《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》總復(fù)習(xí)-習(xí)題2016

1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總復(fù)習(xí)2第一章基本概念（P1）本章介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一些基本知識(shí)。包括定性知識(shí)和定量知識(shí)兩大組內(nèi)容。為了便于學(xué)習(xí)，本章各節(jié)重新編號(hào)，與教材編號(hào)不同。

定量知識(shí)：對(duì)計(jì)算機(jī)性能進(jìn)行定量評(píng)價(jià)的幾個(gè)重要公式。3本章重點(diǎn)

本章從定性知識(shí)和定量知識(shí)兩個(gè)方面介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念。有關(guān)重點(diǎn)如下：(1)Amdahl定律；(2)平均周期數(shù)CPI公式，程序執(zhí)行時(shí)間Te公式；(3)每秒百萬(wàn)指令數(shù)MIPS公式，每秒百萬(wàn)浮點(diǎn)數(shù)MFLOPS公式。41.定量知識(shí)───3個(gè)性能公式1.1

Amdahl定律（加快經(jīng)常性事件原理，P9）其中：Sn──全局加速比；

To──原執(zhí)行時(shí)間（old）；Tn──新執(zhí)行時(shí)間（new）；Se──被改進(jìn)部分的局部加速比；

Fe──被改進(jìn)部分原執(zhí)行時(shí)間占原來(lái)總時(shí)間的百分比。5Amdahl定律的推導(dǎo)6Amdahl定律的圖形從圖1.2可以看出，增大Se和Fe對(duì)Sn都有提升作用；但當(dāng)Fe固定時(shí)，一味增大Se對(duì)Sn的作用會(huì)越來(lái)越不顯著。作1.12假定利用增加向量模塊來(lái)提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。計(jì)算機(jī)處理向量的速度比其通常的運(yùn)算要快20倍，將可用向量處理部分所花費(fèi)的時(shí)間占總時(shí)間的百分比稱為可向量化百分比。（1）求出加速比S和向量化百分比之間的關(guān)系式作1.13（2）當(dāng)要得到加速比為2時(shí)的可向量化百分比F為多少？作1.14（3）為了獲得在向量模式所得到的最大加速比的一半，可向量化百分比F為多少？7(2)由（1）式有解（1）：由Amdahl定律知(1)8(3)由題意可知9作1.17

假設(shè)高速緩存Cache工作速度為主存的5倍，且Cache被訪問(wèn)命中的概率為90％，則采用Cache后，能使整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)獲得多高的加速比？解：fe=0.9，re=5101.2CPI與程序執(zhí)行時(shí)間Te（P11）CPI是衡量CPU執(zhí)行指令效率的重要指標(biāo)。讓我們先考慮一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)速程序的全部執(zhí)行時(shí)間Te和其中所有第i種指令的累計(jì)時(shí)間Ti，易知11121.3每秒百萬(wàn)指令數(shù)MIPS與每秒百萬(wàn)浮點(diǎn)數(shù)MFLOPS（P11）例題：P10，例1.1~例1.5。

P33，題12，題13，題14。例1.19

用一臺(tái)4OMHz處理機(jī)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試程序，它含的混合指令數(shù)和相應(yīng)所需的時(shí)鐘周期數(shù)如下：指令類型指令條數(shù)時(shí)鐘周期數(shù)整數(shù)運(yùn)算450001數(shù)據(jù)傳送320002浮點(diǎn)運(yùn)算

150002控制傳送

80002求有效CPI、MIPS速率和程序的執(zhí)行時(shí)間。13解：依題意可知IN=105條，n=414作1.20

某工作站采用時(shí)鐘頻率為15MHz、處理速率為10MIPS的處理機(jī)來(lái)執(zhí)行一個(gè)巳知混合程序。假定每次存儲(chǔ)器存取為1周期延遲、試問(wèn)：

(1)

此計(jì)算機(jī)的有效CPI是多少?

(2)假定將處理機(jī)的時(shí)鐘提高到30MHz，但存儲(chǔ)器子系統(tǒng)速率不變。這樣，每次存儲(chǔ)器存取需要兩個(gè)時(shí)鐘周期。如果30％指令每條只需要一次存儲(chǔ)存取，而另外5％每條需要兩次存儲(chǔ)存取，還假定已知混合程序的指令數(shù)不變，并與原工作站兼容，試求改進(jìn)后的處理機(jī)性能。解

(1)15(2)依題意可知：30%的指令需要一次存儲(chǔ)存取，則這些指令在處理器提高時(shí)鐘頻率之后需要增加1個(gè)時(shí)鐘周期；另外5%的指令需要增加2個(gè)時(shí)鐘周期。

改進(jìn)后性能提高情況可用CPU時(shí)間之比表示：

16作1.21

假設(shè)在一臺(tái)40MHz處理機(jī)上運(yùn)行200000條指令的目標(biāo)代碼，程序主要由四種指令組成。根據(jù)程序跟蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果，已知指令混合比和每種指令所需的指令數(shù)如下：指令類型CPI指令混合百分比算術(shù)和邏輯運(yùn)算160%Cache命中的加載/存儲(chǔ)

