计算机系统结构试题

第一章：
1．试述Flynn 分类的4 种计算机系统结构有何特点。

2．假设高速缓存Cache 工作速度为主存的5 倍，且Cache 被访问命中的概率为90%，
则采用Cache 后，能使整个存储系统获得多高的加速比？
3．某工作站采用时钟频率为15 MHz、处理速率为10 MIPS 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）此计算机的有效CPI 是多少？
（2）假定将处理机的时钟提高到30 MHz，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，并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。

4．处理机的时钟30 MHz
（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CPI，计算相应的MIPS 速率。

1、解释图中各控制信号的作用。

2、各流水级存放控制信号的流水线寄存器有何异同？
3、设流水线模型机采用load前推和数据前推，按时钟周期画出以下指令序列的时序图，标示出前推示意。

load r2, 12(r3)
addi r4, r2, 10
and r1, r2, r4
store r1, 10(r5)
4、给出A.3节PPT中图1.39的BDEPEN控制信号的真值表。

半期：
1、试分析采用哪种设计方案实现求浮点数除法FPMUL对系统性能提高更大。

假定FPMUL 操作占整个测试程序执行时间的15%。

一种设计方案是增加专门的FPMUL硬件，可以将FPMUL操作的速度加快到10倍；
另一种设计方案是提高所有FP运算指令的执行速度，使得FP指令的执行速度加快为原来的1.4倍，设FP运算指令在总执行时间中占40%。

（3分）
解：对这两种设计方案的加速比分别进行计算。

增加专门FPDIV硬件方案：F e = 15% = 0.15，S e = 10
S FPDIV = 1/((1-0.15)+0.15/10)=1/0.865 = 1.156
提高所有FP运算指令速度方案：F e = 40% = 0.4 ，S e = 1.6
S FP = 1/((1-0.4)+0.4/1.4) = 1/0.886 = 1.13
增加专门FPDIV硬件方案的加速比更高，对系统性能提高更大。

2.设流水线模型机结构如下图所示，采用load前推和数据前推（包括store指令）。

假设模型机使用subicc指令，它将根据减法结果设置标志寄存器Z的内容为0或为1；其它的ALU计算指令不影响Z。

指令bne的控制相关处理采用插入nop指令的策略。

（7分）
带有内部前推及load相关暂停功能的流水线处理机
设有以下指令序列：
Lop：load r1, 100(r3)
addi r2, r1, 10
store r2, 100(r3)
subicc r5, r5, 1
bne r5,lop ；如果r5的内容不为0，则转Lop
（1）按时钟周期画出以上指令序列第1次循环执行及转移到“load r1, 100(r3)”指令，在模型机中执行的时序图，标出内部前推示意。

（3分）
（2）如果以上指令序列在流水线CPU执行，当第2条指令“addi r2, r1, 10”进入EXE 级时，试给出ADEPEN、BDEPEN信号的值、WB级信号SLD的值。

（2分）
ADEPEN = BDEPEN = SLD=
（3）设模型机采用延迟转移，调整以上指令序列的顺序，使得指令序列在模型机中执行时只有最小停顿，写出调整后的指令序列（不需要画时序图）。

（2分）
解：（1）
Store r3,100,r2 add MEM
（2）ADEPEN = 3或（11） BDEPEN = 1或（01） SLD=1
（3）
Lop：load r1, 100(r3)
subicc r5, r5, 1
addi r2, r1, 10
bne r5,lop
store r2, 100(r3)
第四章：
1、浮点流水线延迟如PPT例4-1，将下面的循环展开并进行指令调度，直到没有任何延迟。

LOOP: LD F0,0(R1);
MULD F0,F0,F2;
LD F4,0(R2);
ADDD F0,F0,F4;
SD F0,0(R2);
DSUBI R1,R1,#8;
DSUBI R2,R2,#8;
BNEZ R1, R0，LOOP;
2、按PPT例4-4中的一段指令代码和记分牌信息初始状态，试给出SUBD指令写结果前各
记录表的状态。

LD F6 , 34(R2)
LD F2 , 45(R3)
MULTD F0 , F2 , F4
SUBD F8 , F6 , F2
DIVD F10 , F0 , F6
ADDD F6 , F8 , F2
3、采用Tomasulo算法，按PPT例4-6中的一段指令代码和各表的初始状态，试给出SUBD 指令写结果前的指令状态、保留站状态和寄存器状态。

第五章：
5.1 某个计算机系统有128字节的高速缓存。

它采用每块有8个字节的4路组相联映射。

物理地址大小是32位，最小可寻址单位是1个字节。

（1）画图说明高速缓存的组织并指明物理地址与高速缓存地址的关系；（2）可以将地址000010AFH分配给高速缓存的哪一组？（3）假如地址000010AFH和FFFF7AxyH可以同时分配给同一个高速缓存组，地址中的x与y的值为多少？
5.2 假设对指令Cache的访问占全部访问的75%，而对数据Cache的访问占全部访问的25%。

Cache的命中时间为1个时钟周期，失效开销为50个时钟周期，在混合Cache中一次LOAD 或STORE操作访问Cache的命中时间都要增加一个时钟周期，32KB的指令Cache的失效率为0.39%，32 KB的数据Cache的失效率为4.82%，64 KB的混合Cache的失效率为1.35%。

又假设采用写直达策略，且有一个写缓冲器，并且忽略写缓冲器引起的等待。

试问指令Cache 和数据Cache容量均为32 KB的分离Cache和容量为64 KB的混合Cache相比，哪种Cache 的失效率更低？两种情况下平均访存时间各是多少？
5.3 给定以下的假设，试计算直接映象Cache和两路组相联Cache的平均访问时间以及CPU 的性能。

由计算结果能得出什么结论？
（1）理想Cache情况下的CPI为2.0，时钟周期为2 ns，平均每条指令访存1.2次。

（2）两者Cache容量均为64KB，块大小都是32B。

（3）组相联Cache中的多路选择器使CPU的时钟周期增加了10%。

（4）这两种Cache的失效开销都是80 ns。

（5）命中时间为1个时钟周期。

（6）64 KB直接映象Cache的失效率为1.4%，64 KB两路组相联Cache的失效率为1.0%。

思考题：数据Cache容量为16KB，块大小为32B，最小寻址单位1字节，采用两路组相联映像方式。

设Cache的物理地址为36位。

计算索引位数、标识位数、块内偏移量。