計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)習(xí)題三及答案專升本高升專計(jì)算機(jī)高本下學(xué)期

1、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)習(xí)題三一、(10分)某臺主頻為400MHz的計(jì)算機(jī)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)測試程序，程序中指令類型、執(zhí)行數(shù)量和平均時(shí)鐘周期數(shù)如下：指令類型指令執(zhí)行數(shù)量平均時(shí)鐘周期數(shù)整數(shù)450001數(shù)據(jù)傳送750002浮點(diǎn)80004分支15002求該計(jì)算機(jī)的有效CPI、MIPS和程序CPU時(shí)間二、(10分)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有三個(gè)部件可以改進(jìn)，這三個(gè)部件的改進(jìn)加速比為：部件加速比1=30;部件加速比2=20;部件加速比3=10(1) 如果部件1和部件2在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間中所占的比例均為30%,那么當(dāng)部件3的比例為多少時(shí)，系統(tǒng)加速比才可以達(dá)到10?(2) 如果三個(gè)部件的所占比例分別為30%、30%和20%,三個(gè)部件同時(shí)改

2、進(jìn)，那么系統(tǒng)中不可加速部分的執(zhí)行時(shí)間在總執(zhí)行時(shí)間中占的比例是多少？三、(5分)根據(jù)CPU中保存操作數(shù)的存儲器類型，可以把指令集結(jié)構(gòu)分為哪些類型？四、(10分)在MIPS流水線上運(yùn)行如下代碼序列：LOOP:LWR1,0(R2)DADDIUR1,R1,#1SWR1,0(R2)DADDIUR2,R2,#4DSUBR4,R3,R2BNEZR4,LOOP其中：R3的初值是R2+396。假設(shè)：在整個(gè)代碼序列的運(yùn)行過程中，所有的存儲器訪問都是命中的，并且在一個(gè)時(shí)鐘周期中可對同一個(gè)寄存器在前半周期寫，而在后半周期讀。那么：(1) 在沒有任何其它定向(或旁路)硬件的支持下，請畫出該指令序歹U執(zhí)行的流水線時(shí)空圖。

3、假設(shè)采用暫停流水線的策略處理分支指令，且所有的存儲器訪問都命中Cach那么執(zhí)行上述循環(huán)需要多少個(gè)時(shí)鐘周期？(2) 假設(shè)該流水線有通常的定向路徑，請畫出該指令序歹U執(zhí)行的流水線時(shí)空圖。假設(shè)采用預(yù)測分支失敗的策略處理分支指令，且所有的存儲器訪問都命中Caches那么執(zhí)行上述循環(huán)需要多少個(gè)時(shí)鐘周期？(3) 假設(shè)該流水線有通常的定向路徑和一個(gè)時(shí)鐘周期的延遲分支，請對該循環(huán)中的指令進(jìn)行調(diào)度，你可以重新組織指令的順序，也可以修改指令的操作數(shù)，但是注意不能增加指令的條數(shù)。請畫出該指令序列執(zhí)行的流水線時(shí)空圖，并計(jì)算執(zhí)行上述循環(huán)所需要的時(shí)鐘周期數(shù)。五、（10分）假設(shè)某程序各種分支指令數(shù)占所有指令數(shù)的白分比如下：

4、條件分支20%（其中的60%是分支成功的）跳轉(zhuǎn)和調(diào)用5%現(xiàn)有一條段數(shù)為4的流水線，無條件分支在第2個(gè)時(shí)鐘周期結(jié)束時(shí)就被解析出來，而條件分支要到第3個(gè)時(shí)鐘周期結(jié)束時(shí)才能夠被解析出來。第一個(gè)流水段是完全獨(dú)立丁指令類型的，即所有類型的指令都必須經(jīng)過第一個(gè)流水段的處理。請問在沒有任何控制相關(guān)的情況下，該流水線相對丁存在上述控制相關(guān)情況下的加速比是多少？六、（10分）假設(shè)有一條長流水線，僅僅對條件分支指令使用分支目標(biāo)緩沖。其中分支預(yù)測錯(cuò)誤的開銷為4個(gè)時(shí)鐘周期，分支目標(biāo)緩沖不命中的開銷為3個(gè)時(shí)鐘周期。分支目標(biāo)緩沖命中率為90%，預(yù)測正確率為90%,分支指令占所有指令的比例為15%，沒有分支的基本CPI為1

