计算机体系结构课后习题

第1章 计算机系统结构的基本概念

1.1 试用实例说明计算机系统结构、计算机组成与计算机实现之间的相互关系。 答：如在设计主存系统时，确定主存容量、编址方式、寻址范围等属于计算机系统结构。确定主存周期、逻辑上是否采用并行主存、逻辑设计等属于计算机组成。选择存储芯片类型、微组装技术、线路设计等属于计算机实现。

计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现。计算机实现是计算机组成的物理实现。一种体系结构可以有多种组成。一种组成可以有多种实现。

1.2 计算机系统设计中经常使用的4个定量原理是什么？并说出它们的含义。 答：（1）以经常性事件为重点。在计算机系统的设计中，对经常发生的情况，赋予它优先的处理权和资源使用权，以得到更多的总体上的改进。（2）Amdahl定律。加快某部件执行速度所获得的系统性能加速比，受限于该部件在系统中所占的重要性。（3）CPU性能公式。执行一个程序所需的CPU时间 = IC ×CPI ×时钟周期时间。（4）程序的局部性原理。程序在执行时所访问地址的分布不是随机的，而是相对地簇聚。

1.3 计算机系统中有三个部件可以改进，这三个部件的部件加速比为：

部件加速比1=30； 部件加速比2=20； 部件加速比3=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，系统加速比才可以达到10？

（2） 如果三个部件的可改进比例分别为30%、30%和20%，三个部件同时改进，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？

解：（1）在多个部件可改进情况下，Amdahl定理的扩展：

Sn?(1?1?Fi)??FiSi

已知S1＝30，S2＝20，S3＝10，Sn＝10，F1＝0.3，F2＝0.3，得：

10?1

1（-0.3?0.3?F3）?（0.3/30?0.3/20?F3/10）得F3＝0.36，即部件3的可改进比例为36%。

（2）设系统改进前的执行时间为T，则3个部件改进前的执行时间为：（0.3+0.3+0.2）T = 0.8T，不可改进部分的执行时间为0.2T。

已知3个部件改进后的加速比分别为S1＝30，S2＝20，S3＝10，因此3个部件改进后的执行时间为：

'Tn?0.3T0.3T0.2T???0.045T 302010 改进后整个系统的执行时间为：Tn = 0.045T+0.2T = 0.245T

那么系统中不可改进部分的执行时间在总执行时间中占的比例是：

0.2T?0.82

0.245T

1.4 假设某应用程序中有4类操作，通过改进，各操作获得不同的性能提高。具体数据

如下表所示：

操作类型 操作1 操作2 操作3 操作4 程序中的数量 （百万条指令） 10 30 35 15 改进前的执行时间 （周期） 2 20 10 4 改进后的执行时间 （周期） 1 15 3 1 （1）改进后，各类操作的加速比分别是多少？

（2）各类操作单独改进后，程序获得的加速比分别是多少？ （3）4类操作均改进后，整个程序的加速比是多少？ 解：根据Amdahl定律Sn? 操作类型 操作1 操作2 操作3 操作4 各类操作的指令条数在程序中所占的比例Fi 11.1% 33.3% 38.9% 16.7% 各类操作的加速比Si 2 1.33 3.33 4 各类操作单独改进后，程序获得的加速比 1.06 1.09 1.37 1.14 1Fe(1?Fe)?Se可得

4类操作均改进后，整个程序的加速比： Sn?(1?1?Fi)??FiSi?2.16

第2章 指令集结构的分类

2.1 区别不同指令集结构的主要因素是什么？根据这个主要因素可将指令集结构分为哪3类？

答：区别不同指令集结构的主要因素是CPU中用来存储操作数的存储单元。据此可将指令系统结构分为堆栈结构、累加器结构和通用寄存器结构。

2.2 简述CISC指令集结构功能设计的主要目标。从当前的计算机技术观点来看，CISC指令集结构的计算机有什么缺点？

答：主要目标是增强指令功能，把越来越多的功能交由硬件来实现，并且指令的数量也是越来越多。

缺点： (1) CISC结构的指令集中，各种指令的使用频率相差悬殊。（2）CISC结构指令的复杂性带来了计算机体系结构的复杂性，这不仅增加了研制时间和成本，而且还容易造成设计错误。（3）CISC结构指令集的复杂性给VLSI设计增加了很大负担，不利于单片集成。（4）CISC结构的指令集中，许多复杂指令需要很复杂的操作，因而运行速度慢。 (5) 在CISC结构的指令集中，由于各条指令的功能不均衡性，不利于采用先进的计算机体系结构技术（如流水技术）来提高系统的性能。

2.3 简述RISC指令集结构的设计原则。

答（1） 选取使用频率最高的指令，并补充一些最有用的指令；（2）每条指令的功能应尽可能简单，并在一个机器周期内完成；（3）所有指令长度均相同；（4）只有Load和Store操作指令才访问存储器，其它指令操作均在寄存器之间进行； (5) 以简单有效的方式支持高级语言。

第3章 流水线技术

3.1解释下列术语

流水线：将一个重复的时序过程，分解成为若干个子过程，而每一个子过程都可有效地在其专用功能段上与其它子过程同时执行。

3.2 指令的执行可采用顺序执行、重叠执行和流水线三种方式，它们的主要区别是什么？各有何优缺点。

答：（1）指令的顺序执行是指指令与指令之间顺序串行。即上一条指令全部执行完后，才能开始执行下一条指令。

优点：控制简单，节省设备。缺点：执行指令的速度慢，功能部件的利用率低。

（2）指令的重叠指令是在相邻的指令之间，让第k条指令与取第k+l条指令同时进行。重叠执行不能加快单条指令的执行速度，但在硬件增加不多的情况下，可以加快相邻两条指令以及整段程序的执行速度。与顺序方式相比，功能部件的利用率提高了，控制变复杂了。