218%轉(zhuǎn)移

412%Cache失效時(shí)訪問(wèn)主存810%(1)計(jì)算在單處理機(jī)上用上述蹤數(shù)據(jù)運(yùn)行程序的平均CPI(2)根據(jù)(1)所得CPI，計(jì)算相應(yīng)的MIPS速率和程序的執(zhí)行時(shí)間17解：依題意可知IN=2×105條，n=4，1819第二章指令系統(tǒng)（P36）本章介紹指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)中2個(gè)最基本的內(nèi)容：數(shù)據(jù)表示、操作碼優(yōu)化。本章重點(diǎn)

(1)Huffman編碼方法；(2)等長(zhǎng)擴(kuò)展編碼方法（15/15/15法，8/64/512法）；(3)編碼方法性能指標(biāo)（平均碼長(zhǎng)L，信息冗余量R）。202.1Huffman壓縮編碼（P91）(1)Huffman壓縮概念（最佳編碼定理）：當(dāng)用n個(gè)長(zhǎng)度不等的代碼分別代表n種發(fā)生概率不等的事件時(shí)，按照短代碼給高概率事件、把長(zhǎng)代碼給低概率事件的原則分配，可使平均碼長(zhǎng)達(dá)到最低。(2)Huffman編碼方法

這種編碼方法由兩個(gè)過(guò)程組成。 頻度合并：將全部n個(gè)事件（在此即為n條指令）的頻度值排序，選取其中最小的2個(gè)頻度合并，然后將剩下的n-1個(gè)頻度再次排序，再合并最小的2個(gè)頻度，如此重復(fù)，直至剩下1個(gè)頻度為止。記錄所有的合并關(guān)系，形成一棵二叉樹(shù)──Huffman樹(shù)，所有原始頻度值充當(dāng)樹(shù)葉，而最后剩下的總頻度1為樹(shù)根； 碼元分配：從樹(shù)根開(kāi)始，對(duì)每個(gè)中間結(jié)點(diǎn)的左右2個(gè)分支邊各賦予一位代碼“0”和“1”（“0”在哪一側(cè)不限）。讀出從根結(jié)點(diǎn)到任一片樹(shù)葉的路徑上依次出現(xiàn)的代碼位就排成了這個(gè)事件（即指令）的完整編碼。由于頻度高的事件較晚被合并，它的編碼位數(shù)也就較少，符合Huffman壓縮原則。上面所說(shuō)的頻度值就是各事件實(shí)際出現(xiàn)次數(shù)的百分比，它是理論出現(xiàn)概率的近似值。21

平均碼長(zhǎng)：各事件編碼長(zhǎng)度的數(shù)學(xué)期望。

信息冗余量：它表明消息編碼中“無(wú)用成分”所占的百分比。222.2擴(kuò)展編碼方法（等長(zhǎng)擴(kuò)展法，P94-95）用碼長(zhǎng)表示：例如4-8-12法。這并不能說(shuō)明具體編碼方法，例如下面兩種編碼方法都是4-8-12法。用碼點(diǎn)數(shù)表示：例如15/15/15法，8/64/512法15/15/15法，每一種碼長(zhǎng)都有4位可編碼位（前頭可以有相同的擴(kuò)展標(biāo)識(shí)前綴），可產(chǎn)生16個(gè)碼點(diǎn)（即編碼組合），但是至多只能使用其中15個(gè)來(lái)表示事件，留下1個(gè)或多個(gè)碼點(diǎn)組合作為更長(zhǎng)代碼的擴(kuò)展標(biāo)識(shí)前綴。已經(jīng)用來(lái)表示事件的碼點(diǎn)組合不能再作為其它更長(zhǎng)代碼的前導(dǎo)部分，否則接收者會(huì)混淆。這就是“非前綴原則”。8/64/512法，每一種碼長(zhǎng)按4位分段，每一段中至少要留下1位或多位作為擴(kuò)展標(biāo)識(shí)。各段剩下的可編碼位一起編碼，所產(chǎn)生的碼點(diǎn)用來(lái)對(duì)應(yīng)被編碼事件。每一段中的標(biāo)識(shí)位指出后面還有沒(méi)有后續(xù)段。10000001110.090.300.601.000.1510.0610.030.030.040.050.150.300.40

I7I6I5I4I3I2I1例2.1

某指令系統(tǒng)各指令使用頻度如下：I1I2I3I4I5I6I70.40.30.150.050.040.030.031.Huffman編碼23由此可得到哈夫曼編碼如下：

