计算机体系结构复习题docxWord格式.docx
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（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：
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：
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。
（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
4.2简述Tomasulo算法的基本思想。
答：
核心思想是：
①记录和检测指令相关，操作数一旦就绪就立即执行，把发生RAW冲突的可能性减小到最少；
②通过寄存器换名来消除WAR冲突和WAW冲突。
寄存器换名是通过保留站来实现，它保存等待流出和正在流出指令所需要的操作数。
基本思想：
只要操作数有效，就将其取到保留站，避免指令流出时才到寄存器中取数据，这就使得即将执行的指令从相应的保留站中取得操作数，而不是从寄存器中。
指令的执行结果也是直接送到等待数据的其它保留站中去。
因而，对于连续的寄存器写，只有最后一个才真正更新寄存器中的内容。
一条指令流出时，存放操作数的寄存器名被换成为对应于该寄存器保留站的名称（编号）。
☐Consideraprogramwiththegivencharacteristics
⏹Instructioncount（I-Count）=106instructions
⏹30%ofinstructionsareloadsandstores
⏹D-cachemissrateis5%andI-cachemissrateis1%
⏹Misspenaltyis100clockcyclesforinstructionanddatacaches
⏹Computecombinedmissesperinstructionandmemorystallcycles
☐CombinedmissesperinstructioninI-CacheandD-Cache
⏹1%+30%5%=0.025combinedmissesperinstruction
⏹Equalto25missesper1000instructions
☐Memorystallcycles
⏹0.025100（misspenalty）=2.5stallcyclesperinstruction
⏹Totalmemorystallcycles=1062.5=2,500,000
CPIwithMemoryStalls
☐AprocessorhasCPIof1.5withoutanymemorystalls
⏹Cachemissrateis2%forinstructionand5%fordata
⏹20%ofinstructionsareloadsandstores
⏹Cachemisspenaltyis100clockcyclesforI-cacheandD-cache
☐WhatistheimpactontheCPI?
☐Answer:
MemStallsperInstruction=0.02×
100+0.2×
0.05×
100=3
CPIMemoryStalls=1.5+3=4.5cyclesperinstruction
CPIMemoryStalls/CPIPerfectCache=4.5/1.5=3
Processoris3timesslowerduetomemorystallcycles
CPINoCache=1.5+（1+0.2）×
100=121.5（alotworse）
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，问：
（1）当在流水线的输入端连续地每时间输入任务时，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？
（1）会发生流水线阻塞情况。
第1个任务
S1
S2
S3
S4
第2个任务
stall
第3个任务
第4个任务
（2）
（3）重复设置部件
吞吐率提高倍数＝＝1.64
3.17假设各种分支指令数占所有指令数的百分比如下：
条件分支
20%（其中的60%是分支成功的）
跳转和调用
5%
现有一条段数为4的流水线，无条件分支在第二个时钟周期结束时就被解析出来，而条件分支要到第三个时钟周期结束时才能够被解析出来。
第一个流水段是完全独立于指令类型的，即所有类型的指令都必须经过第一个流水段的处理。
请问在没有任何控制相关的情况下，该流水线相对于存在上述控制相关情况下的加速比是多少？
没有控制相关时流水线的平均CPI＝1
存在控制相关时：
由于无条件分支在第二个时钟周期结束时就被解析出来，而条件分支
要到第3个时钟周期结束时才能被解析出来。
所以：
（1）若使用排空流水线的策略，则对于条件分支，有两个额外的stall，对无条件分支，有一个额外的stall：
CPI=1+20%*2+5%*1=1.45
加速比S=CPI/1=1.45
（2）若使用预测分支成功策略，则对于不成功的条件分支，有两个额外的stall，对无条件分支和成功的条件分支，有一个额外的stall1：
CPI=1+20%*（60%*1+40%*2）+5%*1=1.33
加速比S=CPI/1=1.33
（3）若使用预测分支失败策略，则对于成功的条件分支，有两个额外的stall；
对无条件分支，有一个额外的stall；
对不成功的条件分支，其目标地址已经由PC值给出，不必等待，所以无延迟：
CPI=1+20%*（60%*2+40%*0）+5%*1=1.29
加速比S=CPI/1=1.29
4.4假设有一条长流水线，仅仅对条件转移指令使用分支目标缓冲。
假设分支预测错误的开销为4个时钟周期，缓冲不命中的开销为3个时钟周期。
假设：
命中率为90%，预测精度为90%，分支频率为15%，没有分支的基本CPI为1。
（1）求程序执行的CPI。
（2）相对于采用固定的2个时钟周期延迟的分支处理，哪种方法程序执行速度更快？
（1）程序执行的CPI=没有分支的基本CPI
（1）+分支带来的额外开销
分支带来的额外开销是指在分支指令中，缓冲命中但预测错误带来的开销与缓冲没有命中带来的开销之和。
分支带来的额外开销=15%*（90%命中×
10%预测错误×
4+10％没命中×
3）=0.099
所以，程序执行的CPI＝1＋0.099=1.099
（2）采用固定的2个时钟周期延迟的分支处理CPI=1+15%×
2=1.3
由
（1）
（2）可知分支目标缓冲方法执行速度快。
4.9设指令流水线由取指令、分析指令和执行指令3个部件构成，每个部件经过的时间为△t，连续流入12条指令。
分别画出标量流水处理机以及ILP均为4的超标量处理机、超长指令字处理机、超流水处理机的时空图，并分别计算它们相对于标量流水处理机的加速比。
标量流水处理机的时空图：
执行完12条指令需T1＝14△t。
超标量流水处理机与超长指令字处理机的时空图：
超标量流水处理机中，每一个时钟周期同时启动4条指令。
执行完12条指令需T2＝5△t，相对于标量流水处理机的加速比为：
超长指令字处理机中，每4条指令组成一条长指令，共形成3条长指令。
执行完12条指令需T3＝5△t，相对于标量流水处理机的加速比为：
超流水处理机的时空图：
超流水处理机中，每1/4个时钟周期启动一条指令。
执行完12条指令需T4＝5.75△t，相对于标量流水处理机的加速比为：
4、（10分）假定我们有一台计算机，如果所有的cache访问都命中的话，它的CPI是2.0。
唯一的数据访问指令是store和load，它们占指令总数的40％，不命中损失是25个时钟周期，不命中率是2％。
如果所有的指令访问cache都命中的话，那么机器的速度是存在cache不命中时的多少倍？
首先计算所有cache访问都命中时计算机的性能：
CPU执行时间＝（CPU时钟周期＋内存停机周期）×
时钟周期时长
＝（IC×
CPI＋0）×
＝IC×
2.0×
现在计算考虑cache不命中在内的真实计算机性能，我们先计算内存停机周期：
内存停机周期＝IC×
每条指令访问内存的次数×
不命中率×
不命中损失
＝IC×
（1＋0.4）×
0.02×
25
0.7
其中（1＋0.4）代表每条指令访问一次内存,而占指令总数40%的store和load访问两次内存,所以平均每条指令访问访问（1+0.4）次内存。
这样总的性能是：
CPU执行时间=（IC×
2.0＋IC×
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