计算机系统结构

《计算机系统结构》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机系统结构（6页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、清华大学试卷（本科生专用） A卷考场纪律一、 学生应试时必须携带学生证，以备查对，学生必须按照监考老师指定的座位就坐。二、 除答卷必须用的笔、橡皮及老师指定的考试用具外，不得携带任何书籍、笔记、草稿纸等。三、 答卷时不准互借文具（包括计算器）。题纸上如有字迹不清等问题，学生应举手请监考教师解决。四、 学生应独立答卷，严禁左顾右盼、交头接耳、抄袭或看别人答卷等各种形式的作弊行为，如有违反，当场取消其考试资格，答卷作废。五、 在规定的时间内答卷，不得拖延。交卷时间到，学生须在原座位安静地等候监考教师收卷后，方可离开考场。系别 班号 班 学号 姓名 成绩 考试课程 计算机系统结构 日期 2007 年

2、 7 月 日 阅卷老师 题号一二三四五六七八总分1、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，初始时Cache为空，当程序执行过程中访存的字地址序列为0,7,12,9,16，8,17,0,12,8时，试计算Cache的命中率答：字地址流进入cache时工作情况：时间12345678910字地址流07129168170128块号0132424032块0 0 000444000块1111111111块2222 2222块333333333装入装入装入替换替换命中命中替换命中命中(3分)在上表中，共有10个时刻，命中4次，所以命中率4/10=40% (2分)2、某处理机的指

3、令字长为16位，并有双地址指令、单地址指令和零地址三种指令类型，每个地址字段的长度均为6位。如果双地址指令有15条，单地址指令和零地址指令的条数基本相同。（1）. 问单地址指令和零地址指令各有多少条？（2）. 为这三类指令分配操作码。答：（1）首先，我们可以根据指令地址的数量来决定各种指令在指令空间上的分布：如果我们按照从小到大的顺序分配操作码，这样，按照指令数值从小到大的顺序，分别为双地址指令、单地址指令和零地址指令。其次可以根据指令的条数来大致的估计操作码的长度：双指令15条，需要4位指令来区分，剩下的12位指令平均分给单地址和零地址指令，每种指令可以用6位指令来区分，这样，各指令的条数为

4、：双地址指令15条， 单地址指令26-1=63条 零地址指令64条 (3分)（2）双地址指令15条，地址码：00001110；单地址指令63条，地址码：1111 0000001111 111110；零地址指令64条，地址码：1111 111111 0000001111 111111 111111 (3分)3、假定你是一个计算机设计者，你已设想了一个优化的设计方案，它能减少过程调用和返回所需的取/存指令次数。为了进行验证，对未加优化和已优化的方案进行实验测试，假定所使用的是相同的优化编译器。实验测得的结果如下：优化方案的时钟周期比未优化的快15%；未优化方案中的取/存指令数占总指令数的30%；优

5、化方案中的取/存指令数比未优化的少1/3。对于其它指令，两种方案的动态执行数没有变化；未优化方案的所有指令执行均只需1个时钟周期。而优化方案只有取/存指令执行需要2个时钟周期，其它指令执行也只需1个时钟周期。计算优化方案的平均CPI（2分）通过计算加速比，判断哪一种设计方案计算机工作的速度更快（4分）答：（1）假设未优化方案的指令条数为IC,由题目可知, 未优化方案中取/存指令数30IC=0.3IC优化方案的指令条数IC优化=(1-1/3)*30%*IC+70%*IC=0.9IC优化方案取/存指令数0.3IC(1-1/3)=0.2IC优化方案其它指令数0.9IC-0.2IC0.7IC优化方案的

6、CPI:CPI优化(0.2IC/0.9IC)*2 +(0.7IC/0.9IC)*1=11/9 (3分)（2）根据题意，未优化方案的CPI为1，未优化方案的时钟周期t优化=0.85t所以加速比：=10/9.35可见，优化后的方案工作速度快. (3分)4、 一个组相联映象Cache由64个存储块构成，每组包含4个存储块。主存包含4096个存储块，每块由128字组成。访存地址为字地址。(1) 求一个主存地址有多少位？一个cache地址有多少位？(2) 计算主存地址格式中，区号、组号、块号和块内地址字段的位数。答：(1) 因为主存包含4096=212个块，cache中包含64=26个块，每个块包含12

7、8=27个字，所以主存字地址为12+7=19位，cache字地址为6+7=13位 (3分)(2) 区号为19-13=6位，组号为6-2=4位，块号为2位，块内地址为7位(3分) 周期 段123456S1XXXS2XXS3X5、一条3个功能段的非线性流水线的预约表如下：(1)写出禁止集合和初始冲突向量。(2)画出调度流水线的状态图。(3)求最小启动循环和最小平均启动距离。(5)画出流水线各功能段之间的连接图。(6) 通过插入非计算延迟单元（预留算法），可以实现流水线最优调度。假设流水线的时钟周期为=20ns，流水线的最大可能的吞吐率TP？。答：(1)禁止集合为：（2，3，5） 初始冲突向量为：1

8、0110 (3分) (2)调度流水线的状态图 6* 6* 14 6* 14简单循环平均启动距离（1，6）3.5（4，6）5（4）4（6）6(3分)(3)流水线的最小启动循环为（1，6） 最小平均启动距离为3.5 (3分)(4)画出流水线各功能段之间的连接图。(3分) (6)插入非计算延迟后，流水线的最佳平均启动距离为3，所以，最大可能的吞吐率TP=1/(3*20ns)(3分)6 假设一个全相联Cache，采用写通过（write through）策略。初始Cache为空。试分别计算按照不同策略时，下列存储器访问操作的Cache命中率。 Write Mem100;Write Mem100;Read

9、 Mem200;Write Mem200;Write Mem100;1. 写分配（write allocate）策略；2. 写不分配（no write allocate）策略。答：1. 写分配：Write Mem100;miss，Mem100读入cacheWrite Mem100;hitRead Mem200;miss，Mem200读入cacheWrite Mem200;hitWrite Mem100;hit命中数3, 命中率3/5=60%。 (3分)2. 写不分配：Write Mem100;missWrite Mem100;missRead Mem200;miss，Mem200读入Cache

10、Write Mem200;hitWrite Mem100;miss命中数1，命中率1/5=20%。 (3分)7试分别在下面两种计算机系统上用最短的时间来计算表达式s=A1*B1+A2*B2+A32*B32。假设加法和乘法分别需要两个和四个单位时间，从存储器取指令、取数据、译码的时间忽略不计，所有的指令和数据已装入有关的PE。试确定下列每种情况的最小计算时间：(a) 一台SISD串行计算机。(b) 一台有8个PE（PE1，PE2，PE8）的SIMD计算机，8个PE用PM2I连接。每个PE用一个单位时间可以把数据直接送给它的相邻PE。操作数Ai和Bi最初存放在PEi mod 8中，其中i=1，2，32。每个PE可在不同时刻执行加法或乘法。答：（a）在SISD计算机中计算s需要串行计算32次乘法和31次加法。共需要时间：T=4*32+2*31=190单位时间 (3分)（b）在SIMD计算机上计算采用如下的算法：首先，把向量中的32对元素平均地分配到8个处理其中，每个处理器分配4对共需要时间T=4*4（每个PE的4个乘法）+3*2（每个PE的3个加法）+1（移数20）+2(加法)+1（移数21）+2（加法）+1（移数22）+2（加法）=31时间单位 (3分)1