I1:0I2:10I3:110I4:11100I5:11101I6:11110I7:11111

平均碼長(zhǎng)L=0.4*1+0.3*2+0.15*3+0.05*5+0.04*5+0.03*5+0.03*5=2.20位

信息冗余量R=(2.20-2.17)/2.20=1.36%

指令長(zhǎng)度個(gè)數(shù)=4242.擴(kuò)展哈夫曼編碼I1,I2,I3用兩位:00,01,10I4,I5,I6,I7用四位:1100,1101,1110,1111L=(0.4+0.3+0.15)*2+(0.05+0.04+0.03+0.03)*4=2.30位信息冗余量=(2.30-2.20)/2.30=0.0565=5.65%25411115111110.03I7411105111100.03I6411015111010.04I5411005111000.05I421031100.15I32012100.30I2200100.40I1OP長(zhǎng)度lihuffman擴(kuò)展編碼OP長(zhǎng)度li操作碼OP使用哈夫曼編碼

頻度（Pi）

指令操作碼的擴(kuò)展（等長(zhǎng)擴(kuò)展）平均碼長(zhǎng)：2.22.326作2.13采用最優(yōu)Huffman編碼法（信息熵）的操作碼最短平均長(zhǎng)度為：

2728例2.2

指令系統(tǒng)共有42種指令，前15種使用頻率平均為0.05，中間13種使用頻率平均為0.015，最后14種使用頻率平均為0.004。如何編碼？0000

：15種111011110000

：：15種11111110111111110000

：：：15種111111111110解：因頻率分布有三種，故碼長(zhǎng)可有三種；

因每段指令數(shù)基本相同，故可采用等長(zhǎng)擴(kuò)展(4-8-12位)，保留特征碼的每段指令數(shù)相同(15-15-15)方法。結(jié)果如圖所示；

結(jié)果：采用15-15-15擴(kuò)展方法，最后一種編碼用于擴(kuò)展，每段0000～1110用于編碼，1111用于擴(kuò)展。29例2.3

某模型機(jī)有9條指令，其使用頻率為：ADD（加）30%

SUB（減）24%JOM（按負(fù)轉(zhuǎn)移）6%

STO（存）7%JMP（轉(zhuǎn)移）7%

SHR（右移）2%CIL（循環(huán)左移）3%

CLA（清加）20%STP（停機(jī)）1%

要求有兩種指令字長(zhǎng)，都按雙操作數(shù)指令格式編,采用擴(kuò)展操作碼，并限制只能有兩種操作碼碼長(zhǎng)。設(shè)該機(jī)有若干個(gè)通用寄存器，主存為16位寬，按字節(jié)編址，采用整數(shù)邊界存貯，任何指令都在一個(gè)主存周期中取得，短指令為寄存器－寄存器型，長(zhǎng)指令為寄存器－主存型，主存地址應(yīng)能變址尋址。30

解：(1)Huffman樹(shù)的形式如圖所示。0.010.020.03010.030.06010.060.12010.070.070.14010.260100.300.200.240.44010.561001131由上圖可得到的Huffman編碼為：

ADD(加)30%01SUB(減)24%11CLA(清加)20%10JOM(按負(fù)轉(zhuǎn)移)6%0001STO(存)7%0011JMP(轉(zhuǎn)移)7%0010CIL(循環(huán)左移)3%00001SHR(右移)2%000001STP(停機(jī))1%000000因此，操作碼的平均碼長(zhǎng)為：32(2)采用2-5擴(kuò)展的操作碼編碼為：

ADD(加)30%00SUB(減)24%01CLA(清加)20%10JOM(按負(fù)轉(zhuǎn)移)6%11000STO(存)7%11001JMP(轉(zhuǎn)移)7%11010SHR(右移)2%11011CIL(循環(huán)左移)3%11100STP(停機(jī))1%11101因此，操作碼的平均碼長(zhǎng)為：33(3)該機(jī)允許使用的可編址的通用寄存器個(gè)數(shù)為23=8個(gè)(4)短指令為寄存器-寄存器型，格式如下：OP(2位)R1(3位)R2(3位)OP(5位)R1(3位)X(2位)相對(duì)位移d(6位)(5)訪主存操作數(shù)地址尋址的最大相對(duì)位移量為64個(gè)字節(jié)(-32~+31個(gè)字節(jié))長(zhǎng)指令為寄存器-主存型，格式如下：34作2.14

一臺(tái)模型機(jī)共有7條指令，各指令的使用頻度分別是35％、25％、20％、10％、5％、3％、2％，有8個(gè)通用數(shù)據(jù)寄存器，2個(gè)變址寄存器。(1)要求操作碼的平均長(zhǎng)度最短，請(qǐng)?jiān)O(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。(2)設(shè)計(jì)8位字長(zhǎng)的寄存器－寄存器型指令3條，16位字長(zhǎng)的寄存器－存儲(chǔ)器型變址尋址方式指令4條，變址范圍不小于正、負(fù)127。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)指令格式，并給出各字段的長(zhǎng)度和操作碼的編碼。。

35答:(1)要使得到的操作碼長(zhǎng)度最短，應(yīng)采用Huffman編碼，Huffman樹(shù)構(gòu)造如下36由此可以得到7條指令的編碼分別如下：37這樣，Huffman編碼法得到的操作碼的平均長(zhǎng)度為：l=2×(0.35+0.25+0.20)+3×0.10+4×0.05+5×(0.03+0.02)=1.6+0.3+0.2+0.25=2.35指令號(hào) 出現(xiàn)的頻率 編碼1 35% 002 25% 013 20% 104 10% 1105 5% 11106 3% 111107 2% 1111138作2.14(改）

