體系結(jié)構(gòu)課后習(xí)題答案

1、3.某模型機(jī)有10條指令li-lio,它們的使用頻度分別為，。計(jì)算采用等長(zhǎng)操作碼表示時(shí)的信息冗余量。要求操作碼的平均長(zhǎng)度最短，試設(shè)計(jì)操作碼的編碼，并計(jì)算所設(shè)計(jì)操作碼的平均長(zhǎng)度。只有二種碼長(zhǎng)，試設(shè)計(jì)平均碼長(zhǎng)最短的擴(kuò)展操作碼編碼并計(jì)算平均碼長(zhǎng)。只有二種碼長(zhǎng)，試設(shè)計(jì)平均碼長(zhǎng)最短的等長(zhǎng)擴(kuò)展碼編碼并計(jì)算平均碼長(zhǎng)。3.(1)采用等長(zhǎng)操作碼表示時(shí)的信息冗余量為(2) 操作碼的Huffman編碼法如表所示，此種編碼的平均碼長(zhǎng)為位。表 操作碼的Huffman編碼法、2-5擴(kuò)展碼和2-4等長(zhǎng)擴(kuò)展碼編碼法指令指令使用 頻度PiHuffman 編碼操作碼長(zhǎng)度l i2-5擴(kuò)展碼操作碼長(zhǎng)度li2-4等長(zhǎng)擴(kuò)展碼操作碼長(zhǎng)度l

2、 iI 10 020 020 02I 21 020 120 12I 30 1 031 021 0 0 04I 40 1 131 1 0 0 051 0 0 14I 51 1 031 1 0 0 151 0 1 04I 61 1 1 0 051 1 0 1 051 0 1 14I 71 1 1 0 151 1 0 1 151 1 0 04I 81 1 1 1 051 1 1 0 051 1 0 14I 91 1 1 1 1 061 1 1 0 151 1 1 04I 101 1 1 1 1 161 1 1 1 051 1 1 14(3) 操作碼的2-5擴(kuò)展碼編碼法如表所示，此種編碼的平均碼長(zhǎng)為位

3、。(4) 操作碼的2-4等長(zhǎng)擴(kuò)展碼編碼法如表所示，此種編碼的平均碼長(zhǎng)為位。.若某機(jī)設(shè)計(jì)有如下格式的指令：三地址指令12種，一地址指令254種，設(shè)指令字的長(zhǎng)度為 16位，每個(gè)地址碼字段的位數(shù)均為4位。若操作碼的編碼采用擴(kuò)展操作碼，問二地址指令最多可以設(shè)計(jì)多少種.二地址指令最多可以設(shè)計(jì) 48種。.一臺(tái)模型機(jī)共有9條指令I(lǐng)1l9,各指令的使用頻度分別為 30% 20%, 20% 10% 8%, 6%, 3% 2%, 1% 該模型機(jī)有8位和16位兩種指令字長(zhǎng)。8位字長(zhǎng)指令為寄存器-寄存器(R-R)二地址類型，16位字長(zhǎng)指令 為寄存器-存儲(chǔ)器(R-MD二地址變址尋址類型。試設(shè)計(jì)有二種碼長(zhǎng)的擴(kuò)展操作碼，使

4、其平均碼長(zhǎng)最短，并計(jì)算此種編碼的平均碼長(zhǎng)。在(1)的基礎(chǔ)上，該機(jī)允許使用多少個(gè)可編址的通用寄存器若采用通用寄存器作為變址寄存器，試設(shè)計(jì)該機(jī)的兩種指令格式，并標(biāo)出各字段的位數(shù)。計(jì)算變址尋址的偏移地址范圍。6.(1)操作碼的2-5擴(kuò)展碼編碼法如表所示，此種編碼的平均碼長(zhǎng)為位。表操作碼的Huffman編碼法和2-4等長(zhǎng)擴(kuò)展碼編碼法指令指令使用頻度Pi2-5擴(kuò)展碼操作碼長(zhǎng)度liI 10 02I 20 12I 31 02I 41 1 0 0 05I 51 1 0 0 15I 61 1 0 1 05I 71 1 0 1 15I 81 1 1 0 05I 91 1 1 0 15(2) 在(1)的基礎(chǔ)上，該機(jī)

