江西師大體系結(jié)構(gòu)劉老師上練習(xí)題參考解答

1、第一章1.441.44某工作站采用時(shí)鐘頻率為某工作站采用時(shí)鐘頻率為15MHz15MHz、處理速率為、處理速率為10MIPS10MIPS的處理機(jī)來(lái)執(zhí)行一個(gè)測(cè)的處理機(jī)來(lái)執(zhí)行一個(gè)測(cè)試程序。假定每次存儲(chǔ)器存取為試程序。假定每次存儲(chǔ)器存取為1個(gè)時(shí)鐘周期，試問(wèn)：個(gè)時(shí)鐘周期，試問(wèn)：(1)(1)此計(jì)算機(jī)的有效此計(jì)算機(jī)的有效CPICPI是多少是多少(2)(2)假定將處理機(jī)的時(shí)鐘頻率提高到假定將處理機(jī)的時(shí)鐘頻率提高到30MHz30MHz，但存儲(chǔ)器的工作速率

2、不變，這樣，每次，但存儲(chǔ)器的工作速率不變，這樣，每次存儲(chǔ)器存取需要存儲(chǔ)器存取需要2個(gè)時(shí)鐘周期。如果個(gè)時(shí)鐘周期。如果3030％指令每條只需要一次存儲(chǔ)器存取操作，另外％指令每條只需要一次存儲(chǔ)器存取操作，另外5％指令每條需要二次存儲(chǔ)器存取操作，假定測(cè)試程序的指令數(shù)不變，并與原工作站兼％指令每條需要二次存儲(chǔ)器存取操作，假定測(cè)試程序的指令數(shù)不變，并與原工作站兼容，試求改進(jìn)后的處理機(jī)的容，試求改進(jìn)后的處理機(jī)的CPICPI。解：（1）由MIPS=時(shí)鐘

3、頻率（CPI106），則有：CPIA=時(shí)鐘頻率（MIPS106）=1.5。（2）當(dāng)時(shí)鐘頻率為15MHZ時(shí)，假設(shè)不進(jìn)行存儲(chǔ)操作指令的CPI為x，則要進(jìn)行一次存儲(chǔ)操作指令的CPI為1x，要進(jìn)行二次存儲(chǔ)操作指令的CPI為2x，因此有：1.5=x65%（1x）30%（2x）5%解得x=1.1當(dāng)時(shí)鐘頻率為30MHZ時(shí)，不進(jìn)行存儲(chǔ)操作指令的CPI不變?yōu)?.1，要進(jìn)行一次存儲(chǔ)操作指令的CPI為2x=3.1，要進(jìn)行二次存儲(chǔ)操作指令的CPI為4x=5.1

4、，因此平均CPI為：CPIB=1.165%3.130%5.15%=1.9所以MIPSB=時(shí)鐘頻率（CPIB106）=（30106）（1.9106）=15.81.451.45用一臺(tái)用一臺(tái)80MHz80MHz處理機(jī)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試程序，它包含的指令數(shù)和相應(yīng)的平均時(shí)鐘處理機(jī)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試程序，它包含的指令數(shù)和相應(yīng)的平均時(shí)鐘周期數(shù)如表周期數(shù)如表110110所示，求該處理機(jī)的有效所示，求該處理機(jī)的有效CPICPI、MIPSMIPS和程序執(zhí)行時(shí)間。和程序

5、執(zhí)行時(shí)間。表110110題1.461.46的指令數(shù)和相應(yīng)的平均周期數(shù)的指令數(shù)和相應(yīng)的平均周期數(shù)指令類型指令類型指令數(shù)指令數(shù)平均周期數(shù)平均周期數(shù)整數(shù)運(yùn)算整數(shù)運(yùn)算46000460001數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸36000360002浮點(diǎn)運(yùn)算浮點(diǎn)運(yùn)算14000140002控制指令控制指令900090002解：該處理機(jī)指令的平均時(shí)鐘周期數(shù)CPI為：CPI==46105136105214105291052=1.6??niIcIiCPIi1)(所以MIPS=

6、時(shí)鐘頻率（CPIB106）=（80106）（1.6106）=50TCPU=IC(MIPS106)=105000(50106)=0.21(ms)1.461.46某計(jì)算機(jī)某計(jì)算機(jī)CacheCache能存放能存放20002000條指令。假設(shè)條指令。假設(shè)10%10%的指令承擔(dān)了的指令承擔(dān)了90%90%時(shí)間的指令時(shí)間的指令訪問(wèn)，而且這訪問(wèn)，而且這10%10%指令中每條指令的執(zhí)行時(shí)間相同。如果要執(zhí)行的某程序共指令中每條指令的執(zhí)行時(shí)間相同。如果要執(zhí)行