一臺(tái)模擬機(jī)共有7條指令，各指令的使用頻度分別為35%，25%，20%，10%，5%，3%，2%。該模擬機(jī)有8位和16位兩種指令長(zhǎng)，采用2-4擴(kuò)展操作碼，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-存貯器（R-M）二地址變址尋址（-128≤變址范圍≤127）類型。(1)計(jì)算操作碼的平均碼長(zhǎng)

(2)該機(jī)允許使用多少個(gè)可編址的通用寄存器，多少個(gè)變址寄存器？

設(shè)計(jì)該機(jī)的兩種指令格式，標(biāo)出各字段位數(shù)并給出操作碼編碼。

39

擴(kuò)展碼有2種方案（下圖）00 0001 3條 01 2條10 10001100 10011101 4條 1010 5條1110 10111111 1100(3-7型）（2-8型）簡(jiǎn)版402-4擴(kuò)展碼有2種方案（上圖）前一種方案里短指令占的比例較大，應(yīng)該選用它。平均碼長(zhǎng)/L=(0.35+0.25+0.20)×2+(0.1+0.05+0.03+0.02)×4=2.4

用R代表寄存器編號(hào)，A代表變址偏移量。題目未指明R-R型R-M型誰(shuí)是短碼，所以先列出2種方案：41428位:操作碼2,寄存器（8-2)/2=3（右邊為操作碼4位）16位：操作碼2,寄存器3，變址尋址（-128≤變址范圍≤127）：27=128，

符號(hào)1位，共8位，變址器：16-4-3-8=1432.2.2操作數(shù)優(yōu)化───尋址方式比較（P95）指令中操作數(shù)占用的位數(shù)由操作數(shù)的個(gè)數(shù)與尋址方式?jīng)Q定。按操作數(shù)的個(gè)數(shù)劃分，有零操作數(shù)指令、一操作數(shù)指令、二操作數(shù)指令、三操作數(shù)指令共四種形式。應(yīng)該按機(jī)器用途來(lái)選擇（P99，表2.20）?？s短操作數(shù)長(zhǎng)度的常用方法是間址和變址（P99頁(yè)末）。作2.15

某處理機(jī)的指令字長(zhǎng)為16位，有雙地址指令、單地址指令和零地址指令三類，并假設(shè)每個(gè)地址字段的長(zhǎng)度為6位。（1）如果雙地址指令有15條，單地址和零地址指令的條數(shù)基本相同，問(wèn)單地址指令和零地址指令各有多少條？并且為這三類指令分配操作碼。（2）如果三類指令的比例為1：9：9，問(wèn)雙地址指令、單地址指令和零地址指令各有多少條？并且為這三類指令分配操作碼。4445解：（1）雙地址指令15條，

地址碼：0000～1110

單地址指令26－1＝63條，地址碼：11110000001111111110零地址指令64條，地址碼：11111111110000001111111111111111464748第三章存儲(chǔ)系統(tǒng)（P130）長(zhǎng)期存在的問(wèn)題：在合理的總價(jià)格限制下，單純性主存設(shè)備的速度跟不上CPU的發(fā)展，容量不能滿足軟件尺寸擴(kuò)大。本章學(xué)習(xí)兩種提高主存系統(tǒng)性能/價(jià)格比的結(jié)構(gòu)化方法：并行存儲(chǔ)器與存儲(chǔ)層次技術(shù)。后者為主。例3.1假設(shè)高速緩存Cache工作速度為主存的5倍，且Cache被訪問(wèn)命中的概率為90％，則采用Cache后，能使整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)獲得多高的加速比？

解：49例3.2假設(shè)高速緩存Cache的訪問(wèn)周期為50ns，主存的訪問(wèn)周期為400ns，且Cache被訪問(wèn)命中的概率為95％，則采用Cache后，能使整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)等效的訪問(wèn)周期為多少？獲得多高的加速比？

