《《計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》往年考題答案》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《《計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》往年考題答案（17頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。
1、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)往年考題參考答案僅供參考！一、簡答題L指令流水計算機中，采用獨立的指令緩存與數(shù)據(jù)緩存對系統(tǒng)性能有什么好處?！敬稹拷鉀Q訪存和村又指的結(jié)構(gòu)沖突，加速流水線：數(shù)據(jù)和指令的訪問有所不問，設(shè)置單獨 的Cache有利于提高命中率，減少平均訪存時間。2什么是指令動態(tài)調(diào)度？使用寄存器重命名能夠解決哪些數(shù)據(jù)沖突？【答】指令動態(tài)調(diào)度是指在程序執(zhí)行過程中，依靠專門的碩件隊代碼進行調(diào)度。使用寄存器重 命名能夠解決名相關(guān)(反相關(guān)、輸出相關(guān)).3 從數(shù)據(jù)和指令的角度，分別說明引起時間與空間局部性的原因?！敬稹繑?shù)據(jù)：對于剛被訪問過的數(shù)據(jù)，很有可能再次訪問它或者它附近的數(shù)據(jù)。指令：順序執(zhí) 行的可能性較大。4 .
2、直接用虛擬地址索引緩存會存在什么問題？【答】多個虛擬地址可能指向同一物理地址。5多處理機為什么耍維護緩存一致性？【答】每個處理機都有一份自己的Cache,但是這些Cache都映射同一個物理主存，當一個處 理 機修改己Cache的數(shù)據(jù)時，其他處理機中該部分的數(shù)據(jù)就不是最新的，造成不一致性。二.填空題1 16個處理器組成的網(wǎng)絡(luò)，使用洸牌函數(shù)相聯(lián)，那么與10號相聯(lián)的是【答】10= (1010) 2,循環(huán)左移一位得(0101) 2=5o2 有16個處理器，編號為0,1,，15,先經(jīng)過+3*Pl2+3,再經(jīng)過混洗變換后，11號處理器連向一號處理器?！敬稹縃經(jīng)過PM2*3得到(H + 2)modI6=3,
3、 3再經(jīng)過混洗變換得6。3使用混洙交換單級網(wǎng)絡(luò)將一個PE中的數(shù)據(jù)播送到所有16個PE中，需耍一次交換，需要一混洗。 假設(shè)每步只能進行混洗或交換中的一種變換?！敬稹?次交換，3次混洗04 16個處理器組成的網(wǎng)絡(luò)，采用PM2切PM22鏈接，網(wǎng)絡(luò)直徑為，結(jié)點度為 【答】有結(jié)論：2”個處理器組成的網(wǎng)絡(luò)，采用PM2兇，PM2如2鏈接，實現(xiàn)各處理單元之間上 下左右互聯(lián)。網(wǎng)絡(luò)直徑為3,結(jié)點度為4 (?)o5可以在向量與標量工作模式中切換的處理器，處理向量時效率是處理標量的9倍。已知運行一 段程序時有1/4的時間在運行向量指令，向量指令的比例為 【答】設(shè)向量指令占比I則一-一二-.解得x =x+9(i-x)
