组成原理习题总结.doc

1（8分）一台模型机共有7条指令，各指令的使用频度分别为35%，25%，20%，10%，5%，3%，2%，有8个通用数据寄存器，2个变址寄存器。 (1) 要求操作码的平均长度最短，请设计操作码的编码，并计算所设计操作码的平均长度。 (2) 设计8位字长的寄存器-寄存器型指令3条，16位字长的寄存器-存储器型变址寻址方式 指令4条，变址范围不小于正、负127。请设计指令格式，并给出各字段的长度和操作码的编码。 (1) 操作码：0，10，110，1110，11110，111110，111111 平均长度：H = 2.4 (2) 00 R R，每个R为3位，共8位 01 R R 10 R R 1100 R X A，R为3位，X为1位，变址量8为，共16位 1101 R X A 1110 R X A 1111 R X A 2（10分）某工作站采用时钟频率f为15MHZ，处理速率为10MIPS的处理机来执行一个已知混合程序。假定每次存储器存取为 1周期延迟，试问： （1）（4分）此计算机的有效CPI是多少 （2）（6分）假定将处理机的时钟频率f提高到30MHZ，但存储器子系统速率不变。 这样，每次存储器存取需要两个时钟周期，如果30%指令每条只需要一次存储存取， 而另外5%每条需要两次存储存取，还假定已知混合程序的指令数不变，并与原工作站兼容，试求改进后的处理机性能。 (1) CPIold = fold /（MIPS * 106）= 15106 /（10 * 106 ）= 1.5 (2) 如题所述，30的指令需要一次存储存取，则这些指令在处理器提高时钟频率之后需要增加一个时钟 同样，另外5的指令需要增加两个时钟周期。 CPInew= （改进前执行混合程序的所需时钟周期数 + 30%1指令数 + 5%2指令数) / 指令数 = 改进前有效CPI + 30%1 + 5%2= 1.5 + 0.3 + 0.1= 1.9 处理速率MIPS= fnew / (CPInew106) = 30106/(1.9106) = 15.79 MIPS，假设混合程序的指令数为IC, 则有 3(10分)在下列不同结构的处理机上执行66的矩阵乘法C=AB，计算所需要的最短时间。只计算乘法指令和加法指令的执行 时间，不计算取操作数、数据传送和程序控制等指令的执行时间。加法部件和乘法部件的延迟时间都是3个时钟周期， 另外，加法指令和乘法指令还要经过取指令和指令译码的时钟周期，每个时钟周期为20ns，C的初始值为0。 各操作部件的输出端有直接数据通路连接到有关操作部件的输入端，在操作部件的输出端设置有足够容量的缓冲寄存器。 (1) (4分)处理机内只有一个通用操作部件，采用顺序方式执行指令。 (2) (6分)单流水线标量处理机，有一条两个功能的静态流水线，流水线每个功能段的延迟时间均为一个时钟周期， 加法操作和乘法操作各经过3个功能段。要完成上面的矩阵乘法，需要完成的各种操作的数量: 需要完成的乘法次数为666=216次； 需要完成的加法次数为665=180次； 下面我们分析处理机的结构会给性能带来什么样的影响。 (1) 顺序执行时，每个乘法和加法指令都需要5个时钟周期（取指令、指令分析、指令执行）；所以所需要的时间为： (2) 单流水线标量处理机，采用两功能静态流水线时；因为有足够的缓冲寄存器，所以我们可以首先把所有的乘法计算完，并通过调度使加法流水线不出现停顿，所以所需要的时间为：4.（10分）假设一条指令的执行过程分为取指令、分析和执行三段，每一段的时间分别为t、2t和3t。在下列各种情况下，分别写出连续执行n条指令所需要的时间表达式。 (1)（3分）顺序执行方式。 (2)（7分）取指令、分析和执行重叠。顺序执行时每条指令用时=t+2t+3t=6t， 因此n条指令所需要的时间=6n*t （2）第一条指令完成需要时间=t+2t+3Dt=6t，由于一条指令的取指令和分析阶段和下一条指令的执行阶段重叠，因此，此后每3t 完成一条指令，余下的n-1条指令用时(n-1)*3t. 所以因此n条指令所需要的时间=6t+(n-1)*3t=3(n+1)t5.(10分)已知一个Cache共有4个块，每个块大小为4个字。采用直接映像方式，假设该Cache的缺失代价为8个时钟周期。初始时Cache为空，当程序执行过程中访存的字地址序列为0,7,12,9,16，8,17,0,12,2时 （1）（7分）试计算Cache的命中率 （2）（3分）计算Cache缺失（不命中）代价(1) 字地址流进入cache时工作情况： 时间12345678910字地址流07129168170122块00000161617002块1777777777块29988888块31212121212121212 装入装入装入装入替换替换替换替换命中替换在上表中，共有10个时刻，只有时刻9命中，所以命中率1/10=10% (2) 缺失代价9872个时钟周期6.（10分）假设一个网络的频宽为10兆位/秒，发送方开销和接收方开销分别等于230微秒和270微秒。如果两台机器相距100米，现在要发送一个1000字节的消息给另一台机器，试计算总时延。如果两台机器相距1000公里，那么总时延为多大？光的速度为299792.5公里/秒，信号在导体中传递速度大约是光速的50，所以“飞行”时间可以计算出来了。那么相距100米时总时延为：相距1000公里时的总时延为：7.（10分）设有下列流水线预约表： 1234S1X XS2 X S3 X 分别写出禁止表F、冲突向量C、画出状态转换图，求出最小平均延迟及流水线的最大吞吐率（假设流水线的时钟周期为=20ns）。 禁止表F=3、冲突向量C=（100）状态图如下： 简单循环：(4), (2), (2,4), (1,4), (1,1,4);迫切循环：(1,1,4), (2);最佳恒定等待时间循环: (2);最小平均等待延迟 MAL=2;因为MAL=2，所以该流水线的吞吐率 :8.（10分）一台单处理机可以以标量方式运行，也可以以向量方式运行。在向量方式情况下，计算可比标量方式快9倍。设某基准程序在此计算机上运行的时间为T。另外，已知T的25%用于向量方式，其余的时间则以标量方式运行。 (1) 计算在上述条件下与完全不用向量方式条件下相比的加速比，并计算上述程序中向量化代码所占的比例 。 (2) 假设我们改进硬件使向量方式与标量方式之间的速度比加倍，试计算可达到的加速比。 (3) 如果要达到与（2）相同的加速比，用的方法是改进编译器，而不是改进硬件，那么，用向量