解：5051第四章輸入輸出系統(tǒng)（P208）

輸入輸出系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)各種輸入輸出任務(wù)的資源總稱。它包括各種輸入輸出設(shè)備、相關(guān)的管理軟件等等。由于輸入輸出設(shè)備的特殊工作性質(zhì)使其數(shù)據(jù)吞吐率通常遠(yuǎn)低于主機(jī)，設(shè)計(jì)輸入輸出系統(tǒng)就是要建立數(shù)據(jù)交換的最佳方案，使雙方都能高效率地工作。本章重點(diǎn)是中斷優(yōu)先級(jí)管理、通道流量設(shè)計(jì)。524.1基本輸入輸出方式(P212)4.1.1程序控制I/O方式4.1.2中斷I/O方式4.1.3DMA方式4.1.4通道方式4.1.5I/O處理機(jī)方式534.2中斷優(yōu)先級(jí)管理(P219)中斷是為實(shí)時(shí)任務(wù)優(yōu)先獲得處理機(jī)資源而采用的一種調(diào)度技術(shù)，當(dāng)系統(tǒng)中存在多個(gè)中斷源時(shí)必須根據(jù)實(shí)時(shí)性強(qiáng)弱設(shè)定優(yōu)先順序，這也被稱為中斷的分級(jí)。為了兼顧中斷響應(yīng)的時(shí)效與配置的靈活，通常采用兩套機(jī)制結(jié)合組成中斷優(yōu)先序管理體系。(1)硬件響應(yīng)優(yōu)先序：未被屏蔽的幾個(gè)中斷源同時(shí)提出申請(qǐng)時(shí)，CPU選擇服務(wù)對(duì)象的順序。它由硬件電路實(shí)現(xiàn)，用戶不能修改。如P226圖4.11所示。(2)軟件服務(wù)優(yōu)先序：在各中斷服務(wù)程序開(kāi)頭，用軟件設(shè)置自己的中斷屏蔽字（在主程序中也設(shè)置）。以此改變實(shí)際服務(wù)順序(P230)。例如某個(gè)硬件響應(yīng)優(yōu)先級(jí)高的中斷源，其中斷服務(wù)程序執(zhí)行中屏蔽了自身，而開(kāi)放了某個(gè)硬件響應(yīng)優(yōu)先級(jí)比它低的中斷源，后者就可以在前者剛開(kāi)放中斷時(shí)就打斷它，從而在實(shí)際上先得到服務(wù)。中斷服務(wù)過(guò)程示意圖如P231圖4.14所示。由于常規(guī)用戶主程序?qū)μ幚頇C(jī)的需求緊迫性最低，所以它的中斷屏蔽字是“全部開(kāi)放”。(3)實(shí)例分析：屏蔽字表、中斷服務(wù)過(guò)程圖。例4.1（P230倒數(shù)第8行開(kāi)始）

作業(yè)4.5已知中斷服務(wù)請(qǐng)求次序?yàn)?-2-3-4，現(xiàn)改為3-2-4-1，（1）設(shè)計(jì)中斷屏蔽碼

（2）處理機(jī)運(yùn)行主程序時(shí)，同時(shí)D1和D2 q請(qǐng)求中斷，而在運(yùn)行中斷源D2時(shí)，D3和D4又同時(shí)請(qǐng)求，請(qǐng)畫出程序運(yùn)行過(guò)程示意圖

解：(1)中斷屏蔽字表如下圖；(令1對(duì)應(yīng)屏蔽，0對(duì)應(yīng)開(kāi)放)

54(2)中斷過(guò)程示意圖如下圖。55例4.1設(shè)中斷級(jí)屏蔽位為“0”對(duì)應(yīng)于開(kāi)放，1對(duì)應(yīng)于屏蔽，各級(jí)中斷處理程序的中斷級(jí)屏蔽位設(shè)置如下：

(1)當(dāng)中斷響應(yīng)的優(yōu)先次序?yàn)?、2、3、4，其中斷處理次序是什么？

(2)所有的中斷處理各需要3個(gè)單位時(shí)間，當(dāng)正在運(yùn)行用戶程序時(shí)，同時(shí)出現(xiàn)第2、3級(jí)中斷請(qǐng)求，過(guò)2個(gè)單位時(shí)間，又同時(shí)出現(xiàn)第1、4級(jí)中斷請(qǐng)求，請(qǐng)畫出程序運(yùn)行過(guò)程示意圖。中斷處理程序級(jí)別中斷級(jí)屏蔽位第1級(jí)第2級(jí)第3級(jí)第4級(jí)1級(jí)2級(jí)3級(jí)4級(jí)1111100111000110【解答】

(1)當(dāng)中斷響應(yīng)的優(yōu)先次序?yàn)?、2、3、4，其中斷處理次序是1、3、4、2。

(2)運(yùn)行過(guò)程示意圖如下：用戶程序中斷處理程序中斷請(qǐng)求t41123432584.3通道處理機(jī)(P233)(1)定義：

通道處理機(jī)（簡(jiǎn)稱"通道"）是隸屬于主處理機(jī)的輸入輸出專用協(xié)處理機(jī)。(2)特點(diǎn)：有一套輸入輸出功能很強(qiáng)的專用指令系統(tǒng)；與主處理機(jī)共享主存，存放相應(yīng)的程序和數(shù)據(jù)；一個(gè)通道可以連接多臺(tái)外部設(shè)備；主處理機(jī)可用"啟動(dòng)I/O"指令來(lái)啟動(dòng)一個(gè)通道；當(dāng)通道訪存與主處理機(jī)沖突時(shí)，存控部件賦予通道較高的優(yōu)先權(quán)；通道程序執(zhí)行完畢自動(dòng)轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)，同時(shí)向主處理機(jī)發(fā)出一個(gè)特定的中斷申請(qǐng)，通知該事件。(3)地位：從屬于主處理機(jī)。59

