第1章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念
1.1 解釋下列術(shù)語
層次結(jié)構(gòu)：按照計(jì)算機(jī)語言從低級到高級的次序艾疟，把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)按功能劃分成多級層次結(jié)構(gòu)盾鳞，每一層以一種不同的語言為特征。這些層次依次為：微程序機(jī)器級，傳統(tǒng)機(jī)器語言機(jī)器級衰絮，匯編語言機(jī)器級凝赛，高級語言機(jī)器級注暗，應(yīng)用語言機(jī)器級等坛缕。
虛擬機(jī)：用軟件實(shí)現(xiàn)的機(jī)器。
翻譯：先用轉(zhuǎn)換程序把高一級機(jī)器上的程序轉(zhuǎn)換為低一級機(jī)器上等效的程序捆昏，然后再在這低一級機(jī)器上運(yùn)行赚楚，實(shí)現(xiàn)程序的功能。
解釋：對于高一級機(jī)器上的程序中的每一條語句或指令骗卜，都是轉(zhuǎn)去執(zhí)行低一級機(jī)器上的一段等效程序宠页。執(zhí)行完后，再去高一級機(jī)器取下一條語句或指令寇仓，再進(jìn)行解釋執(zhí)行举户，如此反復(fù)，直到解釋執(zhí)行完整個程序遍烦。
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：傳統(tǒng)機(jī)器程序員所看到的計(jì)算機(jī)屬性俭嘁，即概念性結(jié)構(gòu)與功能特性。
在計(jì)算機(jī)技術(shù)中服猪，把這種本來存在的事物或?qū)傩孕忠珡哪撤N角度看又好像不存在的概念稱為透明性。
計(jì)算機(jī)組成：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)蔓姚，包含物理機(jī)器級中的數(shù)據(jù)流和控制流的組成以及邏輯設(shè)計(jì)等捕虽。
計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)：計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)，包括處理機(jī)坡脐、主存等部件的物理結(jié)構(gòu)泄私，器件的集成度和速度，模塊备闲、插件晌端、底板的劃分與連接，信號傳輸恬砂，電源咧纠、冷卻及整機(jī)裝配技術(shù)等。
系統(tǒng)加速比：對系統(tǒng)中某部分進(jìn)行改進(jìn)時泻骤，改進(jìn)后系統(tǒng)性能提高的倍數(shù)漆羔。
Amdahl定律：當(dāng)對一個系統(tǒng)中的某個部件進(jìn)行改進(jìn)后，所能獲得的整個系統(tǒng)性能的提高狱掂，受限于該部件的執(zhí)行時間占總執(zhí)行時間的百分比演痒。
程序的局部性原理：程序執(zhí)行時所訪問的存儲器地址不是隨機(jī)分布的，而是相對地簇聚趋惨。包括時間局部性和空間局部性鸟顺。
CPI：每條指令執(zhí)行的平均時鐘周期數(shù)。
測試程序套件：由各種不同的真實(shí)應(yīng)用程序構(gòu)成的一組測試程序器虾，用來測試計(jì)算機(jī)在各個方面的處理性能讯嫂。
存儲程序計(jì)算機(jī)：馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)蹦锋。其基本點(diǎn)是指令驅(qū)動。程序預(yù)先存放在計(jì)算機(jī)存儲器中欧芽，機(jī)器一旦啟動莉掂，就能按照程序指定的邏輯順序執(zhí)行這些程序，自動完成由程序所描述的處理工作渐裸。
系列機(jī)：由同一廠家生產(chǎn)的具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)巫湘、但具有不同組成和實(shí)現(xiàn)的一系列不同型號的計(jì)算機(jī)装悲。
軟件兼容：一個軟件可以不經(jīng)修改或者只需少量修改就可以由一臺計(jì)算機(jī)移植到另一臺計(jì)算機(jī)上運(yùn)行昏鹃。差別只是執(zhí)行時間的不同。