4、446 .向量處理器在串行模式執(zhí)行以下指令需耍 拍，使用鏈接技術(shù)需要.拍。v3 - A (load. 6 拍)v2 - v0 + vl (add. 6 拍)v4 - v2 * v3 (muL 7 拍)【答】串行模式下需要a +6 + 1) +仆+ 6 + 1) + (1 + 7 + 1)=25拍：使用鏈接技術(shù)需要1+6+1 + 1 + 7 + 1=17拍。7 處理器P1和P2執(zhí)行A, B, C三種指令的周期如下PlP2AI2B23C44一段程序中A占60%, B占30%, C占10%,分別求P1和P2運行該程序時的CPL【答】P1運行該程序的CPI為0. 6x1 + 03x2 + 0, 1x4
5、 = 1, 6 . P?運行該程序的CPI為0. 6x2 +03x3 + 0, 1x4 = 2. 5 o13&己知一處理器指令緩存不命中率為2%,數(shù)據(jù)緩存不命中率為4%,不命中代價為100周期。命中 時，CPI為2,那么執(zhí)行一段含有Load/Save指令各15%的程序時，其CPI為。【答】每條指令出現(xiàn)不命中的概率是0,02+是x0. 04=0-032.故其CPI為0.032為00 + 2 = 5. 2 o9五段流水線CPU,各段延遲時間分別為2 - 2ns25ns, 2 - 2ns23ns23ns連續(xù)執(zhí)行10條指令，需要 的時間為一，該CPU最高頻率為MHzo【答】各段不等長的流水線計算公式參
6、見教材 58 頁(時空圖如如 38),需要的時間為 max 222 5222323 x (10-1) + (2-2 + 2- 5 + 2- 2 + 2 3+2 - 3) = 34ns,最大周期為2 5ns,即頻率 為400MHz10采用預(yù)留算法實現(xiàn)的非線性流水線優(yōu)化調(diào)度，其啟動循環(huán)為(1,3),則該流水線周期P為一調(diào)度 后的禁止集F(niodP)為 0【答】周期尸= 1 + 3=4, F(modP) = 2o11 有一指令系統(tǒng)，共有7條指令。有兩種類型，一種為寄存器一寄存器型，一種為寄存器一存儲 器型。指令字長為8位或16位，不同類型指令字長不同。耍求變址范圍一 127到128。則該指令 系統(tǒng)
7、最多可以編址一個通用寄存器，這時，最多可以編址一個變址寄存器?！敬稹靠紤]寄存器一寄存器型指令字長為8位，有3條指令，除去2位操作碼，剩下各3位編 址8個通用寄存器。寄存器一存儲器型指令字長為16位，有4條指令，除去8位立即數(shù)，3位 寄 存器，4位操作碼，剩下1位用來編址2個變址寄存器。(所給答案可能不是最優(yōu)的，但是掌握這 種指令的各個部分的長度如何計算的方法即可)12在100次內(nèi)存訪問中，一級cache缺失10次，二級cache缺失5次。則一級cache的全局命 中率為,二級cache的全局命中率為 0【答】90%； 95%。13分別在以下條件時計算塊地址0110的索引(index),緩存有8
8、塊，主存有16塊：a)二路組相聯(lián)一：b)直接映射0【答】二路組相聯(lián)共8/2二4紐索引為2位。直接映射索引為3位。答案分別是10、H0o14緩存共有4塊，每塊Ibytc,采用LRU策略。訪問字序列0, L 4, 1.0, 4在下列情況下的命 中 率分別是：a)直接映射 ：b)二路組相聯(lián)O【答】宜接映射0141040缺失(0)缺失缺失(0)缺失1缺失命中23命中率為1/6。二路組相聯(lián)0141040A缺失(0)命中0B缺失命中1A缺失命中1B命中率為1/2。三、判斷題：以下對MIPS架構(gòu)CPU的各改進方案，哪些修改了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(Archi(cclurc),哪 些只 修改了實現(xiàn)(Implementati
