中国海洋大学 考研 期末 20061计算机系统结构B李海涛 - 图文

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2006学年第 1 学期 试题名称:计算机系统结构 （B卷） 课程号： 共 2 页 第 1 页

专业年级__________________ 学号___________ 姓名____________ 考试日期（考生填写）_______年____月__日 分数_________ 1. （8分）在一台40MHz处理机上运行20,000条指令的目标代码，程序由4种指令组成。根据程序跟踪实验结果，已知指令混合比和每种指令所需的周期数如下表所示。 1) 计算在单处理机上用上述跟踪数据运行程序的平均CPI。 2) 根据1）所得的CPI，计算相应的MIPS速率。 CPI 指令类型 指令混合比 1 60% 算术和逻辑 2 18% 高速缓存命中的加载/存储 4 12% 转移 8 10% 高速存储缺失的存储器访问 2. （8分）一台模型机有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，共有两种指令格式，其中，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，变址范围不大于正、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。 3. （8分）在一个Cache存储系统中，Cache的访问周期为10ns，主存储器的访问周期为60ns，每个数据在Cache中平均重复使用4次。当块的大小为一个字时，存储系统的访问效率为0.5。 1) 计算此时存储系统的命中率和等效访问周期； 2) 可以通过增加块大小的方案来提高系统的访问效率。那么，当块大小至少增加到几个字时，存储系统的访问效率才能从0.5提高到0.94？ 4. （6分）一台计算机系统有两个选择通道，两个数组多路通道，一个字节多路通道带有3个子通道。各通道的工作速度如下表所示，分别计算各通道和子通道的实际流量和工作周期。 通道名称 连接在这个通道上的设备的数据传送速率（KB/s） 子通道1 100，50，50，25，20，5 字节多路通道 子通道2 60，60，60，45，15，10 子通道3 100，100，80，80，80，60 数组多路通道1 4000，4000，4000，3000，3000 数组多路通道2 4000，4000，4000，3500，3000 选择通道1 5000，5000，5000，4500，4000 选择通道2 6000，6000，5000，5000，5000 5. （8分）一条有4个功能段的非线性流水线，每个功能段的延迟时间都为10ns，预约表如下： 1 2 3 4 5 6 7 S1 × × S2 × × S3 × S4 × × 1) 画出调度该流水线的状态转换图； 2) 求流水线的最小启动循环和最小平均启动距离； 3) 按照最小启动循环连续输入10个任务，求流水线的实际吞吐率。 授课教师 命题教师或命题负责人 签 字 院系负责人 签 字 年 月 日 6. （10分）在下列不同结构的处理机上运行8×8的矩阵乘法C＝A×B，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一个“取指令”和“指令译码”时钟周期，每个时钟周期为10ns，C的初始值为“0”。各操作部件输出端有直接数据同路连接到有关操作的输入端，在操作部件的输出端设置有足够多的缓冲寄存器。 1) 处理机只有一个通用操作部件，采用顺序方式执行指令； 2) 单流水线标量处理机，有一个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； 3) 超标量处理机，每个时钟周期同时发射一条乘法指令和加法指令，处理机内有两条独立的操作流水线，流水线每个功能段的延迟时间均为一个时钟周期； 4) 超流水线处理机，把一个时钟周期分成两个流水级，加法部件和乘法部件的延迟时间都为6个流水级，每个时钟周期能够分时发射两条指令； 5) 超标量超流水线处理机，把一个时钟周期分成两个流水级，加法部件和乘法部件的延迟时间都为6个流水级，每个流水级能够同时发射一条乘法指令和一条加法指令。 7. （8分）一台向量处理机1次只能以下述两种方式中的一种运动：一种是向量方式，执行速度Rv为10MFLOPS；另一种是标量方式，执行速度Rs为1MFLOPS。设α是该计算机的典型程序代码中可向量化部分的百分比。 1) 推导出该计算机平均执行速度Ra的公式； 2) 要使Ra达到7.5MFLOPS，问向量化百分比α应为多少？ 8. （6分）设16个处理器编号分别为0、1、?、15，要用单级互连网络，当互连函数分别为： (1)Cube3 ；(2)PM2+3 ；(3)PM2–0 ；(4)β ；(5)Shuffle ；(6)Shuffle(Shuffle) 时，第14号处理器与哪一个处理器相连（要求写出互连函数表达式）? 9. （8分）分别确定在下列各计算机系统中，计算表达式S??(A?B)，需要的最少时间。 iii?071) 通用PE的串行SISD系统； 2) 有8个处理器的SIMD系统； 3) 有8个处理器的MIMD系统。 设访存取指和取数的时间可以忽略不计；加与乘分别需要2拍和4拍；在SIMD和MIMD系统中处理器之间每进行一次数据传送的时间为1拍，而在SISD的串行系统中可忽略；在SIMD系统中，PE采用线性环网互连， 而在MIMD系统中，PE采用立方体网络互连。 10. （10分）在一个多处理机系统中，有8个计算结点用环网互连。现在要使用这个多处理机系统完成一个计算任务，该计算任务已经被分割成了100个子任务，所有子任务均可并行执行，且每个子任务的执行时间均为R个单位时间，在实际的处理过程中，任意两个子任务均需交换一次数据。当两个子任务不在同一计算结点时，在忽略网络线长的前提下，其通信开销均为C个单位时间（假定子任务A与B交换数据，其过程为：A请求获得令牌，获得网络控制权后，向B发送数据，B接收到数据后，向A发送确认信息，附带将想要发送给A的数据放在确认帧中一同发送，A收到后发确认信息，释放令牌。整个过程的平均时间花费为C），子任务以独占的方式访问网络，并且在通信期间不能执行计算任务；当两个子任务在同一个计算结点上时，忽略其通信开销。 1) 若R=200，C=5，计算任务的最短执行时间并给出对应的子任务分配方案。 2) 若R=60，C=1，计算任务的最短执行时间并给出对应的子任务分配方案。 3) 比较（1）和（2）的结果，你能得到什么结论？

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