5、允許使用 8個(gè)可編址的通用寄存器。(3)該機(jī)的兩種指令格式及各字段的位數(shù)如下：(4)變址尋址的偏移地址范圍為 -16+15。3,假設(shè)高速緩存Cache工作速度為主存的5倍，且Cache被訪問命中的概率為，則采用 Cache后， 能使整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)獲得的加速比是多少3, 3,57.某機(jī)是由Cache和主存組成的二級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)，Cache的存取時(shí)間t c=20ns,主存的存取時(shí)間tm=80ns, Cache分為指令Cache和數(shù)據(jù)Cache,指令Cache的命中率為，數(shù)據(jù)Cache的命中率為。假設(shè)在所有的訪存 操作中有20%是訪問指令體，求系統(tǒng)等效的存取時(shí)間。4. 22.16ns.如圖所示的三級(jí)存儲(chǔ)系

6、統(tǒng)，若M、M2、M的訪問時(shí)間分別為 20ns、80ns和2000ns。M、M的命中率分別為和，則存儲(chǔ)器系統(tǒng)的等效訪問時(shí)間為多少圖三級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)5.6,完成一個(gè)兩級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)的容量規(guī)劃。第一層M是高速緩存，其容量可為 64KB 128KB和256KR第二層M是容量為4MB的主存。設(shè) c和cz分別是M和M2的每字節(jié)成本，而 3和tz分別是CP期問M和M時(shí)的存 取時(shí)間。假設(shè)c1=20c2, t2=10t1,而高速緩存在上述 3種容量時(shí)的命中率分別為、和。假設(shè)t1=20ns,當(dāng)高速緩存的容量分別為上述 3種假設(shè)時(shí)的平均存取時(shí)間ta是多少當(dāng)c2=$KB時(shí)，分別求整個(gè)存儲(chǔ)器系統(tǒng)的平均成本。比較這3種存儲(chǔ)層次結(jié)

7、構(gòu)，并對(duì)平均成本和平均存取時(shí)間分別進(jìn)行排序，根據(jù)平均成本和平均存取時(shí)間的乘積值，選擇最優(yōu)設(shè)計(jì)。6.(1)當(dāng)M的容量為64KB時(shí)，平均存取時(shí)間ta=74ns；當(dāng)M的容量為128KB時(shí)，平均存取時(shí)間ta=38ns；當(dāng)M的容量為256KB時(shí)，平均存取時(shí)間ta=。c=$KB;當(dāng)M的容量為64KB時(shí)，整個(gè)存儲(chǔ)器系統(tǒng)的平均成本當(dāng)M的容量為128KB時(shí)，整個(gè)存儲(chǔ)器系統(tǒng)的平均成本c=$KB;當(dāng)M的容量為256KB時(shí)，整個(gè)存儲(chǔ)器系統(tǒng)的平均成本c=$KR第三種方案為最優(yōu)設(shè)計(jì)7.假設(shè)在一個(gè)由Cache和主存構(gòu)成的兩級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)中，h1、t八s1和c分別為CPU方問Cache的命中率、Cache 的存取時(shí)間、存儲(chǔ)容量和

8、每字節(jié)成本，t2、s2和c2分別為主存的存取時(shí)間、存儲(chǔ)容量和每字節(jié)成本。若 h1=、 t1=20ns、s1=512KB c=$10/KB及c?=$5/KB, t?和s?未知，而整個(gè)存儲(chǔ)器系統(tǒng)的預(yù)算上限為 $15000。推導(dǎo)此存儲(chǔ)器系統(tǒng)的等效存取時(shí)間t a的公式。推導(dǎo)此存儲(chǔ)器系統(tǒng)的總成本公式。在不超出預(yù)算的前提下，s2的最大值為多少 KB為了使ta=40ns,主存的存取時(shí)間12應(yīng)為多少ns7.(1)t a=19+ (2)C total =5120+5s2 (3)1976KB (4)420ns8.有16個(gè)存儲(chǔ)器模塊，每個(gè)模塊的容量為4MB字長(zhǎng)為32位?，F(xiàn)在要用這16個(gè)存儲(chǔ)器模塊構(gòu)成一個(gè)主存儲(chǔ)器，有