5、。（1）求程序執(zhí)行的CPI。（2）相對丁采用固定的2個(gè)時(shí)鐘周期延遲的分支處理，哪種方法程序執(zhí)行速度更快？七、（10分）設(shè)指令流水線由取指令、分析指令和執(zhí)行指令3個(gè)部件構(gòu)成，每個(gè)部件經(jīng)過的時(shí)間為t,連續(xù)流入12條指令，假設(shè)沒有停頓。請分別畫出標(biāo)量流水處理機(jī)以及ILP均為4的超標(biāo)量處理機(jī)、超長指令字處理機(jī)、超流水處理機(jī)的時(shí)空圖，并分別計(jì)算它們相對丁標(biāo)量流水處理機(jī)的加速比。八、（10分）假設(shè)對指令Cache的訪問占全部訪問的75%;而對數(shù)據(jù)Cache的訪問占全部訪問的25%。Cache的命中時(shí)間為1個(gè)時(shí)鐘周期，失效開銷為50個(gè)時(shí)鐘周期，在混合Cache中一次load或store操作訪問Cache的命

6、中時(shí)間都要增加一個(gè)時(shí)鐘周期，32KB的指令Cache的失效率為0.39%,32KB的數(shù)據(jù)Cache的失效率為4.82%,64KB的混合Cache的失效率為1.35%。乂假設(shè)采用寫直達(dá)策略，且有一個(gè)寫緩沖器，并且忽略寫緩沖器引起的等待。試問指令Cache和數(shù)據(jù)Cache容量均為32KB的分離Cache和容量為64KB的混合Cache相比，（1）哪種Cache的失效率更低？（2）兩種情況下平均訪存時(shí)間各是多少？九、（10分）假設(shè)一臺計(jì)算機(jī)具有以下特性：（1）95%的訪存在Cache中命中；（2）塊大小為兩個(gè)字，且失效時(shí)整個(gè)塊被調(diào)入；（3）CPU發(fā)出訪存請求的速率為109字/s；（4）25%的訪存為

7、寫訪問；（5）存儲器的最大流量為109字/s（包括讀和寫）；（6）主存每次只能讀或?qū)懸粋€(gè)字；(7) 在任何時(shí)候,Cache中有30%的塊被修改過；(8) 寫失效時(shí)，Cache采用按寫分配法?，F(xiàn)欲給該計(jì)算機(jī)增添一臺外設(shè)，為此首先想知道主存的帶寬已用了多少。試對于以下兩種情況計(jì)算主存頻帶的平均使用比例。(1) 寫直達(dá)Cache；(2) 寫回法Cach&十、(10分)假設(shè)采用理想存儲器系統(tǒng)時(shí)的基本CPI是1.5,主存訪問的延遲是40個(gè)時(shí)鐘周期，傳輸速率為4字節(jié)/時(shí)鐘周期。Cache中50%的塊是修改過的，每個(gè)塊有32字節(jié)，20%的指令是數(shù)據(jù)訪存指令，25%的訪存為寫訪問。同時(shí)假設(shè)沒有寫緩存，在TLB