9、on) ?填寫A或者h將32位指令改為64位指令加入指令Cache(3)增加流水線的段數(shù)(4)減去某些定向(forwarding)相關(guān)邏輯的實現(xiàn)(5)取消氣泡增加16個額外的通用寄存器(7)增加對某指令集的支持ft? (DA(2)1I(4)1(5)1(6)A(7) A四、解答題。1 設(shè)計了一種優(yōu)化方案。 優(yōu)化后的時鐘周期比未優(yōu)化的快15%； 未優(yōu)化的取/存指令占總數(shù)的30%： 優(yōu)化后的取/存指令比未優(yōu)化的少1/3,其它無變化： 未優(yōu)化的所有指令均用1個時鐘周期：優(yōu)化的取/存指令用2個時鐘周期，其它指令用1個時 鐘周期。(I)求優(yōu)化方案的平均CPI：2)通過計算加速比，判斷哪個方案速度更快？【解
10、】不妨設(shè)優(yōu)化前共10條指令，取/存指令有3條。優(yōu)化后的取/存指令減少了 1條，即還 有2條取/存指令，其他7條不變，則總指令數(shù)變?yōu)?條。77優(yōu)化方案的半均CPI為fx2 + fxl = 1 - 22。(2)假設(shè)我們考慮這10條指令運行的總時間。以未優(yōu)化的1個時鐘周期作為單位1,優(yōu)化前的 運 行時間為10,優(yōu)化后的總時間為(7 + 2x2)x6 85 = 935.說明優(yōu)化后的更快。但是如果考慮 平均每 條指令的運行時間，那么優(yōu)化前的更快(因為優(yōu)化后平均每條指令的運行時間大于1)。2在有32個處理機的并行機上運行一段程序，獲得加速比26,己知該程序只有兩種運行方式：在所 有32個處理機上同時運行，
11、或者只能由一個處理機執(zhí)行。請問程序中只能由一個處理機 執(zhí)行的部 分占多大比例？【解】設(shè)程序中只能由一個處理機執(zhí)行的部分占X,根據(jù)加速比定義有=26 n X = 0. 0073某指令系統(tǒng)，有三地址指令4條，單地址指令255條，零地址指令16條。其指令字長12位， 地址碼3位。請問擴展編碼是否可行？如果單地址指令是254條呢？【解】(作業(yè)題三地址指令共需耍9位地址碼，所以剩下3位編碼操作碼，用4個碼點編碼 三 地址指令，剩余4個用于擴展。單地址指令操作碼有9位，可提供4X2=256個碼點，用其中255 個編碼單地址指令，剩下1個用于擴展。這時零地址指令只有8個碼點可用，所以擴展 編碼不可 行。如果
12、單地址指令是254條，那么還剩下2個用丁擴展零地址指令，零地址指令口身的最低3位 各 可以編碼8條指令，共計16條。因此可以實現(xiàn)擴展編碼。4指令字長16位，有雙地址指令、單地址指令、零地址指令。地址都是6位。雙地址指令15條。 單地址與零地址條數(shù)相同。(1)單地址與零地址指令最多能有多少條？(2)給這三種指令分配操作碼。【解】(1)雙地址指令地址碼占12位，故操作碼有4位，共16個碼點，剩下1個碼點作擴展。單地址指令的操作碼最長10位，零地址指令最長16位。對于單地址指令來說，最多有26-1 = 63 條，零地址指令也必須是63條。(2) 雙地址指令：0000-1110：單地址指令：I1H 0
13、00000-1H1 II1110： 零地址指令:I1H 1IHI1 000000-1IH 11H1I I111I0.分別對按寫分配和不按寫分配兩種策略,命中、缺失、命中、命中，命中率為60%。 缺失，命中率為20%05 全相聯(lián)Cache采用寫直達策略。初始Cache為空。 計算以下操作執(zhí)行后的命中率。Write MemElOOWrite MemElOORead Mein200Write Mem200Write MeinElOO【解】(PPT上的題)按寫分配：結(jié)果分別是缺失、 不按寫分配：結(jié)果分別是缺失、缺失、缺失.命中.6, Cache采用組相連映像及變換。主存1MB, Cache 32KB.