9、如下二種組織方式：方式1: 16個(gè)存儲(chǔ)器模塊用高位交叉方式構(gòu)成存儲(chǔ)器;方式2: 16個(gè)存儲(chǔ)器模塊用低位交叉方式構(gòu)成存儲(chǔ)器。寫出訪問各種存儲(chǔ)器的地址格式；比較各種存儲(chǔ)器的優(yōu)缺點(diǎn)；不考慮訪問沖突，計(jì)算各種存儲(chǔ)器的頻帶寬度；畫出各種存儲(chǔ)器的邏輯示意圖。.(1)方式1 (高位交叉)的存儲(chǔ)器的地址格式為：4 位20位模塊選擇字地址方式2 (低位交叉)的存儲(chǔ)器的地址格式為:20 位字地址模塊選擇方式1 (高位交叉)的存儲(chǔ)器的優(yōu)點(diǎn)為：當(dāng)多處理機(jī)發(fā)出的訪存地址的高4位均不相同時(shí)，可對(duì)共享存儲(chǔ)器內(nèi)的不同存儲(chǔ)體進(jìn)行同時(shí)存取，這種存儲(chǔ)器一般適合于共享存儲(chǔ)器的多處理機(jī)系統(tǒng)；缺點(diǎn)為：當(dāng) 多處理機(jī)發(fā)出的訪存地址的高4位均

10、相同時(shí)，便產(chǎn)生了存儲(chǔ)器的分體沖突，此時(shí)的存儲(chǔ)器的頻寬與單體存儲(chǔ)器的相同。方式2 (低位交叉)的存儲(chǔ)器的優(yōu)點(diǎn)為：當(dāng)處理機(jī)依次發(fā)出的訪存地址的低4位均不相同時(shí)，可對(duì)存儲(chǔ)器內(nèi)的不同存儲(chǔ)體進(jìn)行并行存取，這種存儲(chǔ)器一般適合于單處理機(jī)內(nèi)的高速數(shù)據(jù)存取及帶Cache的主存;缺點(diǎn)為：當(dāng)處理機(jī)依次發(fā)出的訪存地址的低4位均相同時(shí)，便產(chǎn)生了存儲(chǔ)器的分體沖突，此時(shí)的存儲(chǔ)器的頻寬與單體存儲(chǔ)器的相同。若不考慮訪問沖突，二種方式的存儲(chǔ)器的頻帶寬度均為64字節(jié)/存儲(chǔ)周期；(4)二種存儲(chǔ)器的邏輯示意圖類似課本第3章圖和圖。.在一個(gè)具有8個(gè)存儲(chǔ)體的低位多體交叉存儲(chǔ)器中，如果處理器的訪存地址為以下8進(jìn)制或16進(jìn)制值，分別求該存儲(chǔ)器

11、的平均訪問速率為單體存儲(chǔ)器的多少倍。(忽略初啟時(shí)的延遲)(1)10018、10028、10038、11008(2)10028、10048、10068、12008(3)1003- 1006伯、1009伯、1300169.(1)8 ; (2)4 ; (3)811.在頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器中，一個(gè)程序由P1P5共5個(gè)頁(yè)面組成。在程序執(zhí)行過程中依次訪問到的頁(yè)面如下： P2, P3, P2, P1, P5, P2, P4, P5, P3, P2, P5, P2假設(shè)系統(tǒng)分配給這個(gè)程序的主存有3個(gè)頁(yè)面，分別采用FIFO、LRU和OPT三種頁(yè)面替換算法對(duì)這 3頁(yè)主存進(jìn)行調(diào)度。分別畫出這三種替換算法對(duì)同一頁(yè)地址流的調(diào)度

