块大小，减少强制性不命中，提高相联度，冲突不命中减少）

5.A （Flynn分类法中定义，指令流，数据流，多倍性）

6.B

7.C

8.C（237页，这与磁盘需要花费大量时间寻找扇区有关）

9.D（78页）

10.A（4页，传统机器级所具有的属性）

填空题

1.部件加速比 可改进比例
$$加速比=\frac{1}{(1-可改进比例)+\frac{可改进比例}{部件加速比}}$$
2.写后读 读后写 写后写

3.局部性 时间局部性 空间局部性

4.正常运行时间 故障修复时间217页，是MTTF平均失效前时间，MTTR平均修复时间

MTTF+MTTR是平均失效间隔时间（MTBF）

计算题

参考

(1)
$$CPI=\frac{2500+2000\ast 6+3700\ast 4+1800\ast 2}{2500+2000+3700+1800}=3.29$$

(2)
$$MIPS速率=f/CPI=200/3.29=60.79MIPS$$
(3)
$$程序执行时间=(2500+2000\ast 6+3700\ast 4+1800\ast 2)/200MHz=164.5ms$$
2.

(1)

(2)
$$吞吐率TP=11/20\Delta t$$

$$加速比S=(4\Delta t\ast 8+5\Delta t\ast 3)/20\Delta t=47/20$$

$$效率E=(4\ast 8+5\ast 3)/(20\ast 6)=47/120$$

(1)
$$最大I/O数据传输率=700KBps\ast 2+(20+2\ast 6.6+10)KBps=1443.2KBps$$
(2)
$$通道工作周期=1/(f)=1/43.2BPs=23.1\mu s$$
4.

(1)

4位块位移，1位索引，剩下十位标记位

(2)

块号从小到大

标识	索引
1110000001	0
1110000010	0
1110000001	1
1110000010	1

（3）平均访存时间=命中时间+不命中率*不命中开销
$$平均访存时间=1+\frac{62}{9\ast 20}\ast 120=41.3$$
5.

(1)

流出	执行	写结果
1	2-3	4
2	4-5	6
3	7-14	15
4	16-19	20
5	21-36	37
6	20-23	24
21	33-41	42
22	43-44	45

(2)

Label	Busy	OP	VJ	VJ	QJ	QK	A
ADD1	Y	ADD.D	0X01			MUL1
ADD2	Y	SUB.D	0X01			MUL1
MUL1	Y	MUL.D	0X01	0X14
MUL2	Y	DIV.D	0X01			ADD1

(3)

Label	F0	F2	F4	F6	F8	F10
Qi	ADD1	0	MUL1	MUL2	ADD2	0