7、的某程序共5000050000條指條指令，當(dāng)計(jì)算機(jī)執(zhí)行該程序時(shí)，在令，當(dāng)計(jì)算機(jī)執(zhí)行該程序時(shí)，在CacheCache中能訪問(wèn)到的指令的概率是多少？中能訪問(wèn)到的指令的概率是多少？解：由題意可知：45000條指令承擔(dān)10%時(shí)間的指令訪問(wèn)，5000條指令承擔(dān)90%時(shí)間的指令訪問(wèn)。顯然5000條指令被頻繁使用，設(shè)平均使用次數(shù)為X；另外45000條指令周期？周期？解：（1）就程序本身而言，可能有三種數(shù)據(jù)相關(guān)。若3條指令順序流動(dòng)，則k指令對(duì)R1寄存器

8、的寫與k1指令對(duì)R1寄存器的讀形成的“先寫后讀”相關(guān)。若3條指令異步流動(dòng)，則k指令對(duì)R0寄存器的讀與k1指令對(duì)R0寄存器的寫形成的“先讀后寫”相關(guān)，k2指令對(duì)R0寄存器的寫與k1指令對(duì)R0寄存器的寫形成的“寫—寫”相關(guān)。（2）在程序?qū)嶋H執(zhí)行過(guò)程中，二種數(shù)據(jù)相關(guān)會(huì)引起流水線停頓。一是“先寫后讀”相關(guān)，k指令對(duì)R1的寫在程序執(zhí)行開始后的第四個(gè)時(shí)鐘；k1指令對(duì)R1的讀對(duì)指令本身是第三個(gè)時(shí)鐘，但k1指令比k指令晚一個(gè)時(shí)鐘進(jìn)入流水線，則在程序執(zhí)行

9、開始后的第四個(gè)時(shí)鐘要讀R1。不能在同一時(shí)鐘周期內(nèi)讀寫同一寄存器，因此k1指令應(yīng)推遲一個(gè)時(shí)鐘進(jìn)入流水線，產(chǎn)生了流水線停頓。二是“寫—寫”相關(guān)，k1指令對(duì)R0的寫對(duì)指令本身是第六個(gè)時(shí)鐘，而要求該指令進(jìn)入流水線應(yīng)在程序執(zhí)行開始后的第三個(gè)時(shí)鐘，所以對(duì)R0的寫是在程序執(zhí)行開始后的第八個(gè)時(shí)鐘。k2指令對(duì)R0的寫對(duì)指令本身是第五個(gè)時(shí)鐘，而k2指令比k1指令晚一個(gè)時(shí)鐘進(jìn)入流水線，則在程序執(zhí)行開始后的第四個(gè)時(shí)鐘，所以對(duì)R0的寫是在程序執(zhí)行開始后的第八個(gè)時(shí)

10、鐘。不能在同一時(shí)鐘周期內(nèi)寫寫同一寄存器，因此k2指令應(yīng)推遲一個(gè)時(shí)鐘進(jìn)入流水線，產(chǎn)生了流水線停頓。另外，可分析“先讀后寫”相關(guān)不會(huì)產(chǎn)生流水線的停頓。（3）由題意可認(rèn)位該指令流水線由六個(gè)功能段取指、譯碼、取數(shù)、運(yùn)一、運(yùn)二和存數(shù)等組成，則程序指令執(zhí)行過(guò)程的流水線時(shí)空?qǐng)D如下圖所示。若3條指令順序流動(dòng)，共需要9個(gè)時(shí)鐘周期?？臻g存數(shù)K存數(shù)K1存數(shù)K2存數(shù)運(yùn)二K1運(yùn)二運(yùn)一K1運(yùn)一K2運(yùn)一取數(shù)K取數(shù)K1取數(shù)K2取數(shù)譯碼K譯碼K1譯碼K2譯碼取指K取指K

11、1取指K2取指時(shí)間01234567892.232.23有一條有一條5個(gè)功能段的線性動(dòng)態(tài)多功能流水線如圖所示，其中個(gè)功能段的線性動(dòng)態(tài)多功能流水線如圖所示，其中1→2→3→5功能段組成加法流水線，能段組成加法流水線，1→4→5功能段組成乘法流水線，設(shè)每個(gè)功能段的延遲時(shí)間均相功能段組成乘法流水線，設(shè)每個(gè)功能段的延遲時(shí)間均相等為△等為△t。用這條流水線計(jì)算。用這條流水線計(jì)算F=F=，畫出流水線時(shí)空?qǐng)D，并計(jì)算流水線的實(shí)際，畫出流水線時(shí)空?qǐng)D，并計(jì)算