14、塊大小64B, Cache分為8組。(I)寫出主存地址和緩存地址的格式(寫出各域及位數(shù))；若Cache的訪問周期為20ns,命中率0. 95,耍使加速比大于10,主存的訪問周期應(yīng)大于多少？【解】(1)Cache共有32KB/64B=5I2塊,分為8路,共有512/8=64組。主存地址：標識8位，索引6位，塊內(nèi)地址6位。.緩存地址：？ 0設(shè)主存訪問周期知，則加速比產(chǎn) 1皿皿。7 Cache有4塊，每塊4字，采用直接映像法。初始時Cache為空。訪問的字地址序列為：0 72 96 87Q12 2。求cache命中率?！窘狻吭L問過程如下：07!291681701220Miss 0-3Miss 16-
15、19HitMiss 03Hit1Miss 47Hit2Miss8-113Miss 12-15Hit命中率為40%o&一段程序有1000條指令，每條指令平均訪問存儲器L 5次，一級Cache訪問需要1ns.二級Cache訪問需要10ns,主存訪問需要100nso這段程序運行完后共訪問二級Cache 90次，訪問主存 27次。(1)求一級Cache和二級Cache命中率；(2)求存儲器等效訪問時間：(3)求每條指令因為訪問存儲器造成的半均延遲?！窘狻?1)程序一共訪存1000x15 = 1500次，一級Cache缺失了 90次，故on一級Cache (全局和局部)命中率為I二0,91: 1000二
16、級Cache的局部命中率為1-*0. 7；77二級Cache的全局命中率為1=0, 973.1000平均訪存時間 1+0.09x(10+03x100) = 46nso每條指令因為訪問存儲器造成的平均延遲為1 5x4 6二6 9nso9某系統(tǒng)Cache為4路組相聯(lián)，Cache大小為16K字節(jié)，塊大小為64字節(jié)。按寫分配。對于如 下 代碼：intM4096JJ;for(i = 0J 10; i+) for (j = 0; j mb) ni且緩存采用a) LRUb) OPT時的命中率。【解】都是0,因為一個元素大小和緩存塊大小相等，而每次訪問一個元素時也只會載入一個 塊 大小的數(shù)據(jù)到Cache,故每
17、次訪問都必然會缺失。11.有以下指令(假設(shè)第一個操作數(shù)為寫回的寄存器)N1 ： load r0 aN2: add rl rON3: load r2 bN4: inu r3 r4N5： and r4 r5N6： add r2 r5(1)請列出所有可能的數(shù)據(jù)沖突與結(jié)構(gòu)沖突。(2)假設(shè)該處理器一個周期僅能進行一次訪存操作，畫出其執(zhí)行上述指令的時空圖?！窘狻?1)數(shù) 據(jù)沖突：N1 與 N2:rORAWN4 與 N5: r4 WARN3 與 N6: r2 WAW結(jié)構(gòu)沖突：讀取內(nèi)存與取指沖突。(2)假設(shè)數(shù)據(jù)沖突需耍插一個氣泡。I23456789101;12!31IFIDEXEMEMWB2IFIDstall
18、EXEIEMWB3IFIDEXEMEMWB4IFIDEXEMEMWB5stallIFIDEXEMEMWB6IFIDEXEMEMWB說明：本答案中幾乎所有給出的時空圖與教材和課件上的形式不一樣，建議考試中嚴格遵循教材和課件的標準(如教材圖3 8) I一一12某CPU指令的運行分為取指譯碼、執(zhí)行.寫結(jié)果四個階段，每段延遲均為5ns。運行程序如下：K!M0VRLS4;R1G 向量長度 4K2 Loop: MOV R2,A(R1); R2 A 向量的一個元素K3ADD RO. R2:RO - (R0) + (R2)K4DNE RhLoop;Rl一(RI)-h 若(RI) !=0,則轉(zhuǎn)向 LoopK5M
19、OV SUM RO; SUM W2n)2ADDADDyw2IF1W1LSWRIIF2m2MULMULMULWR2mW1ANDWRIIF2DD2ADDADDWR2(3)采用順序發(fā)射亂序完成調(diào)度方法的流水線時空圖。N1M2H3N4N5各條指令完成的時間圖時鐘周期456789流水線1nln3n5流水線2n4n2n6執(zhí)行這個程序共用18ns。采用順序發(fā)射亂序完成調(diào)度方法的流水線時空圖。1123457 8nW1LSW1inn2搟ADDQDWR2IF1W1LSW11F20)2MULMULMOLWK2 1 IF3ID1ANDWEIfff2nw砂ADDWRI 117下面一段程序是計算浮點向量運算Y=a*X +
