体系结构2007考题(A卷)答案.doc

2006 2007 学年第3、4学期 计算机体系结构 课程期末考试试卷（A卷） 答案及评分标准题号一二三四五六七八九十总 分得分一、名词解释(本大题20分,每小题2分) 1、存储层次采用Cache、主存、硬盘等不同的介质实现多层存储器结构，以便实现存储器系统在价格、速度、容量等方面上的折中（2分）。2、强制性失效当第一次访问数据的时候，不论是指令访问还是数据访问，都不会在Cache中，需要从下一级存储器中调入，这样的失效即强制性失效（2分）。3、反相关反相关即数据的先写后读相关，即指令i先执行，指令j写的名是指令i读的名（1分）。如果指令之间存在反相关，这指令的执行顺序必须要保证（1分）。4、虚拟Cache虚拟Cache即在Cache中采用虚拟地址进行访问（1分），采用虚拟Cache的好处是可以节省每次Cache访问时的地址变换过程，减少命中时间（1分）。5、按写分配法按写分配式是指Cache执行写操作的，如果不命中，先将相应的数据块主存调度到Cache中，然后执行写操作（2分）。6、超长指令字 采用多个独立的功能部件，并将多条指令的操作组成固定格式的指令包，形成一条非常长的指令，它是指令多发射结构的常用技术之一（2分）。得分：注意：装订线左侧请不要答题，请不要在试卷上书写与考试无关的内容，否则将按相应管理规定处理。院系:专业:班级:得分：姓名:学号: 7、指令调度在保证程序正确执行的前提下，改变指令的执行顺序或者是操作数，来减少数据相关或结构相关给指令流水线带来的性能损失（2分）。8、定向路径定向路径是用定向技术解决数据相关的方法，定向路径的作用是将数据从产生它的功能段将数据直接送到需要使用它的功能段（2分）。9、宏流水即处理机间流水线，由多个处理机串行地对同一数据流进行处理，每个处理机完成一项任务（2分）。10、耦合度 反映了多级系统的各机器之间的物理连接的紧密程度和交互作用能力的强弱（1分），可以分为松散耦合和紧密耦合等几种（1分）。二、简答题(本大题40分,每小题5分) 1、什么是RAID 0+1？RAID 0+1是廉价磁盘冗余阵列的一种复合模式，它是综合了RAID 0和RAID 1两种模式而成的（1分），同时拥有了RAID 0模式可靠性高和RAID 1速度快的优点（2分），又避免了RAID 0模式效率差和RAID 1可靠性差的缺点（2分）。2、以DLX指令说明为什么定向技术不能解决所有的数据相关？定向技术可以解决大部分先写后读相关，但有些相关定向技术不能解决。（1分）例如：LW R1, 0(R2) （1分） ADD R3,R3,R1这两条指令中，前一条指令在MEM段获得R1的数据，而后一条指令在EX段就要使用此数据，所以，这种情况下，定向技术不能解决此数据相关。 （3分）2006 2007 学年第3、4学期 计算机体系结构 课程期末考试试卷（A卷） 答案及评分标准3、简述什么是分支目标缓冲？将成功转移的分支指令的地址和分支指令的目标地址放到一个缓冲区中保存起来，以分支指令的地址作为标记（2分），利用相联存取器保存这些信息，以便在指令的取指阶段可以很快判断当前指令是否为执行过的并且成功转移的分支指令，并进行分支预测（3分）。4、指令采用变长编码格式和固定编码格式各具有什么优点？指令采用固定编码格式则寻址方式和操作类型少，可以降低译码的复杂度、提高译码速度，但目标代码的长度会增加（2分）；而变长编码格式的平均指令长度低，所以生成的目标代码的长度小，有利于节省内存空间，但格式复杂会导致译码困难（3分）。5、什么是多处理机的一致性问题？在多处理机中，由于共享主存，所以主存中的数据进入到各个处理机的Cache中后，会出现数据的多个复制(2分)，当某个复制被修改，而其他的复制没有变化的时候就出现了数据的一致性（3分）。6、如果想用8个处理器达到4的加速比，则程序中串行部分所占的比例最多为多少？有如下方程X+(1-X)/8=1/4，解此方程，X=1/7。（5分）7、写出三种通道的各自的最大流量计算公式，并解释其中的含义？字节多路通道的最大流量计算公式为Fmax=1/(Ts+Td) (1分)选择通道的最大流量计算公式为Fmax=1/(Ts/k+Td) (1分)数组多路通道的最大流量计算公式为Fmax=1/(Ts/n+Td) (1分)上述公式中，Ts为选择设备所需的时间，Td为一次数据传送所需的时间，k表示一个块有k个字节，n表示一次传送为n个字节。(2分)8、共享存储器通信和消息传递通信的优点各是什么？共享存储器通信的优点是与常用的通信方式兼容，当通信数据量小的时候通信开销少（2分），易于编程实，可以简化编译器设计（1分）；消息传递通信的优点是硬件简单（1分），通信是显示表示的，可以着重处理通信开销（1分）。