第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念

知識(shí)點(diǎn)匯總

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)、虛擬機(jī)、解釋/翻譯、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)/組成/實(shí)現(xiàn)、馮氏分類法、Flynn

分類法、以經(jīng)常性事件為重點(diǎn)原理、Amdahl定律、CPU性能公式、程序局部性原理、計(jì)算機(jī)系

統(tǒng)性能評(píng)測(cè)指標(biāo)（執(zhí)行時(shí)間、吞吐率）、基準(zhǔn)測(cè)試程序、馮諾依曼結(jié)構(gòu)、馮諾依曼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及改進(jìn)、

軟件可移植性、系列機(jī)、軟件兼容（向上、向下、向前、向后）、兼容機(jī)、模擬、仿真、并行性含

義、并行性等級(jí)、提高并行性的途徑（包括時(shí)間重疊、資源重復(fù)、資源共享）、單機(jī)系統(tǒng)中的并行

性發(fā)展、多機(jī)系統(tǒng)中的并行性發(fā)展、耦合度、松散耦合、緊密耦合

簡(jiǎn)答題

1.簡(jiǎn)述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)。（知識(shí)點(diǎn)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)）

答：從下到上分成微程序機(jī)器級(jí)、機(jī)器語(yǔ)言、操作系統(tǒng)虛擬機(jī)、匯編語(yǔ)言虛擬機(jī)、高級(jí)語(yǔ)言

虛擬機(jī)、應(yīng)用語(yǔ)言虛擬機(jī)

2.什么是翻譯？什么是解釋？（知識(shí)點(diǎn)：翻譯、解釋）

答：翻譯是將L+1級(jí)程序全部轉(zhuǎn)成L級(jí)程序后，再執(zhí)行產(chǎn)生的L級(jí)程序；

解釋是每當(dāng)一條L+1級(jí)程序被譯碼后執(zhí)行，再解釋下一條L+1級(jí)指令。

3.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)實(shí)現(xiàn)三者之間的關(guān)系，并舉例說(shuō)明。（知識(shí)點(diǎn)：計(jì)算機(jī)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)/組成/實(shí)現(xiàn)）

答：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是指計(jì)算機(jī)的軟硬界面，即機(jī)器語(yǔ)言程序員看到的傳統(tǒng)機(jī)器具有的屬性。

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)。

如，確定指令集中是否有乘法指令屬于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)容，乘法指令是否由專門的乘

法部件實(shí)現(xiàn)是計(jì)算機(jī)組成，乘法器的物理實(shí)現(xiàn)是計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。

4.Flynn分類法將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分成哪四類？請(qǐng)簡(jiǎn)述。

答：SISD,SIMD,MISD,MIMD

5.請(qǐng)簡(jiǎn)述程序局部性原理。（知識(shí)點(diǎn)：程序局部性原理）

答：包括時(shí)間局部性和空間局部性。時(shí)間局部性是指：程序即將用到的信息很可能就是目前正在

使用的信息；程序的空間局部性是指，程序即將用到的信息很可能與目前正在使用的信息空間上

臨近。

6.簡(jiǎn)述Amdahl定律。（知識(shí)點(diǎn):Amdahl定律）

答：加快某部件執(zhí)行速度所能獲得的系統(tǒng)性能加速比，受限于該部件的執(zhí)行時(shí)間戰(zhàn)系統(tǒng)中總執(zhí)行

時(shí)間的百分比。

7.系列機(jī)的概念？（知識(shí)點(diǎn)：系列機(jī)）

答：同一廠家生產(chǎn)的具有相同體系結(jié)構(gòu)、具有不同組成和實(shí)現(xiàn)的一系列不同型號(hào)的機(jī)器。

8.什么是軟件兼容？軟件兼容有幾種？其中哪一種是軟件兼容的根本特征？（知識(shí)點(diǎn)：軟件兼

容）

答：一個(gè)軟件可以不加修改或者少量修改，可以由一臺(tái)機(jī)器上移植到另一臺(tái)機(jī)器上運(yùn)行。分

成向上、向下、向前、向后兼容，向后兼容是根本特征。

9.簡(jiǎn)要說(shuō)明提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)并行性的3種技術(shù)途徑，并各舉一例。（知識(shí)點(diǎn)：提高并行性途徑）

答：時(shí)間重疊.如流水線：資源重復(fù),如多處理機(jī)：鎏源共享,如多道程序C

選擇題

1.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)按照由高到低的順序分別為（C）。（知識(shí)點(diǎn)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)）

A.高級(jí)語(yǔ)言機(jī)器級(jí)、匯編語(yǔ)言機(jī)器級(jí)、傳統(tǒng)機(jī)器語(yǔ)言機(jī)器級(jí)、操作系統(tǒng)機(jī)器級(jí)、應(yīng)用語(yǔ)言機(jī)

器級(jí)、微程序機(jī)器級(jí)

B.高級(jí)語(yǔ)言機(jī)器級(jí)、應(yīng)用語(yǔ)言機(jī)器級(jí)、操作系統(tǒng)機(jī)器級(jí)、傳統(tǒng)機(jī)器語(yǔ)言機(jī)器級(jí)、匯編語(yǔ)言機(jī)

器級(jí)、微程序機(jī)器級(jí)

C.應(yīng)用語(yǔ)言機(jī)器級(jí)、高級(jí)語(yǔ)言機(jī)器級(jí)、匯編語(yǔ)言機(jī)器級(jí)、操作系統(tǒng)機(jī)器級(jí)、傳統(tǒng)機(jī)落語(yǔ)言機(jī)

器級(jí)、微程序機(jī)器級(jí)

D.應(yīng)用語(yǔ)言機(jī)器級(jí)、操作系統(tǒng)機(jī)器級(jí)、高級(jí)語(yǔ)言機(jī)器級(jí)、匯編語(yǔ)言機(jī)器級(jí)、微程序機(jī)器級(jí)、

傳統(tǒng)機(jī)器語(yǔ)言機(jī)器級(jí)

2.最早的馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)是以（A）為中心的。

A.運(yùn)算器

B.控制器

C.存儲(chǔ)器

D.I/O設(shè)備

3.從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)看，機(jī)器語(yǔ)言程序員看到的機(jī)器屬性是（C）。（知識(shí)點(diǎn)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)/組成/實(shí)現(xiàn)）

A.計(jì)算機(jī)軟件所要完成的功能

B.計(jì)算機(jī)硬件的全部組成

C.編程要用到的硬件組織

D.計(jì)算機(jī)各部件的硬件實(shí)現(xiàn)

4.用戶CPU時(shí)間由哪三個(gè)因素決定？（D）（知識(shí)點(diǎn)：CPU性能公式）

A.CPI,IC和所執(zhí)行的指令條數(shù)

B.CPI,IC和執(zhí)行程序所需要的時(shí)鐘周期數(shù)