12、過程，并計(jì)算每種替換算法獲得的命中率。11.FIFO替換算法對(duì)頁(yè)地址流的調(diào)度過程如圖所示。圖FIFO替換算法對(duì)頁(yè)地址流的調(diào)度過程采用FIFO替換算法的頁(yè)命中率為。LRU替換算法對(duì)頁(yè)地址流的調(diào)度過程如圖所示。圖LRU替換算法對(duì)頁(yè)地址流的調(diào)度過程采用LRU替換算法的頁(yè)命中率為。OPT替換算法對(duì)頁(yè)地址流的調(diào)度過程如圖所示。圖OPT替換算法對(duì)頁(yè)地址流的調(diào)度過程 采用OPT替換算法的頁(yè)命中率為。16.假設(shè)在一個(gè)采用組相聯(lián)映象的 Cache存儲(chǔ)器中，Cache的容量為1KB,要求Cache的每一塊在一個(gè)主存 周期內(nèi)能從主存取得。主存采用模 32交叉，每個(gè)分體的寬度為 64位，主存的總?cè)萘繛?4MB采用按地

13、址 訪問存儲(chǔ)器構(gòu)成的相聯(lián)目錄表，實(shí)現(xiàn)主存地址到Cache地址的變換，并約定采用 2個(gè)外相等比較電路。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)主存地址格式和 Cache地址格式，并標(biāo)出各段的位數(shù)；若替換算法采用LRU算法，對(duì)于如下主存塊地址流：1、4、1、4、7、1、9、4、27、7,如主存中內(nèi)容一開始未裝入 Cache中，請(qǐng)列出隨時(shí)間變化 Cache中各塊的使用狀況，求出此期間Cache的塊命中率。 16.(1) 主存地址格式如下：隨時(shí)間變化Cache中各塊的使用狀況如圖所示。圖隨時(shí)間變化Cache中各塊的使用狀況此期間Cache的塊命中率為。17.一個(gè)組相聯(lián)映象 Cache由64個(gè)存儲(chǔ)塊構(gòu)成，每組包含 4個(gè)存儲(chǔ)塊，主存包含

14、4096個(gè)存儲(chǔ)塊，每 塊由128字組成，訪存地址為字地址。設(shè)計(jì)主存地址格式和Cache地址格式并標(biāo)出各字段的位數(shù)。17.主存地址格式如下：20.設(shè)某計(jì)算機(jī)的Cache-主存存儲(chǔ)層次采用組相聯(lián)映象和LRU替換算法，已知主存容量為1MB Cache容量為8KB,按4字塊分組，每個(gè)字塊的長(zhǎng)度為8個(gè)字(32位/字)。假設(shè)Cache起始內(nèi)容為空，CPlM主存單元0, 1, 2,，2079依次讀出2080個(gè)字，并重復(fù)此一讀數(shù)序列共 5次。問Cache的地址命中率為 多少20.3.指令的解釋方式采用順序、一次重疊和流水，其主要差別在什么地方流水方式與完全重復(fù)增加多 套解釋部件的方式相比各有什么優(yōu)缺點(diǎn)3.指令

15、的解釋方式采用順序、一次重疊和流水，其主要差別在于可并行解釋指令的條數(shù)；流水方式 與完全重復(fù)增加多套解釋部件的方式相比，其優(yōu)點(diǎn)是省硬件、成本低，但缺點(diǎn)是控制復(fù)雜，要解決好指令 相關(guān)、數(shù)據(jù)相關(guān)，以及流水線的中斷等問題。5.一臺(tái)非流水處理器 X的時(shí)鐘頻率為25MHz平均CPI為4。處理器丫是對(duì)X機(jī)的改進(jìn)，它有一條5級(jí)流水 線，各級(jí)經(jīng)過的時(shí)間為一個(gè)時(shí)鐘周期。但由于鎖定器延遲和時(shí)鐘扭斜效應(yīng)，其時(shí)鐘頻率僅為20MHZ若含有100條指令的程序運(yùn)行在兩臺(tái)處理機(jī)上時(shí)，假設(shè)每條指令之間不發(fā)生任何相關(guān)，求處理機(jī)Y相對(duì)于處理機(jī)X的加速比為多少計(jì)算執(zhí)行此程序時(shí)每臺(tái)處理機(jī)的MIPS速率。5.(1)；(2)X處理機(jī)的MI