8、失效的情況下開銷為20時(shí)鐘周期，TLB不會降低Cache命中率。CPU產(chǎn)生的指令地址或數(shù)據(jù)地址有0.2%沒有在TLB中命中。(1) 在理想TLB情況下，計(jì)算均采用寫回法16KB直接映象混合Cacha16KB兩路組相聯(lián)混合Cache和32KB直接映象混合Cache機(jī)器的實(shí)際CPI;(2) 在實(shí)際TLB情況下，用(1)的結(jié)果，計(jì)算均采用寫回法16KB直接映象混合Cacha16KB兩路組相聯(lián)混合Cache和32KB直接映象混合Cache機(jī)器的實(shí)際CPI;另夕卜，假設(shè)16KB直接映象混合Cach816KB兩路組相聯(lián)混合Cache和32KB直接映象混合Cache的失效率分別為2.9%、2.2冊日2.0%

9、。H一、(5分)請簡述Tomasul。算法的基本思想。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)習(xí)題三答案十二、(10分)某臺主頻為400MHz的計(jì)算機(jī)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)測試程序，程序中指令類型、執(zhí)行數(shù)量和平均時(shí)鐘周期數(shù)如下：指令類型指令執(zhí)行數(shù)量平均時(shí)鐘周期數(shù)整數(shù)450001數(shù)據(jù)傳送750002浮點(diǎn)80004分支15002求該計(jì)算機(jī)的有效CPI、MIPS和程序CPU時(shí)間。答：(1)CPI=(45000X1+75000X2+8000X4+1500X2)/129500=1.776(或460)259(2) MIPS速率=f/CPI=400M/1.776=225.225MIPS(或180MIPS)259(3) 程序CPU時(shí)間=(45000

10、X1+75000X2+8000X4+1500X2)/400M=575s十三、(10分)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有三個(gè)部件可以改進(jìn)，這三個(gè)部件的改進(jìn)加速比為：部件加速比1=30;部件加速比2=20;部件加速比3=10(3) 如果部件1和部件2在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間中所占的比例均為30%,那么當(dāng)部件3的比例為多少時(shí)，系統(tǒng)加速比才可以達(dá)到10?(4)進(jìn),少？如果三個(gè)部件的所占比例分別為30%、30%和20%,三個(gè)部件同時(shí)改那么系統(tǒng)中不可加速部分的執(zhí)行時(shí)間在總執(zhí)行時(shí)間中占的比例是多答：(1)在多個(gè)部件可改進(jìn)情況下，Amdahl定理的擴(kuò)展：Sn(1GST已知Si=30,S2=20,S3=10,Sn=10,Fi=0.3,

11、F2=0.3,得:1011-(0.30.3F3)(0.3/300.3/20F3/10)得F3=0.36，即部件3的比例為36%。(2)設(shè)系統(tǒng)改進(jìn)前的執(zhí)行時(shí)間為T,則3個(gè)部件改進(jìn)前的執(zhí)行時(shí)間為：(0.3+0.3+0.2)T=0.8T,不可改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間為0.2T。已知3個(gè)部件的改進(jìn)加速比分別為Si=30,S2=20,S3=10,因此3個(gè)部件改進(jìn)后的執(zhí)行時(shí)間為：0.3T0.2T0.045T2010Tn=0.045T+0.2T=0.245T0.3TTn30改進(jìn)后整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行時(shí)間為：那么系統(tǒng)中不可改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間在總執(zhí)行時(shí)間中占的比例是:0.2T0.245T0.82十四、(5分)根據(jù)CPU中保

12、存操作數(shù)的存儲器類型，可以把指令集結(jié)構(gòu)分為哪些類型？答：可以分為堆棧型、累加器型、通用寄存器型3種。堆棧型：CPU中存儲操作數(shù)的單元是堆棧的指令集結(jié)構(gòu)。累加器型：CPU中存儲操作數(shù)的單元是累加器的指令集結(jié)構(gòu)。通用寄存器型：CPU中存儲操作數(shù)的單元是通用寄存器的指令集結(jié)構(gòu)。十五、(10分)在MIPS流水線上運(yùn)行如下代碼序列：LOOP:LWR1,0(R2)DADDIUR1,R1,#1SWR1,0(R2)DADDIUR2,R2,#4DSUBR4,R3,R2BNEZR4,LOOP其中：R3的初值是R2+396。假設(shè)：在整個(gè)代碼序列的運(yùn)行過程中，所有的存儲器訪問都是命中的，并且在一個(gè)時(shí)鐘周期中可對同一個(gè)

