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湖南大学-自算计体系结构
五、假设某程序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2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？
六、假设有一条长流水线，仅仅对条件分支指令使用分支目标缓冲。其中分支预测错误的开销为4个时钟周期，分支目标缓冲不命中的开销为3个时钟周期。分支目标缓冲命中率为90%，预测正确率为90%，分支指令占所有指令的比例为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？
七、（10分）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，假设没有停顿。请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。
一、（5分）计算机系统设计中经常使用的4个定量原理是什么？请简要说明它们的含义。
二、假设某应用程序中有4类操作，通过改进各类操作的功能部件，可获得不同的性能提高。具体数据如下表所示： 操作类型 程序中的数量 （百万条指令） 改进前的执行时间 （周期） 改进后的执行时间 （周期） 操作1 10 2 1 操作2 30 20 15 操作3 35 10 3 操作4 15 4 1 （1）改进后，各类操作的加速比分别是多少？ （2）各类操作单独改进后，程序获得的加速比分别是多少？ （3）4类操作均改进后，整个程序的加速比是多少？
三、请简述指令之间数据冲突的类型。
五、下面一段MIPS汇编程序是计算高斯消去法中的关键一步，用于完成下面公式的计算： Y = a X + Y 其浮点指令延迟如下表所示： 整数指令均为1个时钟周期完成，浮点和整数部件均采用流水。整数操作之间以及与其它所有浮点操作之间的延迟为0，转移指令的延迟为0。 X中的最后一个元素存放在存储器中的地址为DONE。 FOO: L.D F2, 0(R1) MUT.D F4, F2, F0 L.D F6, 0(R2) ADD.D F6, F4, F6 S.D F6, 0[R2] DADDIU R1, R1, #8 DADDIU R2, R2, #8 DSUBIU R3, R1, #DONE BNEZ R3, FOO (1)对于标准的MIPS单流水线，上述循环计算一个Y值需要多少时间？其中有多少空转周期？ (2)对于标准的MIPS单流水线，将上述循环顺序展开4次，不进行任何指令调度，计算一个Y值平均需要多少时间？加速比是多少？其加速是如何获得的？ (3)对于标准的MIPS单流水线，将上述循环顺序展开4次，优化和调度指令，使循环处理时间达到最优，计算一个Y值平均需要多少时间？加速比是多少？
六、（5分）写出三级Cache的平均访问时间的公式。
七、（10分）高速缓存（Cache）是现代计算机存储系统重要的层次之一。假设一个2GHz，32位的处理器有32KB的直接映射L1 Cache和256KB的2路组相联L2 Cache。各级Cache都采用32B的块大小。（1）请说明对于L1和L2 Cache而言，32位的地址中标记（tag），索引（index）和偏移（offset）字段分别是多少位；（2）假设L1 Cache命中需要2个时钟周期完成访问操作，命中率为80%。L2 Cache命中需要10个时钟周期，命中率99%。若L2 Cache缺失，则需100个时钟周期从内存获取数据。请计算该机器存储系统平均访问时间。
八、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？
九、）在有Cache的计算机系统中，当I/O设备与主存直接交换数据时，可能会产生哪些数据不一致问题？如何解决？
（5分）请简述多处理机的Cache一致性问题，并简要说明解决多处理机Cache一致性问题的监听协议和目录协议的工作原理。
十一、（5分）通道有哪几种？请比较这几种通道的优缺点及适用场合。
（5分）请比较可用于动态互连网络的总线、交叉开关和多级开关的硬件复杂度和带宽。
六、假设有一条长流水线，仅仅对条件分支指令使用分支目标缓冲。其中分支预测错误的开销为4个时钟周期，分支目标缓冲不命中的开销为3个时钟周期。分支目标缓冲命中率为90%，预测正确率为90%，分支指令占所有指令的比例为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？
七、（10分）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，假设没有停顿。请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。
一、（5分）计算机系统设计中经常使用的4个定量原理是什么？请简要说明它们的含义。
二、假设某应用程序中有4类操作，通过改进各类操作的功能部件，可获得不同的性能提高。具体数据如下表所示： 操作类型 程序中的数量 （百万条指令） 改进前的执行时间 （周期） 改进后的执行时间 （周期） 操作1 10 2 1 操作2 30 20 15 操作3 35 10 3 操作4 15 4 1 （1）改进后，各类操作的加速比分别是多少？ （2）各类操作单独改进后，程序获得的加速比分别是多少？ （3）4类操作均改进后，整个程序的加速比是多少？
三、请简述指令之间数据冲突的类型。
五、下面一段MIPS汇编程序是计算高斯消去法中的关键一步，用于完成下面公式的计算： Y = a X + Y 其浮点指令延迟如下表所示： 整数指令均为1个时钟周期完成，浮点和整数部件均采用流水。整数操作之间以及与其它所有浮点操作之间的延迟为0，转移指令的延迟为0。 X中的最后一个元素存放在存储器中的地址为DONE。 FOO: L.D F2, 0(R1) MUT.D F4, F2, F0 L.D F6, 0(R2) ADD.D F6, F4, F6 S.D F6, 0[R2] DADDIU R1, R1, #8 DADDIU R2, R2, #8 DSUBIU R3, R1, #DONE BNEZ R3, FOO (1)对于标准的MIPS单流水线，上述循环计算一个Y值需要多少时间？其中有多少空转周期？ (2)对于标准的MIPS单流水线，将上述循环顺序展开4次，不进行任何指令调度，计算一个Y值平均需要多少时间？加速比是多少？其加速是如何获得的？ (3)对于标准的MIPS单流水线，将上述循环顺序展开4次，优化和调度指令，使循环处理时间达到最优，计算一个Y值平均需要多少时间？加速比是多少？
六、（5分）写出三级Cache的平均访问时间的公式。
七、（10分）高速缓存（Cache）是现代计算机存储系统重要的层次之一。假设一个2GHz，32位的处理器有32KB的直接映射L1 Cache和256KB的2路组相联L2 Cache。各级Cache都采用32B的块大小。（1）请说明对于L1和L2 Cache而言，32位的地址中标记（tag），索引（index）和偏移（offset）字段分别是多少位；（2）假设L1 Cache命中需要2个时钟周期完成访问操作，命中率为80%。L2 Cache命中需要10个时钟周期，命中率99%。若L2 Cache缺失，则需100个时钟周期从内存获取数据。请计算该机器存储系统平均访问时间。
八、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？
九、）在有Cache的计算机系统中，当I/O设备与主存直接交换数据时，可能会产生哪些数据不一致问题？如何解决？
（5分）请简述多处理机的Cache一致性问题，并简要说明解决多处理机Cache一致性问题的监听协议和目录协议的工作原理。
十一、（5分）通道有哪几种？请比较这几种通道的优缺点及适用场合。
（5分）请比较可用于动态互连网络的总线、交叉开关和多级开关的硬件复杂度和带宽。