向上（下）兼容：按某檔計(jì)算機(jī)編制的程序诀诊，不加修改就能運(yùn)行于比它高（低）檔的計(jì)算機(jī)洞渤。
向后（前）兼容：按某個時期投入市場的某種型號計(jì)算機(jī)編制的程序，不加修改地就能運(yùn)行于在它之后（前）投入市場的計(jì)算機(jī)属瓣。
兼容機(jī)：由不同公司廠家生產(chǎn)的具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)载迄。
模擬：用軟件的方法在一臺現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)（稱為宿主機(jī)）上實(shí)現(xiàn)另一臺計(jì)算機(jī)（稱為虛擬機(jī)）的指令系統(tǒng)。
仿真：用一臺現(xiàn)有計(jì)算機(jī)（稱為宿主機(jī)）上的微程序去解釋實(shí)現(xiàn)另一臺計(jì)算機(jī)（稱為目標(biāo)機(jī)）的指令系統(tǒng)抡蛙。
并行性：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在同一時刻或者同一時間間隔內(nèi)進(jìn)行多種運(yùn)算或操作护昧。只要在時間上相互重疊，就存在并行性粗截。它包括同時性與并發(fā)性兩種含義惋耙。
時間重疊：在并行性概念中引入時間因素，讓多個處理過程在時間上相互錯開熊昌，輪流重疊地使用同一套硬件設(shè)備的各個部分绽榛，以加快硬件周轉(zhuǎn)而贏得速度。
資源重復(fù)：在并行性概念中引入空間因素婿屹，以數(shù)量取勝灭美。通過重復(fù)設(shè)置硬件資源，大幅度地提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能昂利。
資源共享：這是一種軟件方法届腐，它使多個任務(wù)按一定時間順序輪流使用同一套硬件設(shè)備。
耦合度：反映多機(jī)系統(tǒng)中各計(jì)算機(jī)之間物理連接的緊密程度和交互作用能力的強(qiáng)弱蜂奸。
緊密耦合系統(tǒng)：又稱直接耦合系統(tǒng)梯捕。在這種系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)之間的物理連接的頻帶較高窝撵，一般是通過總線或高速開關(guān)互連傀顾，可以共享主存。
松散耦合系統(tǒng)：又稱間接耦合系統(tǒng)碌奉，一般是通過通道或通信線路實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)之間的互連短曾，可以共享外存設(shè)備（磁盤寒砖、磁帶等）。計(jì)算機(jī)之間的相互作用是在文件或數(shù)據(jù)集一級上進(jìn)行嫉拐。
異構(gòu)型多處理機(jī)系統(tǒng)：由多個不同類型哩都、至少擔(dān)負(fù)不同功能的處理機(jī)組成，它們按照作業(yè)要求的順序婉徘，利用時間重疊原理漠嵌，依次對它們的多個任務(wù)進(jìn)行加工，各自完成規(guī)定的功能動作盖呼。
同構(gòu)型多處理機(jī)系統(tǒng)：由多個同類型或至少擔(dān)負(fù)同等功能的處理機(jī)組成儒鹿，它們同時處理同一作業(yè)中能并行執(zhí)行的多個任務(wù)。
1.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的Flynn分類法是按什么來分類的几晤？共分為哪幾類约炎？
答：Flynn分類法是按照指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性進(jìn)行分類。把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為：
單指令流單數(shù)據(jù)流SISD
單指令流多數(shù)據(jù)流SIMD
多指令流單數(shù)據(jù)流MISD
多指令流多數(shù)據(jù)流MIMD