字節(jié)多路通道：以字節(jié)為單位交叉為多臺(tái)設(shè)備傳輸。子通道的概念。

選擇通道：完成一臺(tái)設(shè)備的全部傳輸再去為另一臺(tái)設(shè)備服務(wù)。

數(shù)組多路通道：以數(shù)組為單位交叉為多臺(tái)設(shè)備傳輸。(5)通道傳輸過(guò)程的時(shí)間分配(P241，其中P是設(shè)備臺(tái)數(shù))：字節(jié)多路通道： ，其中n是單臺(tái)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸量；選擇通道：數(shù)組多路通道： ，其中k是塊尺寸， 。(4)分類(P238)：60(6)通道流量分析(P243)：

通道最大能力流量：61

通道實(shí)際最大負(fù)荷流量：

通道正常工作條件：62實(shí)例分析：通道時(shí)間關(guān)系圖P243例4.1倒數(shù)第2行開(kāi)始(1)在上表中填出設(shè)備相應(yīng)二次請(qǐng)求傳送字節(jié)的間隔時(shí)間。(2)當(dāng)所有設(shè)備同時(shí)要傳送數(shù)據(jù)時(shí)，求其對(duì)通道要求的總流量fbyte設(shè)備號(hào)123456傳送速率(B/ms)505040252510二次請(qǐng)求的間隔時(shí)間(μS)

例4.1某字節(jié)交叉多路通道連接6臺(tái)設(shè)備，其數(shù)據(jù)傳送速率如下表所示。63(3)讓通道以極限流量fmax.byte=fbyte的工作周期工作，通道的工作周期(即TS+TD的時(shí)間間隔)是多少？(4)讓通道中所掛設(shè)備速率越高的數(shù)據(jù)傳送請(qǐng)求被響應(yīng)的優(yōu)先級(jí)越高。畫出6臺(tái)設(shè)備同時(shí)發(fā)送請(qǐng)求到下次同時(shí)發(fā)送請(qǐng)求期間里，通道響應(yīng)和處理完各設(shè)備請(qǐng)求時(shí)刻的示意圖。哪個(gè)設(shè)備丟失了信息？提出一種不丟失信息的解決辦法。64設(shè)備號(hào)123456傳送速率(B/ms)505040252510二次請(qǐng)求的間隔時(shí)間(μS)

2020

25

40

40

100

解：(1)(2)總?cè)萘?3)

傳送周期TS+TD=1ms/200B=5μS1234566號(hào)設(shè)備丟失了一次數(shù)據(jù)20us65方法1：增加通道的最大流量，保證連接在通道上的所有設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送請(qǐng)求能夠及時(shí)得到通道的響應(yīng)方法2：動(dòng)態(tài)改變?cè)O(shè)備的優(yōu)先級(jí)方法3：增加一定數(shù)量的數(shù)據(jù)緩沖器，特別是對(duì)優(yōu)先級(jí)比較低的設(shè)備66例4.2

印字機(jī)各占一個(gè)子通道，0號(hào)打印機(jī)、1號(hào)打印機(jī)和0號(hào)光電輸入機(jī)合用一個(gè)子通道。假定數(shù)據(jù)傳送期內(nèi)高速印字機(jī)每隔25us發(fā)一個(gè)請(qǐng)求，低速打印機(jī)每隔150us發(fā)一個(gè)字節(jié)請(qǐng)求，光電輸入機(jī)每隔800us發(fā)一個(gè)字節(jié)請(qǐng)求，則這5臺(tái)設(shè)備要求通道的實(shí)際流量為多少？字節(jié)多路通道0子通道2子通道1子通道0號(hào)高速印字機(jī)1號(hào)高速印字機(jī)0號(hào)打印機(jī)1號(hào)打印機(jī)0號(hào)光電輸入機(jī)67解：5臺(tái)設(shè)備要求通道的數(shù)據(jù)流量為：可將該通道設(shè)計(jì)成0.1MB/s，即所設(shè)計(jì)的工作周期為：這樣各設(shè)備的請(qǐng)求就能及時(shí)得到響應(yīng)和處理，不會(huì)丟失信息。680號(hào)印字機(jī)通道工作周期0us50us100us150us1號(hào)印字機(jī)0號(hào)打印機(jī)1號(hào)打印機(jī)0號(hào)光電機(jī)