C.CPI,IC和系統(tǒng)加速比

D.CPI,IC和時(shí)鐘頻率

5.根據(jù)Amdahl定律，系統(tǒng)加速比由哪兩個(gè)因索決定？（C）（知識(shí)點(diǎn)：Amdahl定律）

A.可改進(jìn)比例和所執(zhí)行的指令條數(shù)

B,可改進(jìn)比例和執(zhí)行程序所需要的時(shí)鐘周期數(shù)

C,可改進(jìn)比例和部件加速比

D.可改進(jìn)比例和時(shí)鐘頻率

6.實(shí)現(xiàn)軟件可移植性的基本途徑不包括（D）。（知識(shí)點(diǎn)：軟件可移植性、系列機(jī)、軟件兼

容、兼容機(jī)、模擬、仿真）

A.采用統(tǒng)一的高級(jí)語(yǔ)言

B.采用系列機(jī)

C.模擬和仿真

D.采用統(tǒng)一的匯編語(yǔ)言

7.利用時(shí)間重疊概念實(shí)現(xiàn)并行處理的是（A）。（知識(shí)點(diǎn)：提高并行性的途徑）

A.流水處理機(jī)

B.多處理機(jī)

C.陣列處理機(jī)

D.機(jī)群系統(tǒng)

8.多處理機(jī)實(shí)現(xiàn)的并行主要是（A）。（知識(shí)點(diǎn)：提高并行性的途徑）

A.任務(wù)級(jí)并行

B.指令級(jí)并行

C.線程級(jí)并行

D.操作級(jí)并行

填空題

1.程序的局部性包括（時(shí)間局部性）和（空間局部性）兩個(gè)方面。（知識(shí)點(diǎn)：程序局部性原

理）

2.計(jì)算機(jī)組成指的是計(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)指的是計(jì)算機(jī)組成的

（物理實(shí)現(xiàn)）O（知識(shí)點(diǎn)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)/組成/實(shí)現(xiàn)）

3.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析中最經(jīng)常使用的三條基本原則是（以經(jīng)常性事件為重

點(diǎn)）、（程序局部性原理）和Amdahl定律。知識(shí)點(diǎn)（以經(jīng)常性事件為重點(diǎn)、

程序局部性原理）

4.多機(jī)系統(tǒng)的耦合度可以分為最低耦合、（松散耦合）和（緊密耦合）

3類。（知識(shí)點(diǎn)：耦合度、松散耦合、緊密耦合）

5.CPU性能公式的3個(gè)參數(shù)反映了與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相關(guān)的三個(gè)因素：（周期時(shí)間）取決于計(jì)

算機(jī)實(shí)現(xiàn)技術(shù)和計(jì)算機(jī)組織，（CPI）取決于計(jì)算機(jī)指令集的結(jié)構(gòu)和指令集的設(shè)計(jì)與實(shí)

現(xiàn)技術(shù)，（IC）取決于計(jì)算機(jī)指令集的結(jié)構(gòu)和編譯技術(shù)。（知識(shí)點(diǎn)：CPU性能公式）

6.根據(jù)Amdahl定律可知，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)所獲得的加速比取決于（部件所占比例）和（部

件加速比）。（知識(shí)點(diǎn)：Amdahl定律）

7.實(shí)現(xiàn)程序可移植性的主要途徑有（采用系列機(jī)）、（模擬和仿真）和統(tǒng)一高級(jí)語(yǔ)言。

8.軟件兼容有（向上）、（向下）、（向前）和（向后）四種，其中（向

后）是軟件兼容的根本特征。（知識(shí)點(diǎn)：軟件兼容）

9.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中提高并行性的技術(shù)途徑有（時(shí)間重疊）、（資源重復(fù)）、（資

源共享）。（知識(shí)點(diǎn)：提高并行性的途徑）

10.從處理數(shù)據(jù)的角度來(lái)看，并行性等級(jí)從高到低可分為字并位并，（字并位串），（字串位并），

字串位串。（知識(shí)點(diǎn)：并行性等級(jí)）

11.廣義來(lái)說(shuō)，并行性既包含（同時(shí)性），又包含（并發(fā)性）。

12.從執(zhí)行程序的角度來(lái)看，并行性等級(jí)從低到高可分為（指令內(nèi)部并行），（指令級(jí)并行），（線

程級(jí)并行），（過(guò)程級(jí)并行），（作業(yè)級(jí)并行）。（知識(shí)點(diǎn)：并行性等級(jí)）

計(jì)算題

1.用一臺(tái)40MHZ的計(jì)算機(jī)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)程序的測(cè)試，它包含的指令類型、指令數(shù)和相應(yīng)的時(shí)間如

下表所示：

指令類型指令數(shù)平均時(shí)鐘周期數(shù)

整數(shù)運(yùn)算450001

數(shù)據(jù)傳送320002

浮點(diǎn)運(yùn)算15(X)02

控制傳送80002

求：⑴有效CPI

(2)CPU執(zhí)行時(shí)間

(3)MIPS

(知識(shí)點(diǎn)：CPU性能公式)

答：(1)CPI=(45000x1+32000x2+15000x2+8000x2)/(45000+32000+15000+8000)=1.55

(2)MIPS=17CPI=40/l.55=25.8MIPS

(3)CPU時(shí)間=(45(X)0x1+32()00x2+15000x2+8(X)0x2)/40=3.875ms

2.某臺(tái)主頻為400MHz的計(jì)算機(jī)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試程序，程序中指令類型、執(zhí)行數(shù)量和平均時(shí)鐘周

期數(shù)如下：

指令類型指令執(zhí)行數(shù)量平均時(shí)鐘周期數(shù)

整數(shù)450001

數(shù)據(jù)傳送750002

浮點(diǎn)80004

分支15002

求該計(jì)算機(jī)的有效CPI、MIPS和程序執(zhí)行時(shí)間。

(知識(shí)點(diǎn)：CPU性能公式)

答:

(1)CPI=(45000x1+75000x2+8000x4+1500x2)/129500=1.776

(2)MIPS速率=BCPI=400/1.776=225.225MIPS

(3)程序執(zhí)行時(shí)間=(45000x1+75000x2+8000x4+1500x2)/400=575s

3.假設(shè)在一臺(tái)40MHZ處理機(jī)上運(yùn)行200,000條指令的目標(biāo)代碼(這個(gè)數(shù)字好像沒(méi)用),程序主

要由四種指令組成。根據(jù)程序跟蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果，已知指令混合比和每種指令所需的指令數(shù)如下：

