中南民族大学计算机系统结构试卷

2010年 A卷1. 计 算 机 系 统 的 多 层 结 构 从 高 到 低 可 以 分 为 应 用 语 言 虚 拟机 ， ， 操 作 系 统 机 器 级 ， 传 统 机 器 级 和 。2 并 行 性 包 含 和 二 重 含 义 。3 系 列 机 软 件 必 须 保 证 兼 容 。4 某 计 算 机 系 统 采 用 浮 点 运 算 部 件 后 ， 使 浮 点 运 算 速 度 提 高 到 原 来 的 20倍 ，而 系 统 运 行 某 一 程 序 的 整 体 性 能 提 高 到 原 来 的 5倍 ， 则 该 程 序 中 浮 点 操 作所 占 的 比 例 是 。 系 统 加 速 比 是 。5 由 软 件 实 现 的 机 器 称 为 。 在 一 个 计 算 机 系 统 中 ， 低 层 机 器 的 属 性 对高 层 机 器 的 程 序 员 往 往 是 的 。1、 高 级 语 言 虚 拟 机 ， 汇 编 语 言 虚 拟 机 ， 微 程 序 机 器 级 ；2、 同 时 性 ， 并 发 性 ；3、 向 后 ；4、 84.2% ， 5；5、 虚 拟 机 ， 透 明 的 ；三、计算机系统有三个部件可以改进，这三个部件的加速比如下：部件1加速比6；部件2加速比4；部件3加速比5；（ 1） 如 果 部 件 1和 部 件 2的 可 改 进 比 例 为 30 和 20%， 那 么 当 部 件 3的 可 改进 比 例 为 多 少 时 ， 系 统 的 加 速 比 才 可 以 达 到 2？ （ 9分 ）（ 2） 如 果 三 个 部 件 的 可 改 进 比 例 为 30 、 10 和 12.5 ， 三 个 部 件 同 时 改 进 ，那 么 系 统 加 速 比 是 多 少 ？ （ 6分 ）（ 1） i iii i SffS )1( 1 （ 3分 ）1332211321 )(1 SfSfSffffS （ 1分 ）133 0.3 0.22 1 (0.3 0.2 ) 6 4 5ff （ 2分 ）3 12.5%f （ 3分 ）（ 2） 31 21 2 3 1 2 31(1 )S ff ff f f S S S （ 2分 ）1 0.3 0.1 0.125(1 0.3 0.1 0.125) 6 4 5S （ 1分 ）1 1.740.575S 四、假设某应用程序中有4类操作，通过该进，各操作获得了不同的性能提高。具体数据如下表所示：操 作 类 型 程 序 中 的 数 量 （ 百 万 条 指 令 ） 该 进 前 的 执 行 时 间 （ 周 期 ） 该 进 后 的 执 行 时 间 （ 周 期 ）操 作 1 10 2 1操 作 2 20 20 10操 作 3 20 4 1（ 1） 该 进 后 ， 各 类 操 作 的 加 速 比 分 别 是 多 少 ？ （ 3分 ）（ 2） 各 类 操 作 单 独 改 进 后 ， 程 序 获 得 的 加 速 比 分 别 是 多 少 ？ （ 6分 ）（ 3） 4类 操 作 均 改 进 后 ， 整 个 程 序 的 加 速 比 是 多 少 （ 用 加 速 比 的 定 义 求 解 ） ？（ 6分 ）（ 1） 该 进 后 ， 各 类 操 作 的 加 速 比 分 别 是 ：1 2 21S 2 20 210S 3 4 41S （ 1分 ）（ 2） 各 类 操 作 单 独 改 进 后 ， 程 序 获 得 的 加 速 比 分 别 是 ：操 作 1单 独 改 进 后 ， 程 序 获 得 的 加 速 比 是 ：1 1 111 /11 0.04 0.04/21.02S f f S （ 2分 ）操 作 2单 独 改 进 后 ， 程 序 获 得 的 加 速 比 是 ：2 2 211 /11 0.8 0.8/21.67S f f S （ 2分 ）操 作 3单 独 改 进 后 ， 程 序 获 得 的 加 速 比 是 ：3 3 311 /11 0.16 0.16/41.14S f f S （ 2分 ）（ 3） 4类 操 作 均 改 进 后 ， 整 个 程 序 的 加 速 比 是 （ 没 有 用 定 义 求 解 ， 该 小 题 0分 ） ：10 2 20 20 20 410 1 20 10 20 12.17S （ 6分 ）五、现有3段流水线，各段经过的时间依次为t，3t，t，（ 1） 分 别 计 算 在 连 续 输 入 3条 指 令 时 和 30条 指 令 时 的 吞 吐 率 和 效 率 。 （ 5分 ）（ 2） 采 用 瓶 颈 段 细 分 的 方 式 改 进 该 流 水 线 ， 改 进 后 同 时 输 入 3条 指 令 和 30条 指令 时 分 别 计 算 其 吞 吐 率 和 效 率 。 （ 5分 ）（ 3） 通 过 对 （ 1） ,（ 2） 两 小 题 的 计 算 比 较 可 得 出 什 么 结 论 ？ （ 5分 ）（ 1） 1 ( 1)m i ji nTP t n t （ jt 为 瓶 颈 段 时 间 ）11 ( 1) m iim i ji n tm t n t （ 1分 ）当 连 续 输 入 3条 指 令 时3 35 2 3 11TP t t t （ 1分 ）3 5 45%3 11 tt （ 1分 ）当 连 续 输 入 30条 指 令 时30 155 29 3 46TP t t t （ 1分 ）30 5 54%3 92 tt （ 1分 ）（ 2） 将 第 二 段 细 分 为 3个 子 段 ， 每 个 子 段 均 为 t1 ( 1)m i ii nTP t n t 11 ( 1) m iim i ii n tm t n t （ 1分 ）当 连 续 输 入 3条 指 令 时3 35 2 7TP t t t （ 1分 ）3 5 43%5 7 tt （ 1分 ）当 连 续 输 入 30条 指 令 时30 155 29 17TP t t t （ 1分 ）30 5 88%5 34 tt （ 1分 ）（ 3） 结 论 ： 在 流 水 线 中 ， 无 论 瓶 颈 段 是 否 被 消 除 （ 2分 ） ， 只 有 当 连 续 输 入 流 水线 的 指 令 越 多 时 ， 流 水 线 的 实 际 吞 吐 率 和 效 率 才 会 提 高 。 （ 3分 ）六、设向量长度为64，在CRAY-1机上所用浮点功能部件的执行时间分别为：相加6拍，相乘7拍，求倒数14拍，从存储器读数6拍，打入寄存器及启动功能部件各1拍。问下列各指令组，组内的哪些指令可以链接？哪些指令不能链接？不能链接的原因是什么？分别计算出各指令组全部完成所需要的拍数。（ 1） V0 存 储 器V1 V2+V3V4 V5*V6 （ 7分 ）（ 2） V0 存 储 器V1 1/V0V3 V1*V2V5 V4+V3 （ 8分 ）（ 1） 3条 向 量 指 令 之 间 ， 既 没 有 发 生 源 Vi冲 突 ， 也 没 有 Vi的 先 写 后 读 相 关 （ 1分 ） ， 又 没 有 功 能 部 件 的 使 用 冲 突 （ 1分 ） ， 所 以 这 3条 指 令 可 以 同 时 并 行 流 水 （ 1分 ） 。 计 算 指 令 组 全 部 完 成 所 需 要 的 拍 数 时 ， 只 需 要 取 这 3条 向 量 指 令 完 成 时 所需 要 最 多 的 拍 数 即 可 。1 6 1 63 711 6 1 63 711 7 1 63 72 他 们 之 中 最 长 的 时 间 是 72拍 ， 所 以 向 量 指 令 组 全 部 完 成 需 要 72拍 。 （ 4分 ）（ 2） 4条 向 量 指 令 均 依 次 有 Vi的 先 写 后 读 相 关 （ 1分 ） ， 但 无 源 Vi相 关 ， 也 无功 能 部 件 的 使 用 冲 突 （ 1分 ） 。 所 以 ， 这 4条 指 令 可 以 全 部 链 接 在 一 起 ， 进 行 流水 （ 2分 ） 。（ 1+6+1） +（ 1+14+1） +（ 1+7+1） +（ 1+6+1） +63=104 （ 拍 ） （ 4分 ）七、Cache-主存存储层次中，主存由8个块组成（07），Cache为4块。假设Cache已先后访问并预取了主存的第1,2块，现访存地址流又为：3,1,5,2,6,5,4。（ 1） 如 果 Cache存 储 器 采 用 全 相 联 映 象 ， 并 采 用 LRU替 换 算 法 。 请 填 写 表 1Cache存 储 器 中 的 Cache使 用 过 程 ， 并 标 出 命 中 时 刻 。 （ 3分 ）表 1 全 相 联 映 象 的 Cache使 用 过 程访 存 块 地 址 流 3 1 5 2 6 5 4Cache块 0Cache块 1Cache块 2Cache块 3（ 2） 计 算 以 上 全 相 联 映 象 Cache存 储 器 的 命 中 率 H。 （ 2分 ）（ 3） 如 果 Cache存 储 器 采 用 直 接 映 象 。 请 填 写 表 2 Cache存 储 器 中 的 Cache使用 过 程 ， 并 标 出 命 中 时 刻 。 （ 3分 ）表 2 直 接 映 象 的 Cache使 用 过 程访 存 块 地 址 流 3 1 5 2 6 5 4Cache块 0Cache块 1Cache块 2Cache块 3（ 4） 计 算 以 上 直 接 映 象 Cache存 储 器 的 命 中 率 H。 （ 2分 ）（ 1） 表 1 全 相 联 映 象 的 Cache使 用 过 程 （ 3分 ）访 存 块 地 址 流 3 1 5 2 6 5 4Cache块 0 1 1 1 1 1 1 4Cache块 1 2 2 2 2 2 2 2Cache块 2 3 3 3 3 6 6 6Cache块 3 5 5 5 5 5中 中 中（ 2） H=3/7=43% （ 2分 ）（ 3） 表 2 直 接 映 象 的 Cache使 用 过 程 （ 3分 ）访 存 块 地 址 流 3 1 5 2 6 5 4Cache块 0 4Cache块 1 1 1 5 5 5 5 5Cache块 2 2 2 2 2 6 6 6Cache块 3 3 3 3 3 3 3 3中 中 中（ 4） H=3/7=43% （ 2分 ）2010年 B卷1 存 储 器 层 次 结 构 设 计 技 术 的 基 本 依 据 是 程 序 的 原 理 ， 它 包 含和 两 方 面 。2 伪 相 联 既 能 获 得 cache 的 命 中 率 ， 又 能 保 持 cache的 命 中 速 度 。3 CPU中 用 来 存 储 操 作 数 的 存 储 单 元 主 要 有 寄 存 器 、 和 。4 将 计 算 机 系 统 中 某 一 功 能 的 处 理 速 度 提 高 到 原 来 的 20倍 ， 但 该 系 统 的 处 理时 间 仅 占 整 个 系 统 运 行 时 间 的 40%， 则 采 用 此 提 高 性 能 的 方 法 后 ， 能 使 整个 系 统 的 性 能 提 高 到 原 来 的 倍 。5 虚 拟 存 储 器 采 用 映 像 规 则 ， 写 策 略 采 用 。1、 局 部 性 ， 时 间 局 部 性 ， 空 间 局 部 性 ；2、 多 路 组 相 联 ， 直 接 映 像 ；3、 堆 栈 ， 累 加 器 ；4、 1.61 ；5、 全 相 联 ， 写 回 策 略 ；三、计算机系统有三个部件可以改进，这三个部件的加速比如下：部件1加速比30；部件2加速比20；部件3加速比10；（ 1） 如 果 部 件 1和 部 件 2的 可 改 进 比 例 均 为 30 ， 那 么 当 部 件 3的 可 改 进 比例 为 多 少 时 ， 系 统 的 加 速 比 才 可 以 达 到 10？ （ 9分 ）（ 2） 如 果 三 个 部 件 的 可 改 进 比 例 分 别 为 30 、 30 和 20 ， 且 3个 部 件 同 时改 进 ， 那 么 系 统 中 不 可 加 速 部 分 的 执 行 时 间 在 总 执 行 时 间 中 占 的 比 例 是 多少 ？ （ 6分 ）（ 1） i iii i SffS )1( 1 （ 3分 ）1332211321 )(1 SfSfSffffS 133 0.3 0.310 1 (0.3 0.3 ) 30 20 10ff （ 3分 ）3 65 36%180f （ 3分 ）（ 2） 82.07.1412 6012602.1609.0606.0 2.0 2.0102.0203.0303.0 2.0 2.0102.0203.0303.0 )2.03.03.0(1 TTTT Tp （ 6分 ）四、假设某应用程序中有3类操作，通过该进，各操作获得了不同的性能提高。具体数据如下表所示：操 作 类 型 程 序 中 的 数 量 （ 百 万 条 指 令 ） 该 进 前 的 执 行 时 间 （ 周 期 ） 该 进 后 的 执 行 时 间 （ 周 期 ）操 作 1 10 2 1操 作 2 20 20 10操 作 3 20 4 1（ 1） 该 进 后 ， 各 类 操 作 的 加 速 比 分 别 是 多 少 ？ （ 3分 ）（ 2） 各 类 操 作 的 可 改 进 比 例 分 别 是 多 少 ？ （ 4分 ）（ 3） 4类 操 作 均 改 进 后 ， 整 个 程 序 的 加 速 比 是 多 少 （ 用 加 速 比 的 公 式 求 解 ） ？