1、歡迎下載 歡迎下載 .假設(shè)有一條長(zhǎng)流水線，僅僅對(duì)條件轉(zhuǎn)移指令使用分支目標(biāo)緩沖。假設(shè)分支預(yù)測(cè)錯(cuò)誤的開銷為4個(gè)時(shí)鐘周期，緩沖不命中的開銷為3 個(gè)時(shí)鐘周期。假設(shè)：命中率為 90%,預(yù)測(cè)精度為90%,分支頻率 為15%,沒有分支的基本CPI為1。求程序執(zhí)行的CPI。相對(duì)于采用固定的2個(gè)時(shí)鐘周期延遲的分支處理，哪種方法程序 執(zhí)行速度更快？參考答案：解：(1)程序執(zhí)行的cpi =沒有分支的基本 CPI (1) +分支帶來的額外開銷分支帶來的額外開銷是指在分支指令中，緩沖命中但預(yù)測(cè)錯(cuò)誤帶來的開銷與緩沖沒有命中帶來的開銷之和。分支帶來的額外開銷 =15% *(90%命中X 10%預(yù)測(cè)錯(cuò)誤X 4 + 10 %沒

2、命中X 3)= 0.099所以，程序執(zhí)行的 CPI = 1 + 0.099 = 1.099(2)采用固定的2個(gè)時(shí)鐘周期延遲的分支處理 CPI = 1 + 15% X 2 = 1.3由(1) (2)可知分支目標(biāo)緩沖方法執(zhí)行速度快。.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有三個(gè)部件可以改進(jìn)，這三個(gè)部件的部件加速比為:部件加速比1=30;部件加速比2=20部件加速比3=10)如果部件2和部件3的可改進(jìn)比例均為30%,那么當(dāng)部件1的可改進(jìn)比例為多少時(shí)，系統(tǒng)加速比才可以達(dá)到10?如果三個(gè)部件的可改進(jìn)比例分別為 20%、10%和30%,三個(gè)部 件同時(shí)改進(jìn)，那么系統(tǒng)中不可加速部分的執(zhí)行時(shí)間在總執(zhí)行時(shí)間中占的比例是多少？參考答案：解：

3、(1)在多個(gè)部件可改進(jìn)情況下,SnAmdahl定理的擴(kuò)展:1(1已知 & = 30, S2=15, S3=15, Sn= 10Fi) AFi=0.3, F2=0.3,得:110 1-(0.3 0.3 F3)(0.3/30 0.3/ 20 Fs/10)得F3 = 0.36,即部件3的可改進(jìn)比例為 36%。(2)設(shè)系統(tǒng)改進(jìn)前的執(zhí)行時(shí)間為T = 0.8T ,不可改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間為已知3個(gè)部件改進(jìn)后的加速比分別為執(zhí)行時(shí)間為：T,則3個(gè)部件改進(jìn)前的執(zhí)行時(shí)間為：(0.3+0.3+0.2)0.2T。S1 = 30S2 = 20, S3=10,因此3個(gè)部件改進(jìn)后的0.2T0.045T10丁0.3T0.3TT

4、n3020改進(jìn)后整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行時(shí)間為：Tn = 0.045T+0.2T = 0.245T那么系統(tǒng)中不可改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間在總執(zhí)行時(shí)間中占的比例是:0.2T0.820.245T.設(shè)指令流水線由取指令、分析指令和執(zhí)行指令3個(gè)部件構(gòu)成，每個(gè)部件經(jīng)過的時(shí)間為 t,連續(xù)流入12條指令。分別畫出標(biāo)量流水 處理機(jī)以及ILP均為4的超標(biāo)量處理機(jī)、超長(zhǎng)指令字處理機(jī)、超流 水處理機(jī)的時(shí)空?qǐng)D，并分別計(jì)算它們相對(duì)于標(biāo)量流水處理機(jī)的加速 比。參考答案：解：標(biāo)量流水處理機(jī)的時(shí)空?qǐng)D：執(zhí)行完12條指令需Ti=14Ato超標(biāo)量流水處理機(jī)與超長(zhǎng)指令字處理機(jī)的時(shí)空?qǐng)D:超標(biāo)量流水處理機(jī)中，每一個(gè)時(shí)鐘周期同時(shí)啟動(dòng)超標(biāo)量處理機(jī)時(shí)空?qǐng)D4條