指令類型CPI指令混合比

算術(shù)和邏輯I60%

高速緩存命中的加載/存儲(chǔ)218%

轉(zhuǎn)移412%

高速存儲(chǔ)缺失的存儲(chǔ)器訪問(wèn)810%

(a)計(jì)算在單處理機(jī)上用上述跟蹤數(shù)據(jù)運(yùn)行程序的平均CPL

(b)根據(jù)(a)所得的CPI,計(jì)算相應(yīng)的MIPS速率。

(知識(shí)點(diǎn)：CPU性能公式)

答：av=1*60%+2*18%+4*12%+8*1俄=2.24

40MHZ

MIPS==17.86

CP/*10'2.24*106

4.某臺(tái)處理機(jī)的時(shí)鐘頻率為15MHz,執(zhí)行測(cè)試程序的速率為10MIPS,假設(shè)每次存儲(chǔ)器存取需

要1個(gè)時(shí)鐘周期的時(shí)間。

問(wèn)：（1）試從CPU時(shí)間公式分析影響CPU性能的因素。

（2）求處理機(jī)的CPI值

（3）假設(shè)將處理機(jī)的時(shí)鐘頻率提高到30MHz，但存儲(chǔ)器的工作速率不變，這使每次存儲(chǔ)

器存取需要2個(gè)時(shí)鐘周期.如果測(cè)試程序中30%的指令需要I次訪存.S%的指令需要2次訪存.

其他指令不需要訪存，求該測(cè)試程序在改進(jìn)后的處理機(jī)上執(zhí)行的速率（MIPS）。

注：MIPS為MillionInstructionsPerSecond,每秒百萬(wàn)條指令。

（知識(shí)點(diǎn)：CPU性能公式）

答：（1）CPU時(shí)間公式為

CPU時(shí)間=指令釜數(shù)（IC）*平均每條指令的時(shí)鐘周期數(shù)（CPI）*時(shí)鐘周期時(shí)間

其中：時(shí)鐘周期時(shí)間取決于硬件實(shí)現(xiàn)技術(shù)和計(jì)算機(jī)組成;指令條數(shù)取決于指令集結(jié)構(gòu)和編譯技術(shù);

平均每條指令所需要的時(shí)鐘周期數(shù)取決于計(jì)算機(jī)組成和指令集結(jié)構(gòu)。

（2）CPI=時(shí)鐘頻率/速率=15M/10M=1.5

(3)CPP=65%*1.5+30%*2+5%*4=1.775

速率=時(shí)鐘頻率7CP「=30MHZ/1.775=16.9MIPS

5.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i=30；部件加速比2=20：部件加速比3=10

（1）如果部件1和部件2的可改進(jìn)比例均為30%,那么當(dāng)部件3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?

（2）如果三個(gè)部件的可改進(jìn)比例分別為30%、30%和20%,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？

（知識(shí)點(diǎn)：Amdahl定律）

答：（1）在多個(gè)部件可改進(jìn)情況下，Amdahl定理的擴(kuò)展：

己知Si=30,S2=20,S3=10,Sn=10,Fi=03,F2=0.3,得:

10=-------------------!------------------

1-（0.3+0.3+巴）+（0.3/30+0.3/20+//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,則3個(gè)部件改進(jìn)前的執(zhí)行時(shí)間為：（0.3+0.3+0.2）T=0.8T,

不可改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間為0.2To

已知3個(gè)部件改進(jìn)后的加速比分別為Si=30,S2=20,S3=10,因此3個(gè)部件改進(jìn)后的執(zhí)行

時(shí)間為：

=0.045T

302010

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:

027

——=0.82

0.245T

6.某計(jì)算機(jī)要針對(duì)其CPU、內(nèi)存、硬盤這三種硬件進(jìn)行升級(jí)。已知：

（1）升級(jí)前此計(jì)算機(jī)執(zhí)行某測(cè)試程序時(shí)，40%的執(zhí)行時(shí)間消耗在CPU上，25%的執(zhí)行時(shí)間消耗

在內(nèi)存訪問(wèn)，20%的執(zhí)行時(shí)間消耗在硬盤訪問(wèn)。

（2）新CPH的運(yùn)算速度是原CPH的4倍.平均無(wú)故障時(shí)間是5。萬(wàn)小時(shí)八

（3）新內(nèi)存的訪問(wèn)速度是原內(nèi)存的2倍，平均無(wú)故障時(shí)間是2（）萬(wàn)小時(shí)。

（4）新硬盤的訪問(wèn)速度是原CPU的5倍，平均無(wú)故障時(shí)間是10萬(wàn)小時(shí)。

（5）假定每個(gè)部件的生存期服從指數(shù)分布，且各部件的故障是相互獨(dú)立的。

問(wèn)：

（1）升級(jí)前后使用同一測(cè)試程序進(jìn)行性能測(cè)試，在只升級(jí)CPU,只升級(jí)內(nèi)存，只升級(jí)硬盤這三

種情況下，系統(tǒng)加速比各為多少？三種硬件同時(shí)升級(jí)的情況下，系統(tǒng)的速度能不能達(dá)到原來(lái)的三

倍？

（2）不考慮CPU,內(nèi)存，硬盤以外的硬件故障，則三種硬件同時(shí)升級(jí)后，整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的平

均無(wú)故障時(shí)間是多少小時(shí)？

（知識(shí)點(diǎn)：Amdahl定律）

解:

1

（1）根據(jù)Amdahl定律可得:系統(tǒng)加速匕珍=

可改進(jìn)比例

不可改進(jìn)比例

+Z部件加速比

P\=-------!~=—=1.43

只升級(jí)CPU,

（1一40%）+等7

1Q

只升級(jí)內(nèi)存，P2=-----------^二行.14

（1—25%）+與7

125

只升級(jí)硬盤，P3=---------------——=—=1.19

（1一20%）+華21

三種同時(shí)升級(jí)，P總=---------------------—————-=—=2.4

（一°%'%-2。%）+才+管+^

不能達(dá)到原來(lái)的3倍。

（2）每種硬件的失效率等于該硬件平均無(wú)故障時(shí)間的倒數(shù)，系統(tǒng)的失效率為所有硬件失效率的和。

因此三種硬件同時(shí)升級(jí)后，整個(gè)系統(tǒng)的失效率為：

17

R=-------------H------------------1--------------=0.000017

5000002000001000001000000

整個(gè)系統(tǒng)的平均無(wú)故障時(shí)間為工=國(guó)也電=58823小時(shí)

R17

解畢。

************************************************************************************

********

第二章計(jì)算機(jī)指令集結(jié)構(gòu)

知識(shí)點(diǎn)匯總：

指令集設(shè)計(jì)、堆棧型機(jī)器、累加器型機(jī)器、通用寄存器型機(jī)器、CISC、RISC、尋址方式、數(shù)據(jù)表

示

簡(jiǎn)答題

1.增強(qiáng)CISC機(jī)器的指令功能主要從哪兒方面著手？（CISC）

（1）面向目標(biāo)程序增強(qiáng)指令功能。

（2）面向高級(jí)語(yǔ)言和編譯程序改進(jìn)指令系統(tǒng)。

（3）面向操作系統(tǒng)的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)改進(jìn)指令系統(tǒng)。