13、寄存器在前半周期寫，而在后半周期讀。那么：(4) 在沒有任何其它定向(或旁路)硬件的支持下，請畫出該指令序歹0執(zhí)行的流水線時(shí)空圖。假設(shè)采用暫停流水線的策略處理分支指令，且所有的存儲器訪問都命中Cach那么執(zhí)行上述循環(huán)需要多少個(gè)時(shí)鐘周期？(5) 假設(shè)該流水線有通常的定向路徑，請畫出該指令序歹U執(zhí)行的流水線時(shí)空圖。假設(shè)采用預(yù)測分支失敗的策略處理分支指令，且所有的存儲器訪問都命中Caches那么執(zhí)行上述循環(huán)需要多少個(gè)時(shí)鐘周期？(6) 假設(shè)該流水線有通常的定向路徑和一個(gè)時(shí)鐘周期的延遲分支，請對該循環(huán)中的指令進(jìn)行調(diào)度，你可以重新組織指令的順序，也可以修改指令的操作數(shù)，但是注意不能增加指令的條數(shù)。請畫出該

14、指令序列執(zhí)行的流水線時(shí)空圖，并計(jì)算執(zhí)行上述循環(huán)所需要的時(shí)鐘周期數(shù)。(1)無定向(旁路)硬件支持。暫停流水線處理分支指令12345678910111213141516171819202122LWIFIDEXMWBDADDIUIFSSIDEXMWBSWIFSSIDEXMWBDADDIUIFIDEXMWBDSUBIFSSIDEXMWBBNEZIFSSIDEXMWBLWIFSSIFIDEXMWB(2)第i次迭代（i=0.98）開始周期：1+（ix17）總的時(shí)鐘周期數(shù)：（98X17）+18=1684有通常定向路徑，預(yù)測分支失敗。指令123LWIFIDEXDADDIUIFIDSWIFDADDIUDSUBB

15、NEZLW45678910111131415MWBSEXMWBSIDEXMWBIFIDEXMWBIFIDEXMWBIFIDEXMWBIFmissmissIFIDEXMWB(3)1第i次迭代(i=0.98)開始周期：1+(ix10)總的時(shí)鐘周期數(shù)：(98X10)+11=991有通常定向路徑。單周期延遲分支。LOOP:LWR1,0(R2)DADDIUR2,R2,#4DADDIUR1,R1,#1DSUBR4,R3,R2BNEZR4,LOOPSWR1,-4(R2)第i次迭代(i=0.98)開始周期：1+(ix6)總的時(shí)鐘周期數(shù)：(98X6)+10=598指令1234567891011LWIFIDEXM

16、WBDADDIUIFIDEXMWBDADDIUIFIDEXMWBDSUBIFIDEXMWBBNEZIFIDEXMWBSWIFIDEXMWBLWIFIDEXMWB十六、（10分）假設(shè)某程序各種分支指令數(shù)占所有指令數(shù)的白分比如下:條件分支20%（其中的60%是分支成功的）1跳轉(zhuǎn)和調(diào)用5%現(xiàn)有一條段數(shù)為4的流水線，無條件分支在第2個(gè)時(shí)鐘周期結(jié)束時(shí)就被解析出來，而條件分支要到第3個(gè)時(shí)鐘周期結(jié)束時(shí)才能夠被解析出來。第一個(gè)流水段是完全獨(dú)立丁指令類型的，即所有類型的指令都必須經(jīng)過第一個(gè)流水段的處理。請問在沒有任何控制相關(guān)的情況下，該流水線相對丁存在上述控制相關(guān)情況下的加速比是多少？答：沒有控制相關(guān)時(shí)流水線的