5、指令。執(zhí)行完12條指令需T2=5超長(zhǎng)指令字處理機(jī)時(shí)空?qǐng)D t,相對(duì)于標(biāo)量流水處理機(jī)的加速比為：GT1S2T214 t5 t2.8超長(zhǎng)指令字處理機(jī)中，每 4條指令組成一條長(zhǎng)指令，共形成3條長(zhǎng)指令。執(zhí)行完指令需T3=5At,相對(duì)于標(biāo)量流水處理機(jī)的加速比為：cT1 14 t ”S32.8T35 t12條超流水處理機(jī)的時(shí)空?qǐng)D:執(zhí)行超流水處理機(jī)中，每1/4個(gè)時(shí)鐘周期啟動(dòng)一條指令。執(zhí)行完 相對(duì)于標(biāo)量流水處理機(jī)的加速比為：12條指令需T4 = 5.75At,Tl14 tT4 5.75 t2.435.設(shè)一條指令的執(zhí)行過程分成取指令、分析指令和執(zhí)行指令三個(gè)階段，每個(gè)階段所需的時(shí)間分別為 t、t和2At o分別求出

6、下列 各種情況下，連續(xù)執(zhí)行N條指令所需的時(shí)間。只有“取指令”與“執(zhí)行指令”重疊；“取指令”、“分析指令”與“執(zhí)行指令”重疊。參考答案： 連續(xù)執(zhí)行N條指令所需的時(shí)間為：4At+3 (N-1) t= (3N + 1) At連續(xù)執(zhí)行N條指令所需的時(shí)間為：4At+2 (N-1) At= (2N+2) At.有一指令流水線如下所示入 1 2 34 吊50ns 50ns 100ns200tis求連續(xù)輸入10條指令，該流水線的實(shí)際吞吐率和效率；該流水線的 瓶頸”在哪一段？請(qǐng)采取兩種不同的措施消除此 瓶頸”。對(duì)于你所給出的兩種新的流水線，連續(xù)輸入 10條指令 日寸，其實(shí)際吞吐率和效率各是多少？參考答案：(1)

7、22At歡迎下載歡迎下載 T pipelineti (n 1) tmax(50 50 100 200) 9 200 2200(ns)TP n18c(ns1) TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark6 o Current Document T pipeline 220 mti“ HYPERLINK l bookmark8 o Current Document i 14005E TP TP45.45% HYPERLINK l bookmark10 o Current Document m411(2)瓶頸在3、4段。變成八級(jí)流水線(細(xì)分)入1 _一 1 一 2 一 3_

8、150ns50ns50ns* 3_2 - 4_1 - 50ns50ns50nsmT pipelineti (n 1) tmaxi 150 8 9 50850(ns)TP m tiE TP TP 400 58.82%m817重復(fù)設(shè)置部件TP nTpipeline 185 ms4_44_34_24_13_23_121時(shí)間850nsE 400 10105882%E850 817 58.82%.動(dòng)態(tài)多功能流水線由 6個(gè)功能段組成，如下圖:加法乘法其中，S1、S4、S5、S6組成乘法流水線，S1、S2、S3、S6組成加法 流水線，各個(gè)功能段時(shí)間均為50ns,假設(shè)該流水線的輸出結(jié)果可以直 接返回輸入端5而