2.簡(jiǎn)述CISC存在的主要問(wèn)題.（知識(shí)點(diǎn)：CISC）

答：（1）CISC結(jié)構(gòu)的指令系統(tǒng)中，各種指令的使用頻率相差懸殊。

（2）CISC結(jié)構(gòu)指令系統(tǒng)的復(fù)雜性帶來(lái)了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，這不僅增加了研制時(shí)間

和成本，而且還容易造成設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。

（3）CISC結(jié)構(gòu)指令系統(tǒng)的復(fù)雜性給VLSI設(shè)計(jì)增加了很大負(fù)擔(dān)，不利于單片集成“

（4）CISC結(jié)構(gòu)的指令系統(tǒng)中，許多復(fù)雜指令需要很復(fù)雜的操作，因而運(yùn)行速度慢。

（5）在CISC結(jié)構(gòu)的指令系統(tǒng)中，由于各條指令的功能不均衡性，不利于采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)來(lái)提高系統(tǒng)的性能。

3.簡(jiǎn)述RISC的優(yōu)缺點(diǎn)及設(shè)計(jì)RISC機(jī)器的一般原則。（知識(shí)點(diǎn)：RISC）

答：（1）選取使用頻率最高的指令，并補(bǔ)充一些最有月的指令。

（2）每條指令的功能應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單，并在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成。

（3）所有指令長(zhǎng)度均相同。

（4）只有l(wèi)oad和store操作指令才訪問(wèn)存儲(chǔ)器，其E指令操作均在寄存器之間進(jìn)行。

（5）以簡(jiǎn)單、有效的方式支持高級(jí)語(yǔ)言。

4.根據(jù)CPU內(nèi)部存儲(chǔ)單元類型，可將指令集結(jié)構(gòu)分為哪幾類？（知識(shí)點(diǎn)：堆棧型機(jī)

器、累加器型機(jī)器、通用寄存器型機(jī)器）

答：堆棧型指令集結(jié)構(gòu)、累加器型指令集結(jié)構(gòu)、通用寄存器型指令集結(jié)構(gòu)。

5.常見(jiàn)的三種通用寄存器型指令集結(jié)構(gòu)是什么？（知識(shí)點(diǎn)：通用寄存器型機(jī)器）

答：（1）寄存器一寄存器型。

（2）寄存器一存儲(chǔ)器型。

（3）存儲(chǔ)器一存儲(chǔ)器型。

6.計(jì)算機(jī)指令集結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所涉及的內(nèi)容有哪些？（答出4個(gè)即可）（知識(shí)點(diǎn)：指令集

設(shè)計(jì)）

答：（1）指令集功能設(shè)計(jì)：主要有RISC和CISC兩種技術(shù)發(fā)展方向°

（2）尋址方式的設(shè)計(jì).

（3）操作數(shù)表示和操作數(shù)類型。

（4）尋址方式的表示：可以將尋址方式編碼于操作碼中，也可以將尋址方式作為一個(gè)單獨(dú)的

域來(lái)表示。

（5）指令集格式的設(shè)計(jì)：有變長(zhǎng)編碼格式、固定長(zhǎng)度編碼格式和混合型編碼格式三種。

選擇題

1.不需要編址的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間是（B）。

A.CPU中的通用寄存器

B.堆棧

C.主存儲(chǔ)器

D.I/O接口中的寄存器

2.指令系統(tǒng)的改進(jìn)以不刪除原有指令系統(tǒng)為前提，通過(guò)增加少量強(qiáng)功能新指令代替常用指令串，

保證了軟件（B）,提高了編程效率。（知識(shí)點(diǎn)：指令集設(shè)計(jì)）

A.向前兼容B.向后兼容C.向上兼容D.向下兼容

3.通用寄存器型指令集結(jié)構(gòu)可細(xì)分為哪三類？（D）（知識(shí)點(diǎn)：通用寄存器型機(jī)器）

A.寄存器一寄存器型、Cache一存儲(chǔ)器型和存儲(chǔ)器一存儲(chǔ)器型

B.寄存器一寄存器型、Cache一存儲(chǔ)器型和存儲(chǔ)器一轉(zhuǎn)存型

C.寄存器一寄存器型、寄存器一Cache型和存儲(chǔ)器一存儲(chǔ)器型

D.寄存器一寄存器型、寄存器一存儲(chǔ)器型和存儲(chǔ)器一存儲(chǔ)器型

4.在指令字的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，不需要考慮的因素是（D）。（知識(shí)點(diǎn)：指令集設(shè)計(jì)）

A.多種尋址方式

B.多種指令字長(zhǎng)

C.多種地址制

D.多種實(shí)現(xiàn)方式

5.以下不同類型的指令集結(jié)構(gòu)中，操作數(shù)的給出方式采用半隱式約定的是（B）。（知識(shí)點(diǎn)：堆

棧型機(jī)器、累加器型機(jī)器、通用寄存器型機(jī)器）

A.堆棧結(jié)構(gòu)

B.累加器結(jié)構(gòu)

C.RR結(jié)構(gòu)

D.RM結(jié)構(gòu)

6.以下哪種結(jié)構(gòu)不屬于指令集結(jié)構(gòu)（C）。（知識(shí)點(diǎn)：堆枝型機(jī)器、累加器型機(jī)器、通用寄存器

型機(jī)器）

A.堆棧結(jié)構(gòu)

B.通用寄存器組結(jié)構(gòu)

C.Cache結(jié)構(gòu)

D.累加器結(jié)構(gòu)

7.指令集設(shè)計(jì)的基本要求包括（A）。（知識(shí)點(diǎn)：指令集設(shè)計(jì)）

A.完整性、規(guī)整性、而效率、兼容性

B.完整性、規(guī)整性、靈活性、均勻性

C.完整性、規(guī)整性、對(duì)稱性、兼容性

D.完整性、規(guī)整性、對(duì)稱性、均勻性

8.操作碼優(yōu)化的主要目的是（D）

A.縮短指令字長(zhǎng)

B.增加指令字表示的信息

C.減少程序總位數(shù)

D.A、B和C

9.RISC執(zhí)行程序比CISC要快的主要原因是（C）。

A.RISC指令系統(tǒng)中指令條數(shù)少

B.程序在RISC上編譯生成的目標(biāo)程序較短

C.RISC指令平均執(zhí)行周期數(shù)少

D.RISC只允許load和store指令訪存

************************************************************************************

木******木

第三章流水線技術(shù)

知識(shí)點(diǎn)匯總

先行控制、流水線、單功能流水線、多功能流水線、靜態(tài)流水線、動(dòng)態(tài)流水線、部件級(jí)流水線、

處理機(jī)級(jí)流水線、處理機(jī)間流水線、線性流水線、非線性流水線、順序流水線、亂序流水線、時(shí)