16、PS速率為；Y處理機(jī)的MIPS速率為。9.已知一條由5個(gè)功能段組成的浮點(diǎn)加法流水線，每個(gè)功能段的延遲時(shí)間均為t,流水線的輸出端和輸入端之間有直接數(shù)據(jù)通路，而且設(shè)置有足夠的緩沖寄存器。要求用盡可能短的時(shí)間完成計(jì)算 ，畫出流 水線時(shí)-空?qǐng)D，并計(jì)算流水線的實(shí)際吞吐率、加速比和效率。9.流水線時(shí)-空?qǐng)D如圖所示；流水線的實(shí)際吞吐率、加速比和效率分別為3/(7 At) 和 o10.一條線性靜態(tài)多功能流水線由6個(gè)功能段組成，加法操作使用其中的1、2、3、6功能段，乘法操作使用其中的1、4、5、6功能段，每個(gè)功能段的延遲時(shí)間均為t。流水線的輸入端與輸出端之間有直接數(shù)據(jù)通路，而且設(shè)置有足夠的緩沖寄存器?，F(xiàn)在用這

17、條流水線計(jì)算，畫出流水線時(shí)-空?qǐng)D，并計(jì)算流水線的實(shí)際吞吐率、加速比和效率。10.流水線時(shí)-空?qǐng)D如圖所示；流水線的實(shí)際吞吐率、加速比和效率分別為1/(2 At)、2和。13.已知一流水線有5個(gè)功能段，依次分別為 S1、S2、S3、S4、S5,其中流經(jīng)S2需要2 At的時(shí)間，流經(jīng) S4需要3At的時(shí)間，其余各段所需時(shí)間均為t?，F(xiàn)有6個(gè)任務(wù)流入流水線，要求：求流水線的實(shí)際吞吐率和效率；若把S2段進(jìn)一步細(xì)分，S4段并聯(lián)，令流水線最大吞吐率為1/ At ,畫出流水線時(shí)-空?qǐng)D，并求流水線的效率。13.(1)流水線的實(shí)際吞吐率為 6/(23 At);效率為% o流水線時(shí)-空?qǐng)D如圖所示；流水線的效率為 % o

18、14.在一個(gè)5段的流水線處理機(jī)上需經(jīng) 9拍才能完成一個(gè)任務(wù)，其預(yù)約表如圖所示，分別寫出延遲禁止表、 沖突向量，并求出最小平均延遲、流水線的最大吞吐率及其調(diào)度方案。若按此調(diào)度方案輸入6個(gè)任務(wù)，求實(shí)際吞吐率TP。圖預(yù)約表14.延遲禁止表 F=1 , 3, 4, 8;沖突向量C=;最小平均延遲為拍；調(diào)度方案為(2 , 5);實(shí)際吞吐率TP=6/(25拍)。4.設(shè)32個(gè)處理器的編號(hào)分別為 0、1、2、31,用單級(jí)互連網(wǎng)絡(luò)互連，若互連函數(shù)為：(1)Cube 3(2)PM2 +3(3)PM2 -4(4)Shuffle(5)Butterfly(6)Shuffle(Shuffle)Shuffle(Cube o