9、且設(shè)置有足夠的緩沖寄存器，若以最快的方式用該x i y iz i流水計(jì)算：i 1畫出時(shí)空?qǐng)D；計(jì)算實(shí)際的吞吐率、加速比和效率。參考答案：姓率=42. 42*.某向量處理機(jī)有16個(gè)向量寄存器，其中V0V5中分別放有向量A、 B、C、D、E、F,向量長(zhǎng)度均為8,向量各元素均為浮點(diǎn)數(shù)；處理 部件采用兩條單功能流水線，加法功能部件時(shí)間為2拍，乘法功能 部件時(shí)間為3拍。采用類似于CARY-1的鏈接技術(shù)，先計(jì)算（A+B） *C,在流水線不停流的情況下，接著計(jì)算（D+E） *F。求此鏈接流水線的通過時(shí)間？（設(shè)寄存器入、出各需1拍）假如每拍時(shí)間為50ns,完成這些計(jì)算并把結(jié)果存進(jìn)相應(yīng)寄存器， 此處理部件的實(shí)際吞

10、吐率為多少 MFLOPS ?參考答案：解：（1）在這里假設(shè)A+B的中間結(jié)果放在 V6中，（A + B） XC地最后結(jié)果放在 V7中, D+E地中間結(jié)果放在 V8中，（D + E） X F的最后結(jié)果放在 V9中。具體實(shí)現(xiàn)參考下圖：通過時(shí)間應(yīng)該為前者（A + B） XC）通過的時(shí)間：T 通過=（1+2+1）+（1+3+1） =9 （拍）（2）在做完（A + B） X C之后，作（C+D） X E就不需要通過時(shí)間了。V6T + BV7 V6 X CV8f +EVA V8 乂 FT 通過 + (8 1) 8 24(拍)1200(ns)32TP26.67MFLOP ST.假設(shè)分支目標(biāo)緩沖的命中率為 90

11、%,程序中無條件轉(zhuǎn)移指令的比 例為5%,沒有無條件轉(zhuǎn)移指令的程序 CPI值為1。假設(shè)分支目 標(biāo)緩沖中包含分支目標(biāo)指令，允許無條件轉(zhuǎn)移指令進(jìn)入分支目標(biāo) 緩沖，則程序的CPI值為多少？參考答案：解：設(shè)每條無條件轉(zhuǎn)移指令的延遲為 X,則有：1 + 5%Xx= 1.1 x= 2歡迎下載 歡迎下載 當(dāng)分支目標(biāo)緩沖命中時(shí)，無條件轉(zhuǎn)移指令的延遲為0。所以程序的 CPI = 1 + 2 X 5% X（1 90%） =1.01. 一臺(tái)32個(gè)處理器的計(jì)算機(jī)，對(duì)遠(yuǎn)程存儲(chǔ)器訪問時(shí)間為400ns。除了通信以外，假設(shè)計(jì)算中的訪問均命中局部存儲(chǔ)器。當(dāng)發(fā)出一個(gè)遠(yuǎn)程請(qǐng)求時(shí)，本處理器掛起。處理器時(shí)鐘時(shí)間為1GHz,如果指令基本的

12、IPC為2（設(shè)所有訪存均命中Cache）,求在沒有遠(yuǎn)程訪 問的狀態(tài)下與有0.2%的指令需要遠(yuǎn)程訪問的狀態(tài)下，前者比后 者快多少？參考答案：解:沒有遠(yuǎn)程訪問時(shí)，機(jī)器的 CPI為1/基本IPC=1/2=0.5有0.2%遠(yuǎn)程訪問的機(jī)器的實(shí)際 CPI為 CPI=基本CPI +遠(yuǎn)程訪問率X遠(yuǎn)程訪問開銷= 0.5+0.2% X遠(yuǎn)程訪問開銷 遠(yuǎn)程訪問開銷為 ：遠(yuǎn)程訪問時(shí)間/時(shí)鐘周期時(shí)間=400 ns/1 ns=400個(gè)時(shí)鐘周期CPI = 0.5+0.2%400= 1.3因此在沒有遠(yuǎn)程訪問的情況下的計(jì)算機(jī)速度是有0.2%遠(yuǎn)程訪問的計(jì)算機(jī)速度的1.3/0.5=2.6倍。.簡(jiǎn)述Tomasulo算法的基本思想。參考