1.4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用的4個定量原理是什么蟹瘾？并說出它們的含義圾浅。
答：（1）以經(jīng)常性事件為重點(diǎn)。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中憾朴，對經(jīng)常發(fā)生的情況狸捕，賦予它優(yōu)先的處理權(quán)和資源使用權(quán)，以得到更多的總體上的改進(jìn)众雷。（2）Amdahl定律灸拍。加快某部件執(zhí)行速度所獲得的系統(tǒng)性能加速比，受限于該部件在系統(tǒng)中所占的重要性报腔。（3）CPU性能公式株搔。執(zhí)行一個程序所需的CPU時間 =?IC×CPI×?xí)r鐘周期時間。（4）程序的局部性原理纯蛾。程序在執(zhí)行時所訪問地址的分布不是隨機(jī)的纤房，而是相對地簇聚。
1.7 將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中某一功能的處理速度加快10倍翻诉，但該功能的處理時間僅為整個系統(tǒng)運(yùn)行時間的40%炮姨，則采用此增強(qiáng)功能方法后，能使整個系統(tǒng)的性能提高多少碰煌？
解?由題可知： ??可改進(jìn)比例 = 40% = 0.4 ?????部件加速比 = 10
根據(jù)Amdahl定律可知：
采用此增強(qiáng)功能方法后舒岸，能使整個系統(tǒng)的性能提高到原來的1.5625倍。
第2章 指令集結(jié)構(gòu)的分類
解釋下列術(shù)語
堆棧型機(jī)器：CPU 中存儲操作數(shù)的單元是堆棧的機(jī)器芦圾。
累加器型機(jī)器：CPU 中存儲操作數(shù)的單元是累加器的機(jī)器蛾派。
通用寄存器型機(jī)器：CPU 中存儲操作數(shù)的單元是通用寄存器的機(jī)器。
CISC：復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)
RISC：精簡指令集計(jì)算機(jī)
尋址方式：指令系統(tǒng)中如何形成所要訪問的數(shù)據(jù)的地址。一般來說洪乍，尋址方式可以指明指令中的操作數(shù)是一個常數(shù)眯杏、一個寄存器操作數(shù)或者是一個存儲器操作數(shù)。
數(shù)據(jù)表示：硬件結(jié)構(gòu)能夠識別壳澳、指令系統(tǒng)可以直接調(diào)用的那些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)岂贩。
區(qū)別不同指令集結(jié)構(gòu)的主要因素是什么？根據(jù)這個主要因素可將指令集結(jié)構(gòu)分為哪3類巷波？
答：區(qū)別不同指令集結(jié)構(gòu)的主要因素是CPU中用來存儲操作數(shù)的存儲單元萎津。據(jù)此可將指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為堆棧結(jié)構(gòu)、累加器結(jié)構(gòu)和通用寄存器結(jié)構(gòu)抹镊。
?常見的3種通用寄存器型指令集結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)有哪些锉屈？
答：
指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類型優(yōu) ?點(diǎn)缺 ?點(diǎn)
寄存器-寄存器型
（0，3）
指令字長固定髓考，指令結(jié)構(gòu)簡潔部念，是一種簡單的代碼生成模型弃酌，各種指令的執(zhí)行時鐘周期數(shù)相近氨菇。與指令中含存儲器操作數(shù)的指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，指令條數(shù)多妓湘，目標(biāo)代碼不夠緊湊查蓉，因而程序占用的空間比較大。
寄存器-存儲器型
（1榜贴，2）