（ 8分 ）（ 1） 该 进 后 ， 各 类 操 作 的 加 速 比 分 别 是 ：1 2 21S （ 1分 ）2 20 210S （ 1分 ）3 4 41S （ 1分 ）（ 2） 各 类 操 作 的 可 改 进 比 例 分 别 是 ：1 10 2 4%10 2 20 20 20 4f （ 1分 ）2 20 20 80%10 2 20 20 20 4f （ 1分 ）3 20 4 16%10 2 20 20 20 4f （ 2分 ）（ 3） 4类 操 作 均 改 进 后 ， 整 个 程 序 的 加 速 比 是 （ 没 有 用 公 式 求 解 ， 该 小 题 0分 ） ：1(1 )iii i iS ff S （ 3分 ）1 4% 80% 16%1 4% 16% 80% 2 2 4 （ 2分 ）10.02 0.4 0.042.17 （ 3分 ）五、现有3段流水线，各段经过的时间依次为3t，t，2t，（ 1） 分 别 计 算 在 连 续 输 入 3条 指 令 时 和 30条 指 令 时 的 吞 吐 率 和 效 率 。 （ 5分 ）（ 2） 采 用 重 复 设 置 瓶 颈 段 的 方 式 改 进 该 流 水 线 ， 改 进 后 同 时 输 入 3条 指 令 和 30条 指 令 时 分 别 计 算 其 吞 吐 率 和 效 率 。 （ 5分 ）（ 3） 通 过 对 （ 1） ,（ 2） 两 小 题 的 计 算 比 较 可 得 出 什 么 结 论 ？ （ 5分 ）（ 1）1 ( 1)m i ji nTP t n t （ jt 为 瓶 颈 段 时 间 ）11 ( 1) m iim i ji n tm t n t （ 1分 ）当 连 续 输 入 3条 指 令 时3 3 16 2 3 12 4TP t t t t （ 1分 ）3 6 50%3 12 tt （ 1分 ）当 连 续 输 入 30条 指 令 时30 106 29 3 31TP t t t （ 1分 ）30 6 65%3 93 tt （ 1分 ）（ 2） 将 瓶 颈 段 第 一 段 重 复 设 置 3个 ， 第 三 段 重 复 设 置 2个 。1 ( 1)m i ii nTP t n t 11 ( 1) m iim i ii n tm t n t （ 1分 ）当 连 续 输 入 3条 指 令 时36 238TP t tt （ 1分 ）3 66 838% tt （ 1分 ）当 连 续 输 入 30条 指 令 时306 2967TP t tt （ 1分 ）30 66 3586% tt （ 1分 ）（ 3） 结 论 ： 在 流 水 线 中 ， 无 论 瓶 颈 段 是 否 被 消 除 （ 2分 ） ， 只 有 当 连 续 输 入 流 水线 的 指 令 越 多 时 ， 流 水 线 的 实 际 吞 吐 率 和 效 率 才 会 提 高 。六、设向量长度为64，在CRAY-1机上所用浮点功能部件的执行时间分别为：相加6拍，相乘7拍，求倒数14拍，从存储器读数6拍，打入寄存器及启动功能部件各1拍。问下列各指令组，组内的哪些指令可以链接？哪些指令不能链接？不能链接的原因是什么？分别计算出各指令组全部完成所需要的拍数。（ 1） V0 存 储 器V2 V0*V1V3 V2+V0V5 V3+V4 （ 8分 ）（ 2） V2 V0*V1V3 存 储 器V4 V2+V3 （ 7分 ）（ 1） 第 1条 向 量 指 令 与 第 2条 向 量 指 令 之 间 有 V0的 先 写 后 读 相 关 ， 两 者 可 以链 接 （ 2分 ） 。 第 3条 向 量 指 令 与 第 2条 向 量 指 令 之 间 有 源 向 量 寄 存 器 组 V0的 冲突 ， 它 们 之 间 只 能 串 行 （ 1分 ） 。 第 3条 向 量 指 令 与 第 4条 向 量 指 令 之 间 有 加 法功 能 部 件 的 使 用 冲 突 ， 它 们 之 间 也 只 能 串 行 （ 1分 ） 。（ 1+6+1） +（ 1+7+1） +63+（ 1+6+1） +63+（ 1+6+1） +63=222（ 拍 ） （ 4分 ）（ 2） 3条 向 量 指 令 之 间 没 有 功 能 部 件 的 使 用 冲 突 （ 1分 ） ， 但 是 第 1， 2条 两 条 向量 指 令 与 第 3条 向 量 指 令 之 间 有 V2和 V3的 先 写 后 读 相 关 （ 1分 ） 。 只 要 让 第 1条 向 量 指 令 较 第 2条 向 量 指 令 提 前 1拍 启 动 ， 则 第 1， 2两 条 向 量 指 令 的 第 1个结 果 元 素 就 可 被 同 时 链 入 到 第 3条 向 量 指 令 中 （ 1分 ） 。1 7 1 1 6 1 63 801 6 1 （ 拍 ） （ 4分 ）七、Cache-主存存储层次中，主存由8个块组成（07），Cache为4块。假设Cache已先后访问并预取了主存的第4,2块，现