空?qǐng)D、流水線性能評(píng)價(jià)（吞吐率、加速比、效率）、解決流水線瓶頸問(wèn)題方法、相關(guān)（數(shù)據(jù)相關(guān)、

名相關(guān)、控制相關(guān)）、換名技術(shù)、流水線沖突（結(jié)構(gòu)沖突、數(shù)據(jù)沖突、控制沖突）、流水線互鎖機(jī)

制、定向技術(shù)、指令調(diào)度、預(yù)測(cè)分支失敗、預(yù)測(cè)分支成功、延遲分支（從前調(diào)度、從失敗處調(diào)度、

從成功處調(diào)度）、流水寄存器、3種向量處理方式（橫向、縱向、縱橫）、鏈接技術(shù)。

簡(jiǎn)答題

1.流水技術(shù)有哪些特點(diǎn)？（答出4個(gè)即可）（知識(shí)點(diǎn)：流水線）

答：1.將處理過(guò)程分解為若干子過(guò)程，由專門的功能部件來(lái)實(shí)現(xiàn)，2各段的時(shí)間盡可能相等，3各

部件間都有一個(gè)緩沖寄存器，4適用于大量重好的時(shí)序過(guò)程，5需要通過(guò)時(shí)間和排空時(shí)間。

2.什么是靜態(tài)流水線？什么是動(dòng)態(tài)流水線？（知識(shí)點(diǎn)：靜態(tài)流水線、動(dòng)態(tài)流水線）

答：同一時(shí)間段內(nèi)，多功能流水線中的各段只能按同一種功能的連接方式工作；同一時(shí)間段內(nèi)，

多功能流水線中的各段可以按照不同的方式連接同時(shí)執(zhí)行多種功能。

3.什么是單功能流水線？什么是多功能流水線？（知識(shí)點(diǎn)：?jiǎn)喂δ芰魉€、多功能流水線）

答：只能完成一種固定功能的流水線。流水線的各段可以進(jìn)行不同的連接，以實(shí)現(xiàn)不同的功能。

4.什么是線性流水線？什么是非線性流水線？（知識(shí)點(diǎn)：線性流水線、非線性流水線）

答：流水線的各段串行連接，沒(méi)有反饋回路。流水線中除了有串行的連接外，還有反饋回路。

5.列舉3種相關(guān)。（知識(shí)點(diǎn)：相關(guān)）

答：數(shù)據(jù)相關(guān)，名相關(guān)，控制相關(guān)。

6.流水線中有哪三種沖突？各是什么原因造成的？（知識(shí)點(diǎn)：流水線沖突）

答：結(jié)構(gòu)沖突，硬件資源滿足不了指令重疊執(zhí)行的要求；數(shù)據(jù)沖突，指令在流水線中重疊執(zhí)行時(shí)

需要用到前面指令的執(zhí)行結(jié)果；控制沖突，流水線遇到分支指令和其他會(huì)改變PC值的指令。

7.選擇至少2種解決流水線結(jié)構(gòu)沖突的方法簡(jiǎn)述。（知識(shí)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)沖突）

答：流水線停頓一個(gè)時(shí)鐘周期，推遲后面的指令操作。設(shè)置相互獨(dú)立的指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

8.選擇至少2種解決流水線數(shù)據(jù)沖突的方法簡(jiǎn)述。（知識(shí)點(diǎn)：數(shù)據(jù)沖突）

答：定向技術(shù)，將計(jì)算結(jié)果從其產(chǎn)生的地方直接送到其他指令需要的地方。通過(guò)編譯時(shí)讓編譯器

重新組織指令順序來(lái)消除沖突。

9.選擇至少2種解決流水線控制沖突的靜態(tài)方法簡(jiǎn)述。（知識(shí)點(diǎn)：控制沖突）

答：預(yù)測(cè)分支失敗，預(yù)測(cè)分支成功，延遲分支。

10.簡(jiǎn)述流水寄存器的作用。（知識(shí)點(diǎn)：流水寄存器）

答：將各段的工作隔開使得用互不會(huì)干擾，保存相應(yīng)各段的處理結(jié)果，向后傳到后面將要用到的

數(shù)據(jù)或者控制信息。

11.簡(jiǎn)述分支延遲槽的主要思想。（知識(shí)點(diǎn)：延遲分支）

答：編譯器每當(dāng)遇到分支指令，就在其后連續(xù)生成k個(gè)空指令位，稱為延遲糟，并根據(jù)不同

的調(diào)度規(guī)則將原始代碼中分支指令附近的指令放進(jìn)延遲槽中，如果延遲槽沒(méi)有填滿，剩余部

分用nop指令填充，即氣泡。延遲槽中的指令同分支指令都看做普通的指令順序流水，無(wú)論

分支指令成功與否，都允按順序執(zhí)行延遲槽中的指令。延遲槽中的指令“掩蓋”了流水線原來(lái)

必須插入的暫停周期，減少了分支指令帶來(lái)的延遲。

12.簡(jiǎn)述分支延遲槽的三種調(diào)度策略。（知識(shí)點(diǎn)；延遲分支）

答：從前調(diào)度：從分支指令之前找?條獨(dú)立的指令移動(dòng)到延遲槽中。

從目標(biāo)處調(diào)度：把分支成功的目標(biāo)地址指令復(fù)制到延遲槽中，并把分支目標(biāo)地址改成分支后

繼地址。永遠(yuǎn)猜測(cè)分支是成功的，如果猜錯(cuò)，則丟棄延遲槽中指令的結(jié)果。

從失敗處調(diào)度：把分支矢敗的目標(biāo)地址指令移動(dòng)到延遲槽中。永遠(yuǎn)猜測(cè)分支是失敗的。如果

猜錯(cuò)，則丟棄延遲槽中指令的結(jié)果。

選擇題

I.關(guān)于流水線的下列說(shuō)法，錯(cuò)誤的是：（C）（知識(shí)點(diǎn)：流水線）

A.流水線能夠提高吞吐率；

B.流水線提高了器件的利用率；

C.流水線提高了單個(gè)任務(wù)的處理速度：

D.消除流水線瓶頸的方法有“瓶頸段細(xì)分方法”和“瓶頸段重復(fù)設(shè)置方法

2.寄存器換名技術(shù)可以減少如下相關(guān)帶來(lái)的暫停：（A）（知識(shí)點(diǎn)：換名技術(shù)）

A.讀后寫相關(guān)；

B.結(jié)構(gòu)相關(guān)；

C.寫后讀相關(guān)；

D.控制相關(guān)。

3.假設(shè)對(duì)于MIPS流水線，由取指令（IF）、指令譯碼讀寄存器（ID）、執(zhí)行（EX）、存儲(chǔ)器訪問(wèn)

（MEM）、寫寄存器（WB）五段組成。在一個(gè)時(shí)鐘周期中對(duì)同一個(gè)寄存器的讀操作和寫操作

可以通過(guò)寄存器文件“定向”，有正常定向路徑。轉(zhuǎn)移指令在EX段計(jì)算目標(biāo)地址，在MEM段

檢測(cè)分支條件。指令SUBR4,R3,R2和BNEZR4,LOOP之間應(yīng)暫停的周期數(shù)為：

（B）（知識(shí)點(diǎn)：數(shù)據(jù)沖突）

A.3；

B.2；

C.I；

D.（）＜.