17、平均CPI=1存在控制相關(guān)時(shí)：無條件分支在第2個(gè)時(shí)鐘周期結(jié)束時(shí)就被解析出來，而條件分支要到第3個(gè)時(shí)鐘周期結(jié)束時(shí)才能被解析出來，這意味著分支目標(biāo)地址可以在第2個(gè)時(shí)鐘周期計(jì)算出來(因?yàn)闊o條件分支只需要知道分支目標(biāo)即可)，而分支條件要到第3個(gè)時(shí)鐘周期才能判斷出來。因?yàn)轭}目未指定控制相關(guān)的解決方法，故假設(shè)采用暫停流水線、預(yù)測分支成功、預(yù)測分支失敗這3種方法。每種方法的分析如下：(1) 若使用暫停流水線的策略，則對于條件分支，有2個(gè)額外的stall,對無條件分支，有1個(gè)額外的stall:CPI=1+20%*2+5%*1=1.45加速比S=CPI/1=1.45(2) 若使用預(yù)測分支成功策略，則對于不成功的

18、條件分支，有2個(gè)額外的stall，對無條件分支和成功的條件分支，有1個(gè)額外的stall1：CPI=1+20%*(60%*1+40%*2)+5%*1=1.33加速比S=CPI/1=1.33(3) 若使用預(yù)測分支失敗策略，則對于成功的條件分支，有2個(gè)額外的stall;對無條件分支，有1個(gè)額外的stall；對不成功的條件分支，其目標(biāo)地址已經(jīng)由PC值給出，不必等待，所以無延遲：CPI=1+20%*(60%*2+40%*0)+5%*1=1.29加速比S=CPI/1=1.29十七、(10分)假設(shè)有一條長流水線，僅僅對條件分支指令使用分支目標(biāo)緩沖。其中分支預(yù)測錯(cuò)誤的開銷為4個(gè)時(shí)鐘周期，分支目標(biāo)緩沖不命中的開

19、銷為3個(gè)時(shí)鐘周期。分支目標(biāo)緩沖命中率為90%，預(yù)測正確率為90%,分支指令占所有指令的比例為15%，沒有分支的基本CPI為1。(3) 求程序執(zhí)行的CPI。(4) 相對于采用固定的2個(gè)時(shí)鐘周期延遲的分支處理，哪種方法程序執(zhí)行速度更快？答：(1)程序執(zhí)行的CPI=沒有分支的基本CPI(1)+分支帶來的額外開銷分支帶來的額外開銷是指在分支指令中，緩沖命中但預(yù)測錯(cuò)誤帶來的開銷與緩沖沒有命中帶來的開銷之和。(通常，在采用了分支目標(biāo)緩沖時(shí)，如果發(fā)生了分支目標(biāo)緩沖命中，那么會直接利用緩沖中的分支目標(biāo)地址進(jìn)行取指，即預(yù)測分支轉(zhuǎn)移，所以如果分支預(yù)測正確，那就沒有開銷。如果分支實(shí)際未發(fā)生轉(zhuǎn)移，那么就出現(xiàn)了預(yù)測錯(cuò)誤

20、，需要取消已取來的分支目標(biāo)處指令，重新從分支失敗處取指。根據(jù)題意，這種情況的開銷為4個(gè)時(shí)鐘周期。另一方面，如果分支目標(biāo)緩沖不命中，那么根據(jù)題意，開銷為3個(gè)時(shí)鐘周期)分支帶來的額外開銷=15%*(90%命中X10%預(yù)測錯(cuò)誤X4+10%沒命中X3)=0.099所以，程序執(zhí)行的CPI=1+0.099=1.099(2)采用固定的2個(gè)時(shí)鐘周期延遲的分支處理CPI=1+15%X2=1.3由(1)(2)可知分支目標(biāo)緩沖方法執(zhí)行速度快。十八、(10分)設(shè)指令流水線由取指令、分析指令和執(zhí)行指令3個(gè)部件構(gòu)成,每個(gè)部件經(jīng)過的時(shí)間為久t,連續(xù)流入12條指令，假設(shè)沒有停頓。請分別畫出標(biāo)量流水處理機(jī)以及ILP均為4的超標(biāo)

