计算机体系结构复习题及答案

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1、1.7将计算机系统中某一功能的处理速度加快10倍，但该功能的处理时间仅为整个系统运行时间的40%,则采用此增强功能方法后，能使整个系统的性能提高多少？解由题可知：可改进比例=40%=0.4部件加速比=10根据Amdahl定律可知：系统加速比=(")+带=1.5625采丿IJ此增强功能方法后，能使整个系统的性能捉高到原來的1.5625倍。1.8计算机系统屮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i=3()；部件加速比2=20；部件加速比尸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吋，系统加速比才可以达到10?(

2、2)如果三个部件的口J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(1一工竹)+工孑已知Si=30,S2=20,S3=10,Sn—10,F]=0.3,尸2=0.3,得：10=11・(0・3+0・3+尸3)+(0・3/30+0・3/20+尸3/10)得F3=0.36,即部件3的可改进比例为36%o(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0.2

3、To己知3个部件改进后的加速比分别为S

4、=3(),S2=20,S3=10,因此3个部件改进后的执行时间为：小器+勢罟。改进后整个系统的执行时间为：Tn=0.045T+0.2T=0.245T那么系统屮不可改进部分的执行时间在总执行时间屮占•的比例是:0.2T0.245T=0.823.4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△＜、At和2Ato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

5、执行时间为：△t+Zt+2At=4Zt连续执行N条指令所需的时间为：4NAt(2)连续执行N条指令所需的时间为：4Zt+3(N-l)At=(3N+1)At(3)连续执行N条指令所需的时间为：4/^+2(N-l)At=(2N+2)At4.2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，把发牛RAW冲突的可能性减小到最少；②通过寄存器换名來消除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耍的操作数。棊木思想:只要操作数冇效，就将其取到保留站，避免指令流出时才到寄存器中

6、取数据，这就使得即将执行的指令从相应的保留站屮取得操作数，而不是从寄存器屮。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，只有最后一个才真止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附站的名称（编号）。3.13有一个流水线由4段组成，其小每当流经第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）此流水线的最大吞叶率为多少？如果每2△/输入一个任务，连续处理1（）个任务时的实

7、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T=23Armaxpipeline吞吐率提高多少？解：（1）会发生流水线阻塞悄况。第1个任务S1S2S3S3S4第2个任务S1S2stallS3S3S4第3个任务S1stallS2stallS3S3S4第4个任务SIstallS2stallS3S3S4(2)段12345678910时间►11223344556677889910101234567891012345678910—i23△/△E=TP•5參=5%2=54.35%（3）重复设置部件AtAt1234567891

8、022446688101011335577991234567s91012345678910时间►=1.64吞吐率提咼倍数=14&3.17假设各种分支指令数占所有指令数的百分比如F：条件分支20%（其中的60%是分支成功的）跳转和调用5%现冇一条段数为4的流水线，无条件分支在笫二个时钟周期结束时就被解析出來，而条件分支要到第三个时钟周期结束时才能够被解析岀来。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？解：没有控制相关时流水线的平均CPI=1存在

9、控制相关时