表示設(shè)備提出申請(qǐng)的時(shí)刻表示通道處理完設(shè)備申請(qǐng)的時(shí)刻優(yōu)先級(jí)次序：0號(hào)印字機(jī)、1號(hào)印字機(jī)、0號(hào)打印機(jī)、1號(hào)打印機(jī)、0號(hào)光電機(jī)69例4.3設(shè)通道在數(shù)據(jù)傳送期中，選擇設(shè)備需4.9μS，傳送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)需0.lμS。（1）其低速設(shè)備每隔250μS發(fā)出一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)傳送請(qǐng)求，問(wèn)最多可接多少臺(tái)這種設(shè)備？（2）若有A～E共5種高速設(shè)備，要求字節(jié)傳送的間隔時(shí)間如下表所示，其時(shí)間單位為μS。若一次通信傳送的字節(jié)數(shù)不少于1024個(gè)字節(jié)，問(wèn)哪些設(shè)備可掛在此通道上？哪些則不能？設(shè)備ABCDE時(shí)間間隔(μS)0.130.10.110.20.370其中，n≥1024，應(yīng)使selecti≤maxselect由此可得出通道工作周期為：T≈0.1048(us)所以，只有A、C、D、E可掛在此通道上，B則不行。解：(1)低速設(shè)備應(yīng)接字節(jié)多路通道n＝250/5=50臺(tái)，所以，n≤50臺(tái)，即最多可接50臺(tái)這種設(shè)備(2)根據(jù)題意，此通道為選擇通道7172本章小結(jié)(1)5種I/O方式；(2)中斷優(yōu)先級(jí)管理（屏蔽字表、中斷服務(wù)過(guò)程圖）；(3)3種通道處理機(jī)的特點(diǎn)；(4)3種通道最大能力流量；(5)3種通道實(shí)際最大負(fù)荷流量；(6)通道正常工作條件；(7)通道時(shí)間關(guān)系圖（字節(jié)多路通道）；習(xí)題：P250，題5，題8。73第五章標(biāo)量流水線技術(shù)(P253)本章學(xué)習(xí)標(biāo)量計(jì)算機(jī)上使用的流水加速技術(shù)。主要內(nèi)容有流水技術(shù)的分類、流水線性能指標(biāo)計(jì)算、非線性流水線的調(diào)度算法。

標(biāo)量計(jì)算機(jī)指只能直接進(jìn)行標(biāo)量運(yùn)算的計(jì)算機(jī)，與能夠直接進(jìn)行向量運(yùn)算的向量計(jì)算機(jī)相對(duì)應(yīng)。

流水處理方式的特征，是讓多個(gè)依次啟動(dòng)的任務(wù)，盡量同時(shí)使用系統(tǒng)的不同部件，通過(guò)時(shí)間重疊來(lái)提高處理速率。這種技術(shù)理論上不增加成本。

標(biāo)量計(jì)算機(jī)上使用的流水加速技術(shù)屬于指令級(jí)并行技術(shù)。每條指令的處理過(guò)程，可以劃分為取指、譯碼、取數(shù)、運(yùn)算、送結(jié)果5個(gè)子過(guò)程，也可以分得更細(xì)或更粗一些。劃分的原則是各部分時(shí)間長(zhǎng)度大致相等、并使用CPU中不同的部件，這樣才有利于多任務(wù)重疊處理。745.2流水處理與邏輯相關(guān)的概念

CPU中的各個(gè)部件按流水處理順序連接起來(lái)，就稱為一條流水線。5.2.1流水線工作原理

處理機(jī)解釋程序的方式有順序方式、重疊方式、流水方式等。順序方式是解釋完一條指令再開(kāi)始解釋下一條(P254)；流水方式是把一個(gè)重復(fù)的過(guò)程分解為若干個(gè)子過(guò)程，每個(gè)子過(guò)程可以與其它子過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，以此提高單位時(shí)間內(nèi)解釋指令的數(shù)目(P277)；重疊方式是一種簡(jiǎn)單的流水方式，它把指令分成2個(gè)子過(guò)程，每條指令只與下一條指令相重疊(P255)。75流水線結(jié)構(gòu)圖(P278)流水線工作時(shí)空?qǐng)D(P278—P279)76775.2.2邏輯相關(guān)(P263-276)相關(guān)的定義：(P263倒數(shù)第4段)一條指令必須等待前一條指令解釋完成才能開(kāi)始解釋。相關(guān)的分類及其對(duì)策1.全局性相關(guān)/局部性相關(guān)(P312、P269/P263、P303)；2.指令相關(guān)/數(shù)相關(guān)(P264/P263)；3.主存數(shù)相關(guān)/寄存器數(shù)相關(guān)(P265/P266)；4.數(shù)值相關(guān)/變址值相關(guān)(P266/P268)。785.3流水技術(shù)的分類(P280)線性/非線性(P280)：部件級(jí)/處理機(jī)級(jí)/處理機(jī)間級(jí)（宏流水線）(P281)：?jiǎn)喂δ?多功能(P282)：靜態(tài)/動(dòng)態(tài)(P283)：標(biāo)量/向量(P285)：同步/異步(P285)：順序/亂序(P285、P304)：795.4.1吞吐率TP(P285)

吞吐率（TP───ThroughPut）指流水線在單位時(shí)間內(nèi)執(zhí)行的任務(wù)數(shù)，可以用輸入任務(wù)數(shù)或輸出任務(wù)數(shù)表示。 ，其中k表示流水線劃分的段數(shù)。當(dāng)滿足 條件時(shí)，有 。5.4線性流水線性能分析(P285)80其中5.4.2加速比(P288)81段效率： ， 各段平均效率：其中表示第i段設(shè)備量占整條流水線全部設(shè)備量的百分比。當(dāng)滿足 條件時(shí)，有：5.4.3效率（設(shè)備利用率，P289）1234tt3tt例5.1