得分：注意：装订线左侧请不要答题，请不要在试卷上书写与考试无关的内容，否则将按相应管理规定处理。院系:专业:班级:得分：姓名:学号: 三、问答题：（本大题16分，每小题8分） 1、RISC计算机指令集结构的功能设计必须遵循的原则有哪些？只保留常用的和必需的指令（1分）；采用指令流水线技术（1分）；除了Load/Store指令之外，其他的指令在一个时钟周期内完成（1分）；不用或少用微程序设计，用硬布线逻辑设计电路（1分）；指令的格式简单，所有长度都相同（1分）；只保留最少的寻址方式，简化译码电路（1分）；采用Cache，并使用大量的寄存器（1分）；优化编译器设计，提高流水线效率（1分）。 2、Cache的写策略有哪些？各自有什么特点？Cache的写策略有写直达法和写回法两种。写直达法是指在执行写操作的时候，不仅把数据写入Cache的相应块中，也将数据写入下一级存储器中的相应块中（1分）。Cache写回法是指Cache执行写操作的时候，仅保存到Cache中，当块替换的时候才将数据块写回到主存中（1分）。写回法的优点是速度快，而且由于同一地址的多次写操作只有最后一次的结果被保存到主存中，所以使用的存储器的带宽较低（1分）；但写回法产生数据一致性的机会要多（1分）。写直达法的优点是实现简单，而且下一级存储器的数据总是最新的（1分），但写存储器的次数较频繁，所以需要采用写缓冲器（1分）。在写失效的时候，有两种选择：按写分配式和不按写分配式。按写分配式是指Cache执行写操作的，如果不命中，先将相应的数据块主存调度到Cache中，然后执行写操作。不按写分配式是在写失效的时候，直接写入下一级存储器而不将相应的数据块调入Cache中（1分）。由于两种写策略的差异，所以写回法常常采用按写分配式，而写直达法常常采用不按写分配式（1分）。 2006 2007 学年第3、4学期 计算机体系结构 课程期末考试试卷（A卷） 答案及评分标准四、计算题：（本大题8分） 给定下列假设，请计算使用两路组相联Cache的平均访问时间和执行给定程序所耗的CPU时间。1） 理想Cache情况下CPI为1.5；时钟周期为2ns； 2） Cache失效开销为70ns；命中时间为1个时钟周期；3） Cache容量为64k，块大小为64字节；Cache失效率为1.0%；4） 在程序的执行中，共执行了1万条指令，其中读数据2000次，写数据500次。平均访问时间=命中时间+失效率*失效开销 （2分） =1 + 1.0% * 70/2 =1.35个时钟周期 （2分） CPU时间 = IC * (CPI + 访存次数*失效率*失效开销/IC)* 时钟周期 （2分） =10000*（1.5+12500*1.0%*35/10000）* 2 ns =38750 ns （2分）五、计算题：（本大题16分） 在DLX流水线上运行如下代码序列：SUBI R3,R3,R3LOOP: LW R1,0(R2) ADDI R1,R1,R3ADDI R3,R3,#1SW 0(R2), R1SUBI R2,R2,#4BNZ R2,LOOP其中，R2的初始值是400，假设所有存储器访问都命中Cache，问：1、 在没有定向技术的支持下，采用排空流水线的策略处理分支指令，那么执行上述程序需要多少个时钟周期？2、 设使用定向路径和一个单周期延迟分支，请调整指令的顺序使之达到最优，计算这时执行程序需要多少个时钟周期？3、 假设使用两路超标量流水线，没有使用定向技术但有一个单周期延迟分支；两个流水线可以处理任意组合的两条指令。将上述程序循环展开4次，优化和调度指令，计算这时执行程序最少需要多少个时钟周期？得分：注意：装订线左侧请不要答题，请不要在试卷上书写与考试无关的内容，否则将按相应管理规定处理。院系:专业:班级:得分：姓名:学号: 解：1、 SUBI R3,R3,R3LOOP: LW R1,0(R2) （延迟2个时钟周期）ADDI R1,R1,R3 （延迟1个时钟周期）ADDI R3,R3,#1SW 0(R2), R1 SUBI R2,R2,#4 （延迟2个时钟周期）BNZ R2,LOOP （延迟1个时钟周期） 上述程序需要12*100+4=1204个时钟周期 （4分） 2、 SUBI R3,R3,R3LOOP: LW R1,0(R2) （延迟1个时钟周期）SUBI R2,R2,#4 ADDI R1,R1,R3ADDI R3,R3,#1BNZ R2,LOOP SW 4(R2), R1 上述程序需要6*100+4=604个时钟周期 （5分） 3、 SUBI R3,R3,R3 ADDI R7,R3,#1ADDI R8,R3,#2 ADDI R9,R3,#3LOOP: LW R1,0(R2) LW R4,4(R2)LW R5,8(R2) LW R6,12(R2)SUBI