21、量處理機(jī)、超長指令字處理機(jī)、超流水處理機(jī)的時(shí)空圖，并分別計(jì)算它們相對丁標(biāo)量流水處理機(jī)的加速比。答：標(biāo)量流水處理機(jī)的時(shí)空圖：執(zhí)行完12條指令需Ti=14Ato超標(biāo)量流水處理機(jī)與超長指令字處理機(jī)的時(shí)空圖:超標(biāo)量處理機(jī)時(shí)空圖超長指令字處理機(jī)時(shí)空圖超標(biāo)量流水處理機(jī)中，每一個(gè)時(shí)鐘周期同時(shí)啟動4條指令。執(zhí)行完12條指令需T2=5At,相對丁標(biāo)量流水處理機(jī)的加速比為：T114tT35t52 二2.8T25t超長指令字處理機(jī)中，每4條指令組成一條長指令，共形成3條長指令。執(zhí)行完12條指令需T3=5At,相對丁標(biāo)量流水處理機(jī)的加速比為：cT114tCC53 2.8超流水處理機(jī)的時(shí)空圖:執(zhí)行分析取指I:455.7

22、5時(shí)間超流水處理機(jī)中，每1/4個(gè)時(shí)鐘周期啟動一條指令。執(zhí)行完12條指令需T4=5.75At,(第1條指令通過時(shí)間為3*t,其余11條指令每隔1/4*t完成1條，共2.75*t)相對丁標(biāo)量流水處理機(jī)的加速比為：2.435L14ts44T45.75t十九、(10分)假設(shè)對指令Cache的訪問占全部訪問的75%;而對數(shù)據(jù)Cache的訪問占全部訪問的25%。Cache的命中時(shí)間為1個(gè)時(shí)鐘周期，失效開銷為50個(gè)時(shí)鐘周期，在混合Cache中一次load或store操作訪問Cache的命中時(shí)間都要增加一個(gè)時(shí)鐘周期(即數(shù)據(jù)訪問命中要比指令讀取命中多1個(gè)時(shí)鐘周期，這是結(jié)構(gòu)相關(guān)導(dǎo)致的)，32KB的指令Cache的

23、失效率為0.39%,32KB的數(shù)據(jù)Cache的失效率為4.82%,64KB的混合Cache的失效率為1.35%。乂假設(shè)采用寫直達(dá)策略，且有一個(gè)寫緩沖器，并且忽略寫緩沖器引起的等待。試問指令Cache和數(shù)據(jù)Cache容量均為32KB的分離Cache和容量為64KB的混合Cache相比，(1)哪種Cache的失效率更低？(2)兩種情況下平均訪存時(shí)間各是多少？答：(1)根據(jù)題意，約75%的訪存為取指令。因此，分離Cache的總體失效率為：(75%x0.39%)+(25%x4.82%)=1.498%;容量為64KB的混合Cache的失效率略低一些，只有1.35%。(2)平均訪存時(shí)間公式可以分為指令訪問

24、和數(shù)據(jù)訪問兩部分：平均訪存時(shí)間=指令所占的白分比X(讀命中時(shí)間+讀失效率X失效開銷)+數(shù)據(jù)所占的白分比X(數(shù)據(jù)命中時(shí)間+數(shù)據(jù)失效率X失效開銷)所以，兩種結(jié)構(gòu)的平均訪存時(shí)間分別為：分離Cache的平均訪存時(shí)間=75%X(1+0.39%x50)+25%x(1+4.82%X50)=(75%X1.195)+(25%X3.41)=1.7488混合Cache的平均訪存時(shí)間=75%x(1+1.35%x50)+25%x(1+1+1.35%X50)=(75%X1.675)+(25%X2.675)=1.925因此，盡管分離Cache的實(shí)際失效率比混合Cache的高，但其平均訪存時(shí)間反而較低。分離Cache提供了兩