（3）指令的流水执行是把一个指令的执行过程分解为若干个子过程，每个子过程由专门的功能部件来实现。把多个处理过程在时间上错开，依次通过各功能段，每个子过程与其它的子过程并行进行。依靠提高吞吐率来提高系统性能。流水线中各段的时间应尽可能相等

3.3 简述先行控制的基本思想。 答：先行控制技术是把缓冲技术和预处理技术相结合。缓冲技术是在工作速度不固定的两个功能部件之间设置缓冲器，用以平滑它们的工作。预处理技术是指预取指令、对指令进行加工以及预取操作数等。

采用先行控制方式的处理机内部设置多个缓冲站，用于平滑主存、指令分析部件、运算器三者之间的工作。这样不仅使它们都能独立地工作，充分忙碌而不用相互等待，而且使指令分析部件和运算器分别能快速地取得指令和操作数，大幅度地提高指令的执行速度和部件的效率。这些缓冲站都按先进先出的方式工作，而且都是由一组若干个能快速访问的存储单元和相关的控制逻辑组成。

采用先行控制技术可以实现多条指令的重叠解释执行。

3.4 设一条指令的执行过程分成取指令、分析指令和执行指令三个阶段，每个阶段所需的时间分别为△t、△t和2△t 。分别求出下列各种情况下，连续执行N条指令所需的时间。

（1）顺序执行方式；

（2）只有“取指令”与“执行指令”重叠； （3）“取指令”、“分析指令”与“执行指令”重叠。 解：（1）每条指令的执行时间为：△t＋△t＋2△t＝4△t

连续执行N条指令所需的时间为：4N△t

（2）连续执行N条指令所需的时间为：4△t＋3（N-1）△t＝（3N＋1）△t （3）连续执行N条指令所需的时间为：4△t＋2（N-1）△t＝（2N＋2）△t

3.7 减少流水线分支延迟的静态方法有哪些？ 答：（1）预测分支失败：沿失败的分支继续处理指令，就好象什么都没发生似的。当确定分支是失败时，说明预测正确，流水线正常流动；当确定分支是成功时，流水线就把在分支指令之后取出的指令转化为空操作，并按分支目标地址重新取指令执行。

（2）预测分支成功：当流水线ID段检测到分支指令后，一旦计算出了分支目标地址，就开始从该目标地址取指令执行。

（3）延迟分支：主要思想是从逻辑上“延长”分支指令的执行时间。把延迟分支看成是由原来的分支指令和若干个延迟槽构成。不管分支是否成功，都要按顺序执行延迟槽中的指令。

3种方法的共同特点：它们对分支的处理方法在程序的执行过程中始终是不变的。它们要么总是预测分支成功，要么总是预测分支失败。

3.12 有一指令流水线如下所示

入 1 2 3 4 出 50ns 50ns 100ns 200ns

（1） 求连续输入10条指令，该流水线的实际吞吐率和效率；

（2） 该流水线的“瓶颈”在哪一段？请采取两种不同的措施消除此“瓶颈”。对于你所给

出的两种新的流水线，连续输入10条指令时，其实际吞吐率和效率各是多少？

解：（1）

Tpipeline???ti?(n?1)?tmaxi?1m?(50?50?100?200)?9?200 ?2200(ns)TP?nTpipeline?1220(ns?1)

E?TP???ti?1mim?TP?4005??45.45% 411（2）瓶颈在3、4段。

? 变成八级流水线（细分）

è?

150ns250ns3_150ns3_250ns4_150ns4_450ns3?Tpipeline???ti?(n?1)?tmaxi?1m?50?8?9?50?850(ns)

TP?n?1(ns?1)

Tpipeline85E?TP???tii?1mm?TP?40010??58.82% 817? 重复设置部件

TP?n?1(ns?1)

Tpipeline85850?8?1017?58.82%

E?400?10

段 4_4 4_3 4_2 1 4_1 3_2 3_1 2 4-1 3 3-1 4876 4-2 109 4-3 2 4 12 3-2 5 2 6 8 10 1 3 5 7 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 4-4 时间 850ns 3.13有一个流水线由4段组成，其中每当流经第3段时，总要在该段循环一次，然后才能流到第4段。如果每段经过一次所需要的时间都是?t，问：

（1） 当在流水线的输入端连续地每?t时间输入任务时，该流水线会发生什么情况？ （2） 此流水线的最大吞吐率为多少？如果每2?t输入一个任务，连续处理10个任务

时的实际吞吐率和效率是多少？ （3） 当每段时间不变时，如何提高该流水线的吞吐率？仍连续处理10个任务时，其

吞吐率提高多少？

解：（1）会发生流水线阻塞情况。 第1个任务 第2个任务 第3个任务 第4个任务 S1 S2 S1 S3 S2 S1 S3 stall stall S4 S3 S2 S1 S3 stall stall S4 S3 S2 S3 stall S4 S3 S3 S4

（2）

段 4 2 6 7 3 4 5 8 9 10 3 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10 2 5 1 2 3 4 6 7 8 9 10 时间 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 23 ? t 1

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