20、 Y的，其中X和Y都是100維向量。采用循 環(huán) 展開的方式使得執(zhí)行過程沒有stalk那么最少需要展開兒次？寫出展開的程序。LOOP: L D MUL.D L D ADD.D S D DSUBI DSUBI BNEZF0 O(R1)FOJO, F2F4 0 (R2)FOJO, F4F0 0(R2)RLRh#8R2R2#8RLLOOP注意：本題原來的題干有錯，大家只要掌握循環(huán)展開的方法即可，一種可能的答案如下 0本題 在PPT匕也有，可以看一下PPT上的題目和答案?！窘狻繉⒀h(huán)展開兩次，進行指令調(diào)度，即可以消除延遲，代碼如下：LOOP： L DFO, 0 CRDL - DFIO, -8 (RDMU
21、L.DFO, FO, F2MUL.DFIO, FIO, F2L - DF4, 0 (R2)L - DF14, -8 (R2)ADD.DFO, FO, F4ADD.DFIO, FIO, FI4DSUBIRH Rb #16SQ0 CR2) , FODSUBIR2 R2, #16BNEZRH LOOPS - D8 CR2) , FIO假設(shè)：LOOP: LDFO.O(Rl)(stall)MUL.DFOJO, F2L DF4J (R2)(stall)ADD.DFO. FO, F4(stall)(stall)S DFO - 0 (R2)DSUBIRLRh#8DSUBIR2R2#8BNEZRLLOOP(st
22、all)1&分支預(yù)測。(1)畫出2位飽和計數(shù)器的狀態(tài)圖。(2)已知如下指令序列地址目標地址是否跳轉(zhuǎn)bl否*01bl否bl是b2否b2是己知初始BHT歷史為00, BHT項全為01,求執(zhí)行完上述程序后的BHT。(3)簡要說明為何引入BTB會使得CPI下降?！窘狻恳娊滩?34頁圖5Oo(2)BHT一般就用PC的后幾位作為表格的索引，查出里面的預(yù)測位。這里的預(yù)測當長度為2時就是 上題中的飽和計數(shù)器，用 00. 01. 10、H 分別表示 strongly not takenweakly not taken weakly taken strongly takeno 可參考某中文b! oghttp：/b
23、log, csdn. net/edonlii/article/details/8754724o 執(zhí)行完上述程序后的 BHT 為索引值(計數(shù)器)0101100!(3)在經(jīng)典的5段流水線中，ID段宋尾才能獲得分支口標地址。而采用BTB可以提前在IF段 就 知道這些信息，分支開銷就可以減少為0。19一個含有8個輸入端的系統(tǒng)采用三層101001010*01010010000bI號不可能鏈接到4、7號處理器。20在多處理機系統(tǒng)中，采用寫回法的寫作廢(write invalidate)總線監(jiān)聽協(xié)議，參見教材310頁 圖106的狀態(tài)機。(1)給出L S狀態(tài)的定義，并說明什么時候可以確定發(fā)生了 Cache不一
24、致的情況。(2)假設(shè)有兩個地址A和B (映射到不同的Cache塊中)，兩個處理機R和P2,初始時Cache全為 空，根據(jù)特定的訪問序列，補全下表(無消息用丫代替，CPU事件RdM = Read Miss RdH =Read Hib WrM = Write Miss WrH = Write Hit；總線消息 WrMs = Write Miss RdMs = Read Miss)操作AB消息/操作PlP2PlP2PlP2Pj： R ASIIIRdM/RdMsRdMs/-P2： W A 10P2： R APl： W A20Pl： WB 10P2： WB20【解】(1)M表示該塊已經(jīng)被修改過，并11未寫入存儲器?！颈硎驹搲K內(nèi)容無效。S表示該塊婆 么處于共享狀態(tài)，即多個處理器中都有其副本且都與存儲器相同，或者該塊只在一個處理器中有 副本且與存儲器相同。操作AB消息/操作PiP2PlP2PlP2Pl； R AsIIIRdM/RdMsRdMs/-P2： W A 10IMIIWrMs/-WrM/WrMsP2： RAIMIIRdHAPl： W A20MIIIWrM/WrMsWrMs/寫回PI： WB 10MIMIWrM/WrMsWrMs/-Pz： WB20MIIMWrMs/寫回WrM/WrMs
《計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》往年考題答案