可以在ALU指令中直接對存儲器操作數(shù)進(jìn)行引用豌研，而不必先用load指令進(jìn)行加載。容易對指令進(jìn)行編碼唬党，目標(biāo)代碼比較緊湊鹃共。由于有一個操作數(shù)的內(nèi)容將被破壞，所以指令中的兩個操作數(shù)不對稱驶拱。在一條指令中同時對寄存器操作數(shù)和存儲器操作數(shù)進(jìn)行編碼霜浴，有可能限制指令所能夠表示的寄存器個數(shù)。指令的執(zhí)行時鐘周期數(shù)因操作數(shù)的來源（寄存器或存儲器）不同而差別比較大蓝纲。
存儲器-存儲器型
（2阴孟，2）或（3，3）
目標(biāo)代碼最緊湊税迷，不需要設(shè)置寄存器來保存變量永丝。指令字長變化很大，特別是3操作數(shù)指令箭养。而且每條指令完成的工作也差別很大慕嚷。對存儲器的頻繁訪問會使存儲器成為瓶頸。這種類型的指令系統(tǒng)現(xiàn)在已不用了。
?指令集應(yīng)滿足哪幾個基本要求喝检？
答：對指令集的基本要求是：完整性砂心、規(guī)整性、高效率和兼容性蛇耀。
完整性是指在一個有限可用的存儲空間內(nèi)辩诞，對于任何可解的問題，編制計(jì)算程序時纺涤，指令集所提供的指令足夠使用译暂。
規(guī)整性主要包括對稱性和均勻性。對稱性是指所有與指令集有關(guān)的存儲單元的使用撩炊、操作碼的設(shè)置等都是對稱的外永。均勻性是指對于各種不同的操作數(shù)類型、字長拧咳、操作種類和數(shù)據(jù)存儲單元伯顶，指令的設(shè)置都要同等對待。
高效率是指指令的執(zhí)行速度快骆膝、使用頻度高祭衩。
?指令集結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所涉及的內(nèi)容有哪些？
答：?(1) 指令集功能設(shè)計(jì)：主要有RISC和CISC兩種技術(shù)發(fā)展方向阅签； (2) 尋址方式的設(shè)計(jì)：設(shè)置尋址方式可以通過對基準(zhǔn)程序進(jìn)行測試統(tǒng)計(jì)掐暮，察看各種尋址方式的使用頻率，根據(jù)適用頻率設(shè)置必要的尋址方式政钟。 (3) 操作數(shù)表示和操作數(shù)類型：主要的操作數(shù)類型和操作數(shù)表示的選擇有：浮點(diǎn)數(shù)據(jù)類型路克、整型數(shù)據(jù)類型、字符型养交、十進(jìn)制數(shù)據(jù)類型等等精算。 (4) 尋址方式的表示：可以將尋址方式編碼于操作碼中，也可以將尋址方式作為一個單獨(dú)的域來表示碎连。 (5) 指令集格式的設(shè)計(jì)：有變長編碼格式灰羽、固定長度編碼格式和混合型編碼格式3種。
?簡述CISC指令集結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)破花。從當(dāng)前的計(jì)算機(jī)技術(shù)觀點(diǎn)來看谦趣，CISC指令集結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)有什么缺點(diǎn)？
答：主要目標(biāo)是增強(qiáng)指令功能座每，把越來越多的功能交由硬件來實(shí)現(xiàn)前鹅，并且指令的數(shù)量也是越來越多。
缺點(diǎn)： (1) CISC結(jié)構(gòu)的指令集中峭梳，各種指令的使用頻率相差懸殊舰绘。（2）CISC結(jié)構(gòu)指令的復(fù)雜性帶來了計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性蹂喻，這不僅增加了研制時間和成本，而且還容易造成設(shè)計(jì)錯誤捂寿。（3）CISC結(jié)構(gòu)指令集的復(fù)雜性給VLSI設(shè)計(jì)增加了很大負(fù)擔(dān)口四，不利于單片集成。（4）CISC結(jié)構(gòu)的指令集中秦陋，許多復(fù)雜指令需要很復(fù)雜的操作蔓彩，因而運(yùn)行速度慢。 (5) 在CISC結(jié)構(gòu)的指令集中驳概，由于各條指令的功能不均衡性赤嚼，不利于采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)技術(shù)（如流水技術(shù)）來提高系統(tǒng)的性能。