19、(PM2i)時(shí)，第11號(hào)處理器各與哪一個(gè)處理器相連.(1)3 ;(2)19;(3)27;(4)22;(5)26;(6)13 ;(7)16.在有8個(gè)處理器的混洗交換網(wǎng)絡(luò)中，若要使第0號(hào)處理器與第5號(hào)處理器相連需要經(jīng)過多少次混洗和多少交換以連接圖的形式表明其變化過程。5.需要經(jīng)過2次混洗和2次交換，其連接圖如圖所示。圖 實(shí)現(xiàn)第0號(hào)處理器與第5號(hào)處理器相連的連接圖6.一個(gè)N=8的混洗交換網(wǎng)絡(luò)如圖所示。試問此網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)度為多少網(wǎng)絡(luò)直徑為多少網(wǎng)絡(luò)的等分帶寬為 多少6.此網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)度為4;網(wǎng)絡(luò)直徑為5;網(wǎng)絡(luò)的等分帶寬為 4條鏈路的帶寬之和。13.試在含一個(gè)PE的SISD機(jī)和在含8個(gè)PE且連接成一線性環(huán)的SIM

20、D機(jī)上計(jì)算下列求內(nèi)積的表達(dá)式：假定完成每次加操作需 2個(gè)單位時(shí)間，完成每次乘操作需4個(gè)單位時(shí)間，沿雙向環(huán)在相鄰PE間移數(shù)需 1個(gè)單位時(shí)間。(1)SISD計(jì)算機(jī)上計(jì)算S的時(shí)間是多少(2)SIMD計(jì)算機(jī)上計(jì)算S的時(shí)間是多少(3) 用SIMD機(jī)計(jì)算S相對(duì)于SISD機(jī)計(jì)算的加速比是多少13.(1)190 個(gè)單位時(shí)間；(2)32 個(gè)單位時(shí)間；(3)17.當(dāng)編號(hào)分別為0、1、2、15的16個(gè)處理器之間，要求按下列配對(duì)通信：(12,7), (1,10), (15,4), (5,14), (8,3), (6,13), (11,0), ( 2,9 )。試選擇互連網(wǎng)絡(luò)類型、控制方式，并畫出該互連網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和各

21、級(jí)交換開關(guān)狀態(tài)圖。17.采用4級(jí)立方體網(wǎng)絡(luò)，級(jí)控制?；ミB網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和各級(jí)開關(guān)的狀態(tài)設(shè)置如圖所示。圖N=16的互連網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼伴_關(guān)狀態(tài)圖19.并行處理機(jī)有16個(gè)處理器，要實(shí)現(xiàn)相當(dāng)于先8組2元交換，然后是4組4元交換，最后是2組8元交換，請(qǐng)寫出此時(shí)各處理器之間所實(shí)現(xiàn)的互連函數(shù)的一般關(guān)系式。(P 3P2RP0) = P 3P2P1P05.在CRAY-1向量處理機(jī)上，V為向量寄存器，設(shè)向量長(zhǎng)度均為64,所用浮點(diǎn)功能執(zhí)行部件的執(zhí)行時(shí)間分別 為：加法需6拍，相乘需7拍，從存儲(chǔ)器讀數(shù)需6拍，求倒數(shù)近似值需14拍，打入寄存器及啟動(dòng)功能部件(包括存儲(chǔ)器)各需1拍。問下列各指令組中的哪些指令可以鏈接執(zhí)行哪些指令可以并行執(zhí)行試說明其原因并分別計(jì)算出各指令組全部執(zhí)行完所需的拍數(shù)。 TOC o 1-5 h z 5.(1)3條向量指令并行執(zhí)行；全部向量指令執(zhí)行完所需的時(shí)間為72拍。第1、2條向量指令并行執(zhí)行；由于第 3條向量指令與第1、2條向量指令之間存在源目向量相關(guān)，因此它們之間可以鏈接執(zhí)行；全部向量指令執(zhí)行完所需的時(shí)間為80拍。第1、2條向量指令并行執(zhí)行；第 3條與第2條向量指令之間存在功能部件沖突，因此第 3條向量 指令只能與前2條向量指令串行執(zhí)行；第 4條向量指令與第3條向量指令之間存在源目向量