13、答案：答：核心思想是： 記錄和檢測(cè)指令相關(guān)，操作數(shù)一旦就緒就立即執(zhí)行，把發(fā)生 RAW 沖突的可能性減小到最少；通過寄存器換名來消除 WAR沖突和 WAW沖突。寄存器換名是通過保留站來實(shí)現(xiàn)，它保存等待流出和正在流出指令所需要的操作數(shù)。基本思想：只要操作數(shù)有效，就將其取到保留站，避免指令流出時(shí)才到寄存器中取數(shù)據(jù)，這就使得即將執(zhí)行的指令從相應(yīng)的保留站中取得操作數(shù)，而不是從寄存器中。指令的執(zhí)行結(jié)果也是直接送到等待數(shù)據(jù)的其它保留站中去。因而，對(duì)于連續(xù)的寄存器寫，只有最后一個(gè)才真正更新寄存器中的內(nèi)容。一條指令流出時(shí)，存放操作數(shù)的寄存器名被換成為對(duì)應(yīng)于該寄存 器保留站的名稱（編號(hào)）。.假定有一個(gè)處理機(jī)臺(tái)數(shù)為

14、p的共享存儲(chǔ)器多處理機(jī)系統(tǒng)。設(shè)m為 典型處理機(jī)每條指令執(zhí)行時(shí)對(duì)全局存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問的平均次數(shù)。設(shè)t為共享存儲(chǔ)器的平均存取時(shí)間，x為使用本地存儲(chǔ)器的單處理 機(jī)MIPS速率。再假定在多處理機(jī)的每臺(tái)處理機(jī)上執(zhí)行n條指令。根據(jù)參數(shù)m, t, x, n和p,確定多處理機(jī)的有效MIPS速率。假設(shè)一臺(tái)多處理機(jī)有 p=32臺(tái)RISC處理機(jī)，m=0.4, t=1us, 要使多處理機(jī)的有效性能達(dá)到 56MIPS,需要每臺(tái)處理機(jī)的 MIPS速 率是多少（即x=? ） ?假設(shè)有p=32臺(tái)CISC處理機(jī)用在上述多處理機(jī)系統(tǒng)中，每臺(tái)處理機(jī)的x=2MIPS、m=1.6、t=1us,試問多處理機(jī)系統(tǒng)的有效 MIPS速率是多少？

15、參考答案：解：(1)有效 MIPS 速率=p*x/(1+m*x*t)(2) 32*x/(1 0.4*x*1)=56 ,得 x=5.83(3)有效 MIPS 速率=p*x/(1+m*x*t)=32*2/(1 + 1.6*2*1)=15.24.假設(shè)對(duì)指令Cache的訪問占全部訪問的75%;而對(duì)數(shù)據(jù)Cache的 訪問占全部訪問的25%。Cache的命中時(shí)間為1個(gè)時(shí)鐘周期，失效開 銷為50個(gè)時(shí)鐘周期，在混合Cache中一次load或store操作訪問Cache 的命中時(shí)間都要增加一個(gè)時(shí)鐘周期，32KB的指令Cache的失效率為 0.15%, 32KB的數(shù)據(jù)Cache的失效率為3.77%, 64KB的混

16、合Cache 的失效率為0.95%。又假設(shè)采用寫直達(dá)策略，且有一個(gè)寫緩沖器，并 且忽略寫緩沖器引起的等待。試問指令Cache和數(shù)據(jù)Cache容量均為 32KB的分離 Cache和容量為64KB的混合Cache相比,哪種 Cache 的失效率更低？?jī)煞N情況下平均訪存時(shí)間各是多少？參考答案：解：(1)根據(jù)題意，約75%的訪存為取指令。因此，分離 Cache 的總體失效率為：(75%X0.15%) + ( 25% X 3.77%) = 1.055%;容量為128KB的混合Cache的失效率略低一些，只有 0.95%。(2)平均訪存時(shí)間公式可以分為指令訪問和數(shù)據(jù)訪問兩部分：平均訪存時(shí)間=指令所占的百分