4.流水方式是指（D）0（知識(shí)點(diǎn)：流水線）

A.多部件同時(shí)執(zhí)行一條指令B.多部件同時(shí)取出多條指令

C.多部件同時(shí)解釋一條指令D.多部件同時(shí)解釋多條指令

5.評(píng)價(jià)流水線的性能指標(biāo)是（D）。（知識(shí)點(diǎn)：流水線性能評(píng)價(jià)）

A.吞吐率、流水線的加速比和執(zhí)行程序所需要的時(shí)鐘周期數(shù)

B.吞吐率、流水線的加速比和所執(zhí)行的指令條數(shù)

C.吞吐率、流水線的加速比和CPI

D.吞吐率、流水線的加速比和效率

6.在順序流動(dòng)的MIPS流水線中，可能發(fā)生的沖突有（B）。（知識(shí)點(diǎn)：數(shù)據(jù)沖突）

A.同一條指令的讀操作和寫操作之間的寫后讀沖突

B.先流入的指令的寫操作與后流入的指令的讀操作之間的寫后讀沖突

C.后流入的指令的寫操作與先流入的指令的讀操作之間的讀后寫沖突

D.兩條指令的寫操作之間的寫后寫沖突

7.在具有加、乘法雙功能的靜態(tài)流水線中，功能切換的時(shí)間是在（D）。（知識(shí)點(diǎn)：多功能流

水線、靜態(tài)流水線）

A.前一個(gè)功能的第一個(gè)任務(wù)進(jìn)入流水線后

B.前一個(gè)功能的第一個(gè)任務(wù)流出流水線后

C.前一個(gè)功能的最后一個(gè)任務(wù)進(jìn)入流水線后

D.前一個(gè)功能的最后一個(gè)任務(wù)流出流水線后

8.非線性流水線的特征是（B）。（知識(shí)點(diǎn)：非線性流水線）

A.一次運(yùn)算中使用流水線中的多個(gè)段

R.一次運(yùn)算中要多次使用流水線中的某些功能段

C.流水線的各個(gè)功能段在不同運(yùn)算中可以有不同的連接

D.流水線中某些功能段在各次運(yùn)算中的作用不同

9.以下哪種方法不能用于解決數(shù)據(jù)沖突（A）。（知識(shí)點(diǎn)：數(shù)據(jù)沖突）

A.鏈接技術(shù)

B.定向技術(shù)

C.流水線互鎖機(jī)制

D.編譯器指令調(diào)度

10.以下哪種相關(guān)不會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)沖突（D）。（知識(shí)點(diǎn)：數(shù)據(jù)相關(guān)、名相關(guān)、數(shù)據(jù)沖突）

A.數(shù)據(jù)相關(guān)

B.反相關(guān)

C.輸出相關(guān)

D.讀后讀相關(guān)

11.與線性流水線最大吞吐率有關(guān)的是（C）

A.第一個(gè)功能段的執(zhí)行時(shí)間

B.最快那一段的執(zhí)行時(shí)間

C.最慢那一段的執(zhí)行時(shí)間

D.最后的功能段的執(zhí)行時(shí)間

填空題

1.相關(guān)有三種類型，即（數(shù)據(jù)相關(guān)），（名相關(guān)）和（控制相關(guān)）。其中（）

相關(guān)還包括輸出相關(guān)和反相關(guān)兩種。

2.流水線中的沖突主要分為以下3種類型：（結(jié)構(gòu)沖突）、（數(shù)據(jù)沖突）和（控制沖突）,

其中數(shù)據(jù)沖突又分為如下3類：（寫后讀沖突）、（讀后寫沖突）和（寫后寫沖突）o（知

識(shí)點(diǎn)：數(shù)據(jù)沖突）

3.衡量流水線的主要性能指標(biāo)是（吞吐率）、（加速比）和（效率）。N段

不等長(zhǎng)的流水線中，其結(jié)果的輸出速度取決于處理時(shí)間（最長(zhǎng)）的子過(guò)程。（知識(shí)點(diǎn)：

流水線性能評(píng)價(jià)）

4.消除流水線的瓶頸段的方法有（細(xì)分瓶頸段）和（重復(fù)設(shè)置瓶頸段）2種。

（知識(shí)點(diǎn)：解決流水線瓶頸問(wèn)題方法）

5.三種通過(guò)軟件（編譯器）來(lái)減少分支延遲的方法為（預(yù)測(cè)分支失敗）、（預(yù)測(cè)分支成

功）、（延遲分支1（知識(shí)點(diǎn)：控制沖突）

計(jì)算題

1.有一個(gè)動(dòng)態(tài)多功能流水線，該流水線可進(jìn)行乘法和加法運(yùn)算，流水線有Si、S2、S3、S4、S5、

S6六段，每段是等時(shí)的，Si、S4>S5、So連接時(shí)完成加法功能，Si、S2、S3、S6連接時(shí)完成乘法功

能。試畫出計(jì)算Mi=(Xi+Y)Zi(i=l,2,3,4)的時(shí)空?qǐng)D，并計(jì)算實(shí)際吞吐率TP、加I速比SP

和效率E。(知識(shí)點(diǎn)：動(dòng)態(tài)流水線、多功能流水線、流水線性能評(píng)價(jià))

答：確定算法：Ai=Xi+Yi(i=L2,3,4)

Mj=AjXZi(i=l,2,3,4)

時(shí)空?qǐng)D如下：

個(gè)

S6d00ArA2rA3cA4c如M3cM4*dJ

S5dpoA.A26A3QA4cQPdJ

S3AAi*AkA3,PdAAPPp

S3/3p

pPQPQPMj*M3rM4PpP

S2yccMi”M2，，M3CWKp

Sic

Ai一A3WMi-M2。M3-AQ______

HAtP

輸入：XiX2X3X4A1A2A3A4Y,Y2Y3Y4Z1Z2Z3Z4

輸出:AiA2A3A4MlM2M3M4

實(shí)際吞吐率：TP=n/Tk=8/11At

加速比：SP=Ts/Tk=4x(4+4)At/llAt=32/11

效率：E=4x8At/6x|lAt=16/33

2.有如下的指令序列

Ii：LWR1,0(R6)

I2：LWR2,4(R6)

I3:MULR5,RI,R2

L：LWR3,8(R6)

I5:LWR4,24(R6)

I6:ADDR2,R3,R4

I7：ADDR2,R2,R5

如何進(jìn)行指令調(diào)度使其執(zhí)行延遲時(shí)間最短？進(jìn)行指令調(diào)度所獲得的加速比是多少？(注：基于

DLX指令處理，每條指令分為5步：IF,ID,EX,MEM,WB,在一個(gè)時(shí)鐘周期中對(duì)同一個(gè)寄

存器的讀操作和寫操作可以通過(guò)寄存器文件“定向”，并且有正常的定向路徑)。(知識(shí)點(diǎn)：定向技

術(shù)、指令調(diào)度、數(shù)據(jù)沖突)

答：答案圖有問(wèn)題，結(jié)果沒(méi)問(wèn)題

瀾度演.1..2..3.4..5.6.7..9..9.10.11..12.13.