簡述RISC指令集結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則顺又。
答（1）?選取使用頻率最高的指令更卒，并補(bǔ)充一些最有用的指令；（2）每條指令的功能應(yīng)盡可能簡單稚照，并在一個機(jī)器周期內(nèi)完成蹂空；（3）所有指令長度均相同；（4）只有Load和Store操作指令才訪問存儲器果录，其它指令操作均在寄存器之間進(jìn)行上枕； (5) 以簡單有效的方式支持高級語言。
?指令中表示操作數(shù)類型的方法有哪幾種雕憔？
答：操作數(shù)類型有兩種表示方法：（1）操作數(shù)的類型由操作碼的編碼指定姿骏，這是最常見的一種方法糖声；（2）數(shù)據(jù)可以附上由硬件解釋的標(biāo)記斤彼，由這些標(biāo)記指定操作數(shù)的類型，從而選擇適當(dāng)?shù)倪\(yùn)算蘸泻。
?表示尋址方式的主要方法有哪些琉苇？簡述這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)。
答：表示尋址方式有兩種常用的方法：（1）將尋址方式編于操作碼中悦施，由操作碼在描述指令的同時也描述了相應(yīng)的尋址方式并扇。這種方式譯碼快，但操作碼和尋址方式的結(jié)合不僅增加了指令的條數(shù)抡诞，導(dǎo)致了指令的多樣性穷蛹，而且增加了CPU對指令譯碼的難度。（2）為每個操作數(shù)設(shè)置一個地址描述符昼汗，由該地址描述符表示相應(yīng)操作數(shù)的尋址方式肴熏。這種方式譯碼較慢，但操作碼和尋址獨(dú)立顷窒，易于指令擴(kuò)展蛙吏。
?通常有哪幾種指令格式，請簡述其適用范圍。
答： (1) 變長編碼格式鸦做。如果系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者感興趣的是程序的目標(biāo)代碼大小励烦，而不是性能，就可以采用變長編碼格式泼诱。（2）固定長度編碼格式坛掠。如果感興趣的是性能，而不是程序的目標(biāo)代碼大小治筒，則可以選擇固定長度編碼格式却音。 (3) 混合型編碼格式。需要兼顧降低目標(biāo)代碼長度和降低譯碼復(fù)雜度時矢炼，可以采用混合型編碼格式系瓢。
?根據(jù)CPU性能公式簡述RISC指令集結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)和CISC指令集結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的性能特點(diǎn)。
答：CPU性能公式：CPU時間＝IC×CPI×T
其中句灌，IC為目標(biāo)程序被執(zhí)行的指令條數(shù)夷陋，CPI為指令平均執(zhí)行周期數(shù)，T是時鐘周期的時間胰锌。
相同功能的CISC目標(biāo)程序的指令條數(shù)ICCISC?少于RISC的ICRISC骗绕，但是CISC的CPICISC和TCISC都大于RISC的CPIRISC和TRISC，因此资昧，CISC目標(biāo)程序的執(zhí)行時間比RISC的更長酬土。
第3章 流水線技術(shù)
3.2 指令的執(zhí)行可采用順序執(zhí)行、重疊執(zhí)行和流水線三種方式格带，它們的主要區(qū)別是什么撤缴？各有何優(yōu)缺點(diǎn)。
答：（1）指令的順序執(zhí)行是指指令與指令之間順序串行叽唱。即上一條指令全部執(zhí)行完后屈呕，才能開始執(zhí)行下一條指令。
優(yōu)點(diǎn)：控制簡單棺亭，節(jié)省設(shè)備虎眨。缺點(diǎn)：執(zhí)行指令的速度慢，功能部件的利用率低镶摘。
（2）指令的重疊指令是在相鄰的指令之間嗽桩，讓第k條指令與取第k+l條指令同時進(jìn)行。重疊執(zhí)行不能加快單條指令的執(zhí)行速度凄敢，但在硬件增加不多的情況下碌冶，可以加快相鄰兩條指令以及整段程序的執(zhí)行速度。與順序方式相比贡未，功能部件的利用率提高了种樱，控制變復(fù)雜了蒙袍。