17、比X (讀命中時(shí)間+讀失效率X失效開銷)+ 數(shù)據(jù)所占的百分比X (數(shù)據(jù)命中時(shí)間+數(shù)據(jù)失效率X失效開銷)所以，兩種結(jié)構(gòu)的平均訪存時(shí)間分別為：分離 Cache 的平均訪存時(shí)間= 75% X (1+0.15%X50) + 25% X (1 + 3.77%X50) =(75% X 1.075) + ( 25% X 2.885) = 1.5275混合 Cache 的平均訪存時(shí)間= 75% x (1+0.95%X50) + 25% x ( 1 + 1 + 0.95% x 50) =(75% X 1.475) + ( 25% X 2.475) = 1.725因此，盡管分離 Cache的實(shí)際失效率比混合 Ca

18、che的高，但其平均訪存時(shí)間反而較低。分離Cache提供了兩個(gè)端口，消除了結(jié)構(gòu)相關(guān)。.給定以下的假設(shè)，試計(jì)算直接映象 Cache和兩路組相聯(lián)Cache的 平均訪問時(shí)間以及CPU的性能。由計(jì)算結(jié)果能得出什么結(jié)論？理想Cache情況下的CPI為2.0,時(shí)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(shí)鐘周期增加了10這兩種Cache的失效開銷都是80ns;(5)命中時(shí)間為1個(gè)時(shí)鐘周期；(6)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%。參考答案：解：平均訪

19、問時(shí)間=命中時(shí)間+失效率X失效開銷平均訪問時(shí)間1-路=2.0+1.4% *80=3.12ns平均訪問時(shí)間 2-路=2.0*(1+10%)+1.0% *80=3.0ns兩路組相聯(lián)的平均訪問時(shí)間比較低CPUtime= (CPU執(zhí)彳存儲(chǔ)等待周期)*時(shí)鐘周期CPU time=IC (CPI執(zhí)彳f+總失效次數(shù)/指令總數(shù)*失效開銷)*時(shí)鐘周期=IC (CPI執(zhí)行*時(shí)鐘周期)+ (每條指令的訪存次數(shù) *失效率*失效開銷*時(shí)鐘周期)CPU time 1-way=IC(2.0*2+1.2*0.014*80) = 5.344ICCPU time 2-way=IC(2.2*2+1.2*0.01*80) = 5.36

20、IC相對(duì)性能比:CPUtime 2way5.36/5.344=1.003CPUtime1way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)。.假設(shè)一臺(tái)計(jì)算機(jī)具有以下特性：95%的訪存在Cache中命中；塊大小為兩個(gè)字，且失效時(shí)整個(gè)塊被調(diào)入；CPU發(fā)出訪存請(qǐng)求的速率為109字/s;25%的訪存為寫訪問；(5)存儲(chǔ)器的最大流量為109字/s (包括讀和寫)；主存每次只能讀或?qū)懸粋€(gè)字；在任何時(shí)候，Cache中有30%的塊被修改過；寫失效時(shí)，Cache采用按寫分配法?，F(xiàn)欲給該計(jì)算機(jī)增

21、添一臺(tái)外設(shè)，為此首先想知道主存的頻帶已用 了多少。試對(duì)于以下兩種情況計(jì)算主存頻帶的平均使用比例。寫直達(dá)Cache;寫回法Cache參考答案：解：采用按寫分配直達(dá)cache訪問命中，有兩種情況：讀命中，不訪問主存；寫命中，更新 cache和主存，訪問主存一次。訪問失效，有兩種情況：讀失效，將主存中的塊調(diào)入 cache中，訪問主存兩次；寫失效，將要寫的塊調(diào)入 cache,訪問主存兩次，再將修改的數(shù)據(jù)寫入 cache和主存，訪問主存一次，共三次。上述分析如下表所示。訪問命中訪問類型頻率訪存次數(shù)Y讀95%*75%=71.3%0Y寫95%*25%=23.8%1N讀5%*75%=3.8%2N寫5%*25%