ILWRlp(R6),IF、ID,EK，MEM1WB.?,.，.1.，.，.，.，

1.1LWR2,4(R6)'?，IF、ID,EX,J?WB.?，?，.1?，?，

IMULR5R1W.，IF.ID.$un.EX.ME3I?WB..1?，?■

L.，LWR3f(R6),一.，.，IF,ID.EX,IMk'd)WB..，.，.，.，

ILWR4^4(R6)..i?，.，IF,ID.DCnum'iWB,.，?，

、

IADDR2fR3R4?，?，.，?，IF,IDi$U11EXMEM?WB,?，

IADDRigRi..，.，.，?，IF,$uu.ID.EXMEMiWB

調(diào)度后C2233P4^5~6~7~初9川10*312~

LWR1,0(RJ6)PIF-ID*EX?MEM>WBPooAoo

h-LWR24R6)-oIF?ID-EX*3MEM-WB.pApppp

IcLWR3,&R6)PPoIF*ID3EX~MEM-WBQoooo

I-LWR4,2?R6)~PApIF-IDPEX~MEM-WBPAodp

I尸MULR5,R1,R2-1PopoIFPID，EX~MEM-WBP*P

1/ADDR2,R3,R4^pApppIFPIDPEXPMEM<WBPp

IIADDR2,R2,333333IF-3EXPMEM-WB，

調(diào)度后的指令序列為I】，后h，h>h>k>b

加速比:SP=13At/HAt=13/11

如果只有寄存器定向文件定向，那么答案應(yīng)該是：調(diào)度前17加，調(diào)度后是14加。

該題目是既有正常定向路徑，乂有寄存器文件定向路徑。

3.若一個(gè)動(dòng)態(tài)浮點(diǎn)乘法流水線（如下圖所示），每個(gè)功能班的時(shí)間均為加,其乘積可直接返回輸

入端或暫存于相應(yīng)緩存器中。請(qǐng)畫出實(shí)現(xiàn)AxBxCxD的時(shí)空?qǐng)D，并求出該流水線的吞吐率TP、加

速比SP和效率E。（知識(shí)點(diǎn)：動(dòng)態(tài)流水線、流水線性能評(píng)價(jià)）

輸入?階加——?尾數(shù)乘——>規(guī)格化一?枳

答：擬定算法：第一步計(jì)算AxB,CxD,N=CxD

第二步計(jì)算AxBxCxD,即G=MxN

時(shí)空?qǐng)D：

空間

規(guī)格化MNG

尾數(shù)乘MNG

階乘MNG

輸入A,BC,DM,N時(shí)間

輸出MNG

吞吐率TP、加速比SP和效率E

TP=n/TK=3/7At=0.43/At

SP=9/7?1.29

E=(3x3At)/(3x7At)M2.9%

4.假設(shè)一條指令的取指過(guò)程分為：取指令、分析和執(zhí)行3段，每一段的時(shí)間分別為At、2Al、3At?

在下列各種情況下，分別計(jì)算連續(xù)執(zhí)行n條指令所需的時(shí)間。

（1）順序執(zhí)行方式；

（2）取指令、分析和執(zhí)行重疊。（知識(shí)點(diǎn)：流水線，流水線性能評(píng)價(jià)）

答：（1）順序執(zhí)行方式

執(zhí)行n條指令的時(shí)間：

Ts=〃?Z紂=〃x(加+2AZ+3加)=6心f

（2）取指令、分析和執(zhí)行重登

執(zhí)行n條指令的時(shí)間：

Ts=Arf+（〃-1）max（Ar,2Ar,3Ar）

i=i

=6Ar+（??-1）3Ar

=3/?Ar+3Ar

5.帶雙輸入端的加、乘雙功能靜態(tài)流水線有1、2、3、4四個(gè)功能部件，延時(shí)分別為At,At,

2At,At,“加”由1-2-4組成，“乘”由1一3-4組成，輸出可直接返回輸入或鎖存，現(xiàn)執(zhí)行

應(yīng)[（“+，）?C,]

i=l

（1）畫出此流水線時(shí)空?qǐng)D，標(biāo)出流水線輸入端數(shù)據(jù)變化情況。

（2）計(jì)算運(yùn)算全shi部完成所需時(shí)間及在此期間流水線H勺效率。

（3）將瓶頸子部件再細(xì)分，畫出解此題的時(shí)空?qǐng)D。

（4）求出按（3）解此題所需時(shí)間及在此期間流水線的效率。

（知識(shí)點(diǎn)：多功能流水線、靜態(tài)流水線、流水線性能評(píng)價(jià)）

答：（1）流水線時(shí)空?qǐng)D如下圖：

部件"

8m.

6AU,16△僅20AU'233

(2)全部完的時(shí)間是23At.

效率門=374=37

4x23△/92

(4)所需時(shí)間為20At。

效率?=37△/=37

5x20A/100

6.有一條靜態(tài)多功能流水線由5段組成，加法用1、3、4、5段，乘法用1、2、5段，第3段的

時(shí)間為2加，其余孑段的時(shí)間均為△(,而且流水線的輸出可以直接返回輸入端或暫存于相應(yīng)的

流水寄存器中?，F(xiàn)柒&該硫水線上計(jì)算，畫出其時(shí)空?qǐng)D，并計(jì)算其吞吐率、加

速比和效率。(知拐點(diǎn)：多功能流水線、靜態(tài)流水線、流水線性能評(píng)價(jià))

答：首先，應(yīng)選擇適合于流水線工作的算法。對(duì)于本題，應(yīng)先計(jì)算AI+BI、A2+B2、A3+B3

和A4+B4；再計(jì)算(A|+B|)X(A2+B2)和(A3+B3)X(A4+B。；然后求總的結(jié)果。

其次，畫出完成該計(jì)算的時(shí)空?qǐng)D，如圖所示，圖中陰影部分表示該段在工作。

由圖可見(jiàn)，它在18個(gè)時(shí)間中，給出了7個(gè)結(jié)果。所以吞吐率為:

如果不用流水線，由于一次求積需3人,一次求和需5At,則產(chǎn)生上述7個(gè)結(jié)果共需(4X5+3X3)

△t=29Ato所以加速比為:

029Az

3=--------=1.61

18Ar

該流水線的效率可由陰影區(qū)的面積和5個(gè)段總時(shí)空區(qū)的面積的比值求得:

4x5+3x3

E==0.322

5x18

7.一多功能8段動(dòng)態(tài)流水線，實(shí)現(xiàn)乘法經(jīng)過(guò)：1-2-3~4-5-6-7-8功能段；實(shí)現(xiàn)加法經(jīng)過(guò)I-2-3-4-5-8.