25、個(gè)端口，消除了結(jié)構(gòu)相關(guān)。二十、(10分)假設(shè)一臺計(jì)算機(jī)具有以下特性：(9) 95%的訪存在Cache中命中；(10) 塊大小為兩個(gè)字，且失效時(shí)整個(gè)塊被調(diào)入；(11) CPU發(fā)出訪存請求的速率為109字/s；(12) 25%的訪存為寫訪問；(13) 存儲器的最大流量為109字/s(包括讀和寫)；(14) 主存每次只能讀或?qū)懸粋€(gè)字；(15) 在任何時(shí)候，Cache中有30%的塊被修改過；(16) 寫失效時(shí)，Cache采用按寫分配法?，F(xiàn)欲給該計(jì)算機(jī)增添一臺外設(shè)，為此首先想知道主存的帶寬已用了多少。試對丁以下兩種情況計(jì)算主存頻帶的平均使用比例。(3) 寫直達(dá)Cache；(4) 寫回法Cach&答：采用

26、按寫分配(1)寫直達(dá)cache訪問命中，有兩種情況：讀命中，不訪問主存；寫命中，更新cache和主存，訪問主存1次。訪問失效，有兩種情況：讀失效，將主存中的塊調(diào)入cache中，訪問主存2次；寫失效，將要寫的塊調(diào)入cache,訪問主存2次，再將修改的數(shù)據(jù)寫入cache和主存，訪問主存1次，共3次。上述分析如下表所示。訪問命中訪問類型頻率訪存次數(shù)Y讀95%*75%=71.3%0Y寫95%*25%=23.8%1N讀5%*75%=3.8%2N寫5%*25%=1.3%3一次訪存請求的平均訪存次數(shù)=(71.3%*0)+(23.8%*1)+(3.8%*2)+(1.3%*3)=0.35已用帶寬=0.35X10

27、9/109=35.0%(2)寫回法cache訪問命中，有兩種情況：讀命中，不訪問主存；寫命中，不訪問主存。采用寫回法，只有當(dāng)修改的cache塊被換出時(shí)，才寫入主存；訪問失效,有一個(gè)塊將被換出，這也有兩種情況：如果被替換的塊沒有修改過，將主存中的塊調(diào)入cache塊中，訪問主存2次；如果被替換的塊修改過，則首先將修改的塊寫入主存，需要訪問主存2次；然后將主存中的塊調(diào)入cache塊中，需要訪問主存2次，共4次訪問主存。訪問命中塊為臟頻率訪存次數(shù)YN95%*70%=66.5%0YY95%*30%=28.5%0NN5%*70%=3.5%2NY5%*30%=1.5%4所以：一次訪存請求的平均訪存次數(shù)=66

28、.5%*0+28.5%*0+3.5%*2+1.5%*4=0.13已用帶寬=0.13X109/109=13%二十一、（10分）假設(shè)采用理想存儲器系統(tǒng)時(shí)的基本CPI是1.5,主存訪問的延遲是40個(gè)時(shí)鐘周期，傳輸速率為4字節(jié)/時(shí)鐘周期（此處暗示對丁主存訪問時(shí)間的計(jì)算需要根據(jù)數(shù)據(jù)大小和傳輸速率來計(jì)算，即主存訪問時(shí)間=主存延遲+數(shù)據(jù)大小/傳輸速率）。Cache中50%的塊是修改過的，每個(gè)塊有32字節(jié)，20%的指令是數(shù)據(jù)訪存指令，25%的訪存為寫訪問。同時(shí)假設(shè)沒有寫緩存，在TLB失效的情況下開銷為20時(shí)鐘周期，TLB不會降低Cache命中率。CPU產(chǎn)生的指令地址或數(shù)據(jù)地址有0.2%沒有在TLB中命中。（3