22、=1.3%3一次訪存請(qǐng)求最后真正的平均訪存次數(shù)=(71.3%*0)+(23.8%*1)+(3.8%*2)+(1.3%*3)= 0.35已用帶寬=0.35 X 109/10 9=35.0%回法cache訪問命中，有兩種情況：讀命中，不訪問主存；寫命中，不訪問主存。采用寫回法，只有當(dāng)修改的cache塊被換出時(shí)，才寫入主存；訪問失效，有一個(gè)塊將被換出，這也有兩種情況：如果被替換的塊沒有修改過，將主存中的塊調(diào)入cache塊中，訪問主存兩次；如果被替換的塊修改過， 則首先將修改的塊寫入主存，需要訪問主存兩次； 然后將主存中的塊調(diào)入cache塊中，需要訪問主存兩次，共四次訪問主存。訪問命中塊為臟頻率訪存次

23、數(shù)YN95%*70%=66.5%0YY95%*30%=28.5%0NN5%*70%=3.5%2NY5%*30%=1.5%4所以：一次訪存請(qǐng)求最后真正的平均訪存次數(shù)=66.5 % *0 + 28.5%*0+3.5%*2+1.5%*4=0.13已用帶寬=0.13X 10 9/10 9= 13%.降低Cache失效率有哪幾種方法？簡(jiǎn)述其基本思想。參考答案：答：常用的降低 Cache失效率的方法有下面幾種：(1)增加Cache塊大小。增加塊大小利用了程序的空間局部性。(2)增加Cache的容量。(3)提高相聯(lián)度，降低沖突失效。(4)偽相聯(lián)Cache,降低沖突失效。當(dāng)對(duì)偽相聯(lián) Cache進(jìn)行訪問時(shí)，首先

24、是按與直接 映象相同的方式進(jìn)行訪問。如果命中，則從相應(yīng)的塊中取出所訪問的數(shù)據(jù)，送給CPU,訪問結(jié)束。如果不命中， 就將索引字段的最高位取反，然后按照新索引去尋找偽相聯(lián)組”中的對(duì)應(yīng)塊。如果這一塊的標(biāo)識(shí)匹配，則稱發(fā)生了物命中否則，就訪問下一級(jí)存儲(chǔ)器。(5)硬件預(yù)取技術(shù)。在處理器提出訪問請(qǐng)求前預(yù)取指令和數(shù)據(jù)。(6)由編譯器控制的預(yù)取，硬件預(yù)取的替代方法，在編譯時(shí)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(qǐng)求。(7)編譯器優(yōu)化，通過對(duì)軟件的優(yōu)化來降低失效率。(8) “犧牲 Cacheo在Cache和其下一級(jí)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)通路之間增設(shè)一個(gè)全相聯(lián)的 小Cache,存放因沖突而被替換出去的那些塊。每當(dāng)發(fā)生不命

25、中時(shí)，在訪問下一級(jí)存儲(chǔ)器之 前，先檢查“犧牲” Cache中是否含有所需的塊。如果有，就將該塊與Cache中某個(gè)塊做交換，把所需的塊從犧牲Cache調(diào)入Cache。.假設(shè)Cache失效開銷為50個(gè)時(shí)鐘周期，當(dāng)不考慮存儲(chǔ)器停頓時(shí)，所有指令的執(zhí)行時(shí)間都是2.0個(gè)時(shí)鐘周期，Cache的失效率為2%,平均每條指令訪存 1.33次。試分析Cache對(duì)性能的影響。解:CPU 時(shí)間(CPU存儲(chǔ)器停頓周期數(shù)X時(shí)鐘周期時(shí)間考慮each。的失效后，性能為，5時(shí)間行c= ZCK （2. 0+（L33X2%X50）X時(shí)鐘周期時(shí)間=JCX 3. 33 乂時(shí)鐘周期時(shí)間實(shí)際 07 : 3.333.33/2, 0 = 1.67 （倍）CPU時(shí)間也增加為原來的 1.67倍。但若不采用 Cache,則：CPI =2.0+50 X 1.33=68.5.考慮兩種不同組織結(jié)構(gòu)的Cache：直接映象 Cache和兩路組相聯(lián) Cache,試問它們對(duì)CPU的性能有何影響？先求平均訪存時(shí)間，然后再計(jì)算CPU性能。分析時(shí)請(qǐng)用以下假設(shè)：理想Cache（命中率為100%）情況下的CPI為2.0,時(shí)鐘周期為2ns,