（3）指令的流水執(zhí)行是把一個指令的執(zhí)行過程分解為若干個子過程，每個子過程由專門的功能部件來實(shí)現(xiàn)嫩挤。把多個處理過程在時間上錯開害幅，依次通過各功能段，每個子過程與其它的子過程并行進(jìn)行岂昭。依靠提高吞吐率來提高系統(tǒng)性能以现。流水線中各段的時間應(yīng)盡可能相等
3.3 簡述先行控制的基本思想。
答：先行控制技術(shù)是把緩沖技術(shù)和預(yù)處理技術(shù)相結(jié)合约啊。緩沖技術(shù)是在工作速度不固定的兩個功能部件之間設(shè)置緩沖器邑遏，用以平滑它們的工作。預(yù)處理技術(shù)是指預(yù)取指令恰矩、對指令進(jìn)行加工以及預(yù)取操作數(shù)等记盒。
采用先行控制方式的處理機(jī)內(nèi)部設(shè)置多個緩沖站，用于平滑主存外傅、指令分析部件纪吮、運(yùn)算器三者之間的工作。這樣不僅使它們都能獨(dú)立地工作萎胰，充分忙碌而不用相互等待碾盟，而且使指令分析部件和運(yùn)算器分別能快速地取得指令和操作數(shù)，大幅度地提高指令的執(zhí)行速度和部件的效率技竟。這些緩沖站都按先進(jìn)先出的方式工作冰肴，而且都是由一組若干個能快速訪問的存儲單元和相關(guān)的控制邏輯組成。
采用先行控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多條指令的重疊解釋執(zhí)行榔组。
3.4 設(shè)一條指令的執(zhí)行過程分成取指令熙尉、分析指令和執(zhí)行指令三個階段，每個階段所需的時間分別為△t瓷患、△t和2△t 骡尽。分別求出下列各種情況下，連續(xù)執(zhí)行N條指令所需的時間擅编。
（1）順序執(zhí)行方式；
（2）只有“取指令”與“執(zhí)行指令”重疊箫踩；
（3）“取指令”爱态、“分析指令”與“執(zhí)行指令”重疊。
解：（1）每條指令的執(zhí)行時間為：△t＋△t＋2△t＝4△t
連續(xù)執(zhí)行N條指令所需的時間為：4N△t
（2）連續(xù)執(zhí)行N條指令所需的時間為：4△t＋3（N-1）△t＝（3N＋1）△t
（3）連續(xù)執(zhí)行N條指令所需的時間為：4△t＋2（N-1）△t＝（2N＋2）△t
3.5 簡述流水線技術(shù)的特點(diǎn)境钟。
答：流水技術(shù)有以下特點(diǎn)：
（1） 流水線把一個處理過程分解為若干個子過程锦担，每個子過程由一個專門的功能部件來實(shí)現(xiàn)。因此慨削，流水線實(shí)際上是把一個大的處理功能部件分解為多個獨(dú)立的功能部件洞渔，并依靠它們的并行工作來提高吞吐率套媚。
（2） 流水線中各段的時間應(yīng)盡可能相等，否則將引起流水線堵塞和斷流磁椒。
（3） 流水線每一個功能部件的前面都要有一個緩沖寄存器堤瘤，稱為流水寄存器。
（4）?流水技術(shù)適合于大量重復(fù)的時序過程浆熔，只有在輸入端不斷地提供任務(wù)本辐，才能充分發(fā)揮流水線的效率。
（5）?流水線需要有通過時間和排空時間医增。在這兩個時間段中慎皱，流水線都不是滿負(fù)荷工作。
3.6 解決流水線瓶頸問題有哪兩種常用方法叶骨？
答：細(xì)分瓶頸段與重復(fù)設(shè)置瓶頸段
3.7 減少流水線分支延遲的靜態(tài)方法有哪些茫多？
答：（1）預(yù)測分支失敗：沿失敗的分支繼續(xù)處理指令忽刽，就好象什么都沒發(fā)生似的地梨。當(dāng)確定分支是失敗時，說明預(yù)測正確缔恳，流水線正常流動宝剖；當(dāng)確定分支是成功時，流水線就把在分支指令之后取出的指令轉(zhuǎn)化為空操作歉甚，并按分支目標(biāo)地址重新取指令執(zhí)行万细。
（2）預(yù)測分支成功：當(dāng)流水線ID段檢測到分支指令后，一旦計(jì)算出了分支目標(biāo)地址纸泄，就開始從該目標(biāo)地址取指令執(zhí)行赖钞。
（3）延遲分支：主要思想是從邏輯上“延長”分支指令的執(zhí)行時間。把延遲分支看成是由原來的分支指令和若干個延遲槽構(gòu)成聘裁。不管分支是否成功雪营，都要按順序執(zhí)行延遲槽中的指令。
3種方法的共同特點(diǎn)：它們對分支的處理方法在程序的執(zhí)行過程中始終是不變的衡便。它們要么總是預(yù)測分支成功献起，要么總是預(yù)測分支失敗。