每一功能段的延遲時(shí)間都為流水線的輸出可以直接返回輸入端或暫存于相應(yīng)的沆水寄存

器中，計(jì)算向量點(diǎn)積和：Z=AB+CD+EF+GHo

(1)畫出時(shí)空?qǐng)D；

(2)計(jì)算吞吐率、加速比和效率；

(3)分析該流水線的效率不高的原因。

(知識(shí)點(diǎn)：多功能流水線、動(dòng)態(tài)流水線、流水線性能評(píng)價(jià))

答：(I)時(shí)空?qǐng)D:

(2)從流水線的時(shí)空?qǐng)D中看到，用23個(gè)時(shí)鐘周期完成了7個(gè)運(yùn)算。當(dāng)每一功能段的延遲時(shí)

間都為At時(shí)，有Tk=23At,n=7o

流水線的存吐率TP為：TP=n/Tk=7/(23At)^0.304/At

如果采用順序方式，完成一次加法要用6AI,完成一次乘法要用8加，全部運(yùn)算要用：

TO=4x6At+3><8At=48At

則加速比：S=T0/Tk=4SAt/(23At)-2.087

整個(gè)流水線共有8段，流水線效率為：E=T0/(kxTk)=48At/(8x23At)=0.261

(3)主要原因

①多功能流水線在做某一種運(yùn)算時(shí)，總有一些段是空閑的。

②靜態(tài)流水線在進(jìn)行功能切換時(shí)，要等前一種運(yùn)算全部流出流水線后才能進(jìn)行后面的運(yùn)算。

③運(yùn)算之間存在關(guān)聯(lián)，后面有些運(yùn)算要用到前面運(yùn)算的結(jié)果。

④流水線的工作過(guò)程有建立與排空部分。

8.有一指令流水線如下所示

入一H1-H2I~~H3-Z4I~~?出

20ns20ns40ns80ns

問(wèn)：（1）求連續(xù)輸入15條指令，該流水線的實(shí)際吞吐率和效率，并畫出流水線時(shí)空?qǐng)D。

（2）該流水線的瓶頸在哪幾段？請(qǐng)任選一種措施消除瓶頸,且對(duì)干你所給出的改進(jìn)的流水

線，連續(xù)輸入15條指令時(shí)，其實(shí)際吞吐率和效率各是多少？

（知識(shí)點(diǎn)：流水線性能評(píng)價(jià)、解決流水線瓶頸問(wèn)題方法）

答：（1）流水線時(shí)空?qǐng)D如圖所示

U80M

Tpipeline=〉:Ati+(D—1)Atmax

i=l

=(20+20+40+80)+14x80

=1280(ns)

TP=1%280(內(nèi))=(ns-1)

F-(20+20+40+80)x15/~45?oa

匕一71280x44b?%,。

（2）瓶頸在3=4%方案一：采用細(xì)分瓶頸段法，變成八級(jí)流水線

入2dns哥H3msi3t>n2也14品4出

tn

Tpipeline=):At1+(n-1)Atmax

i=l

=20x8+14x20

=440(ns)

TP=猊…=%0(ns-1)=%8(內(nèi))

E=20x8x15/r68.18%

/8x440

方案二：重復(fù)設(shè)置部件

計(jì)算結(jié)果與方案一相同。

以上兩種方案任意一種給分。

************************************************************************************

********

第四章指令級(jí)并行

知識(shí)點(diǎn)匯總

指令級(jí)并行、靜態(tài)調(diào)度、動(dòng)態(tài)調(diào)度、Tomasulo算法、分支歷史表（BHT）、分支目標(biāo)緩沖器（BTB）、

前瞻執(zhí)行、再定序緩存（ROB）、循環(huán)展開

計(jì)算題

1.有一個(gè)采用Tomasulo算法的處理器，有六個(gè)Load緩沖器（分別用標(biāo)號(hào)Loadl、Load2、Load3、Load4、

Load5、Load6表示），有三個(gè)加法保留站（分別用標(biāo)號(hào)Add1、Add2、Add3表示），有兩個(gè)乘法保留站

（分別用標(biāo)號(hào)Multi、Mult2表示）。對(duì)于下列指令序列,

L.DF6,32（R2）

L.DF2,36（R3）

MIL.DF0,F2,F4

SUB.DF8,F2,F6

DIV.DE8,F0,F6

ADD.DF6,F8,F2

給出從第一條指令流出開始的第6個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)下面各表的內(nèi)容。

假設(shè)：（1）指令按順序流出，每個(gè)時(shí)鐘周期流出一條指令。

（2）指令流出1個(gè)時(shí)鐘周期，寫結(jié)果一個(gè)時(shí)鐘周期，各種指令的操作延遲為：Load：1個(gè)時(shí)鐘

周期：加法：2個(gè)時(shí)鐘周期：乘法：10個(gè)時(shí)鐘冏期；除法：40個(gè)時(shí)鐘周期。

（3）開始時(shí)，處理器是完全空閑的，Load緩沖器按Loadl、Load2、Load3、Load4、Load5、Load6

的順序分配;加法保留站按Addl、Add2、Add3的順序分配；乘法保留站按Mult呆Mult2的順序分配。

（4）程序執(zhí)行前，R2的值為2000,R3的值為3000,內(nèi)存2032單元開始存放浮點(diǎn)數(shù)10,內(nèi)存

3036單元開始存放浮點(diǎn)數(shù)20,1-4寄存器存放浮點(diǎn)數(shù)5。

2.單流出處理器采用Tomasulo算法進(jìn)行指令調(diào)度，有一個(gè)Load/Store部件，一個(gè)浮點(diǎn)乘法部件,

一個(gè)浮點(diǎn)加法部件。假設(shè)：

（1）緩沖器/保留站及其服務(wù)的指令類型如下表

LOAD1LOAD2LOAD3ADD1MUL1

訪存訪存訪存加減法乘除法

（2）各個(gè)硬件操作及指令執(zhí)行的時(shí)鐘周期如下表

Is