帶有瓶頸部件的4功能段流水線,△t1=△t2=△t4=△t,△t3=3△t,4個(gè)任務(wù)、10個(gè)任務(wù)時(shí)TP，E、SP

。（1）分析法:各段時(shí)間不等TP=nΣ△ti+(n-1)△tmaxi=1m82STS1S2S3S4t1t2t3t4t5t6t7t8t9t10t12t13t14t151234t11123412341234輸出=Sp=n*Σ△timi=1Σ△ti+(n-1)*△tjmI=14*6△t15△t=2415=1.6E=n個(gè)任務(wù)實(shí)際占用的時(shí)-空區(qū)M各段總的時(shí)-空區(qū)（2）時(shí)空?qǐng)D法83例5.

2以浮點(diǎn)加法運(yùn)算為例（四段流水線）各段時(shí)間相等，求吞吐率、效率。求Z=A+B+C+D+E+F+G+H，TP、E、Sp(注意有相關(guān))Z=A+B+C+D+E+F+G+H1234567TP=7/15△tE=7*4/(15*4)=7/15＝46%Sp=4*7/15=28/15=1.87解:流水線的效率不高，原因在于存在著數(shù)據(jù)相關(guān),有空閑功能段。時(shí)間空間111122223333444455556666777712345678910111213141584例5.3ASC計(jì)算機(jī)多功能算術(shù)運(yùn)算流水線各段時(shí)間相等，6次浮點(diǎn)加、5次定點(diǎn)乘的吞吐率，效率，加速比m=8，n=11分析：T加=6+(6-1)*1=11(△t)T乘=4+(5-1)*1=8(△t)則TP=（6+5）/(11+8)△t=11/19△tE=(6*6+5*4)△t/(19*8△t)=36.8%Sp=(6*6+5*4)△t/19△t=56/19=2.9412345612345612345612345612345867123456123456時(shí)間浮加定點(diǎn)乘一二三四五一二三四五一二三四五一二三四五1234567891011121314151617181985作業(yè)5.7p343一條線性流水線有4個(gè)功能段組成，每個(gè)功能段的延遲時(shí)間都相等，都為Δt。開(kāi)始5個(gè)Δt，每間隔一個(gè)Δt向流水線輸入一個(gè)任務(wù)，然后停頓2個(gè)Δt，如此重復(fù)。求流水線的實(shí)際吞吐率、加速比和效率。[解答]流水線的時(shí)空?qǐng)D如下：86我們可以看出，在（11n+1）Δt的時(shí)間內(nèi)，可以輸出5n個(gè)結(jié)果，如果指令的序列足夠長(zhǎng)（n→∞），并且指令間不存在相關(guān)，那么，吞吐率可以認(rèn)為滿足：加速比為：從上面的時(shí)空?qǐng)D很容易看出，效率為：87作業(yè)5.8

用一條5個(gè)功能段的浮點(diǎn)加法器流水線計(jì)算每個(gè)功能段的延遲時(shí)間均相等，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。[解答]首先需要考慮的是，10個(gè)數(shù)的的和最少需要做幾次加法。我們可以發(fā)現(xiàn)，加法的次數(shù)是不能減少的：9次；于是我們要盡可能快的完成任務(wù)，就只有考慮如何讓流水線盡可能充滿，這需要消除前后指令之間的相關(guān)。由于加法滿足交換率和結(jié)合率，我們可以調(diào)整運(yùn)算次序如以下的指令序列，我們把中間結(jié)果寄存器稱為R，源操作數(shù)寄存器稱為A，最后結(jié)果寄存器稱為F，并假設(shè)源操作數(shù)已經(jīng)在寄存器中，則指令如下：88I1： R1←A1+A2I2： R2←A3+A4I3： R3←A5+A6I4： R4←A7+A8I5： R5←A9+A10I6： R6←R1+R2I7： R7←R3+R4I8： R8←R5+R6I9： F←R7+R8這并不是唯一可能的計(jì)算方法。假設(shè)功能段的延遲為Δt。時(shí)空?qǐng)D如下，圖中的數(shù)字是指令號(hào)。89321

41111222233334444555556666677777888889999921Δt部件m15432R1=A1+A2R2=A3+A4R3=A5+A6R4=A7+A8R5=A9+A10R6=R1+R2R7=R3+R4R8=R5+R6F=R7+R8R1R3R5R6R7R8FR2R490整個(gè)計(jì)算過(guò)程需要21Δt，所以吞吐率為：加速比為：效率為：91

作業(yè)5.9(類似題5.8)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)間均相等。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。92解：為了取得較高的速度，我們需要一次將乘法作完，設(shè)源操作數(shù)存放在寄存器A、B中，中間結(jié)果存放在寄存器R中，最后結(jié)果存放在寄存器F中，則執(zhí)行的指令序列如下所示：I1： R1←A1*B1I2： R2←A2*B2I3： R3←A3*B3I4： R4←A4*