29、）在理想TLB情況下，計(jì)算均采用寫回法16KB直接映象混合Cacha16KB兩路組相聯(lián)混合Cache和32KB直接映象混合Cache機(jī)器的實(shí)際CPI;（4）在實(shí)際TLB情況下，用（1）的結(jié)果，計(jì)算均采用寫回法16KB直接映象混合Cacha16KB兩路組相聯(lián)混合Cache和32KB直接映象混合Cache機(jī)器的實(shí)際CPI;另夕卜，假設(shè)16KB直接映象混合Cach816KB兩路組相聯(lián)混合Cache和32KB直接映象混合Cache的失效率分別為2.9%、2.2冊日2.0%。答：CPI=CPI執(zhí)行+存儲停頓周期總數(shù)/指令總數(shù)存儲停頓由下列原因引起：TLB失效，從主存中讀取貞表項(xiàng)取指令Cache失效，從主

30、存中取指load和store指令訪問數(shù)據(jù)Cache失效，從主存中讀寫數(shù)據(jù)（注意：采用TLB意味著訪存的過程需要進(jìn)行虛擬-物理內(nèi)存地址轉(zhuǎn)換。我們假設(shè)Cache使用的是物理內(nèi)存地址，那么訪存過程是：首先，CPU發(fā)出的虛擬地址去查找TLB,如果TLB命中，則直接取得貞表項(xiàng)，進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換，獲得物理地址。否則需要從主存載入貞表項(xiàng)，然后轉(zhuǎn)換得到物理地址。然后，利用轉(zhuǎn)換得到的物理地址去訪問Cache,如果Cache命中，則直接返回。如果Cache缺失，則從主存載入數(shù)據(jù)或指令。因此，存儲停頓發(fā)生在TLB失效，取指Cache失效，訪問數(shù)據(jù)Cache失效這三種情況。）以Mem_Stalls表示存儲停頓周期總數(shù)，以

31、IC表示指令總數(shù)，以Inst_Stalls表示取指停成期總數(shù)，以Data_Stalls表示數(shù)據(jù)訪問停頓周期總數(shù)，以TLB_Stalls表小TLB失效引起的停頓周期總數(shù)。MemStallsInstStallsDataStallsTLBStallsICICICICInstStallsICAnstMPnstMmstPInst其中，AInst是取指總數(shù)。由丁每條指令都要取指一次，因此AInst=IC。MInst和PInst分別是取指時(shí)Cache缺失率和缺失開銷。11ADataMDataPDataADataICIVIDataPDataICICAData其中，是數(shù)據(jù)訪I可總數(shù)除以指令總數(shù)，即平均每指令數(shù)據(jù)

32、訪I可次數(shù)。根據(jù)ICAData題意，指令中有20%是數(shù)據(jù)項(xiàng)可指令，因此，=20%0MData和PData分別是ICPData分別要根據(jù)讀/寫TLBStalls（1）對丁理想TLB,TLB無失效。因此，90IC樣的。數(shù)據(jù)訪問時(shí)Cache缺失率和缺失開銷。在后面，可以看到操作來計(jì)算。IC對丁混合Cache,取指令和數(shù)據(jù)讀/寫的Cache缺失率是PInst=主存延遲+傳輸1個(gè)Cache數(shù)據(jù)塊需要使用的時(shí)間=40+32/4=48（周期）若為讀失效，失效開銷PReadF主存延遲+傳輸1個(gè)Cache數(shù)據(jù)塊需要使用的時(shí)間=40+32/4=48（周期）若為寫失效，且塊是干凈的，失效開銷為PWrite_clean=主存延遲+傳輸1個(gè)Cache數(shù)據(jù)塊需要使用的時(shí)間=40+32/4=48（周期）若為寫失效，且塊是修改過的，需要先把修改過的塊寫到主存，再載入新數(shù)據(jù)塊，失效開銷為PWrite_dirty=主存延遲