3.8 簡述延遲分支方法中的三種調(diào)度策略的優(yōu)缺點(diǎn)镣陕。
調(diào)度策略對調(diào)度的要求對流水線性能改善的影響
從前調(diào)度分支必須不依賴于被調(diào)度的指令總是可以有效提高流水線性能
從目標(biāo)處調(diào)度如果分支轉(zhuǎn)移失敗谴餐，必須保證被調(diào)度的指令對程序的執(zhí)行沒有影響，可能需要復(fù)制被調(diào)度指令分支轉(zhuǎn)移成功時呆抑，可以提高流水線性能岂嗓。但由于復(fù)制指令，可能加大程序空間
從失敗處調(diào)度如果分支轉(zhuǎn)移成功鹊碍，必須保證被調(diào)度的指令對程序的執(zhí)行沒有影響分支轉(zhuǎn)移失敗時厌殉，可以提高流水線性能
3.9列舉出下面循環(huán)中的所有相關(guān)食绿，包括輸出相關(guān)、反相關(guān)公罕、真相關(guān)器紧。
for (i=2; i<100; i=i+1)
a[i]=b[i]+a[i] ;/* s1 */
c[i+1]=a[i]+d[i] ;?/* s2 */
a[i-1]=2*b[i] ;?/* s3 */
b[i+1]=2*b[i] ;/* s4 */
解：展開循環(huán)兩次：
a[i] = b[i] + a[i]?; /* s1 */
c[i+1] = a[i] + d[i]?; /* s2 */
a[i-1] = 2 * b[i]?; /* s3 */
b[i+1] = 2 * b[i]?; /* s4 */
a[i+1] = b[i+1] + a[i+1]?; /* s1’ */
c[i+2] = a[i+1] + d[i+1]?; /* s2 ‘*/
a[i] = 2 * b[i+1]?; /* s3 ‘*/
b[i+2] = 2 * b[i+1]?; /* s4 ‘*/
輸出相關(guān)：無
反相關(guān)：無
真相關(guān)：S1&S2
由于循環(huán)引入的相關(guān)：S4&S4’（真相關(guān)）、S1’&S4（真相關(guān)）熏兄、S3’&S4（真相關(guān)）品洛、S1&S3’（輸出相關(guān)、反相關(guān)）摩桶、S2&S3’（反相關(guān)）桥状。
3.12 有一指令流水線如下所示
求連續(xù)輸入10條指令，該流水線的實(shí)際吞吐率和效率硝清；
該流水線的“瓶頸”在哪一段辅斟？請采取兩種不同的措施消除此“瓶頸”。對于你所給出的兩種新的流水線芦拿，連續(xù)輸入10條指令時士飒，其實(shí)際吞吐率和效率各是多少？
解：（1）
（2）瓶頸在3蔗崎、4段酵幕。
變成八級流水線（細(xì)分）
重復(fù)設(shè)置部件
3.14 有一條靜態(tài)多功能流水線由5段組成，加法用1缓苛、3芳撒、4、5段未桥，乘法用1笔刹、2、5段冬耿，第3段的時間為2△t舌菜，其余各段的時間均為△t，而且流水線的輸出可以直接返回輸入端或
暫存于相應(yīng)的流水寄存器中∫嘞猓現(xiàn)要在該流水線上計(jì)算 ????????????日月，畫出其時空圖，并計(jì)算其吞吐率染乌、加速比和效率山孔。
解：首先，應(yīng)選擇適合于流水線工作的算法荷憋。對于本題，應(yīng)先計(jì)算A1＋B1褐望、A2＋B2勒庄、A3＋B3和A4＋B4串前；再計(jì)算(A1＋B1) ×(A2＋B2)和(A3＋B3) ×(A4＋B4)；然后求總的結(jié)果实蔽。
其次荡碾，畫出完成該計(jì)算的時空圖，如圖所示局装，圖中陰影部分表示該段在工作坛吁。
由圖可見，它在18個△t時間中铐尚，給出了7個結(jié)果拨脉。所以吞吐率為：
如果不用流水線，由于一次求積需3△t宣增，一次求和需5△t玫膀，則產(chǎn)生上述7個結(jié)果共需（4×5+3×3）△t?=29△t。所以加速比為：
該流水線的效率可由陰影區(qū)的面積和5個段總時空區(qū)的面積的比值求得：
?????????????????????????????
3.15 動態(tài)多功能流水線由6個功能段組成爹脾，如下圖：
其中帖旨，S1、S4灵妨、S5解阅、S6組成乘法流水線，S1泌霍、S2货抄、S3、S6組成加法流水線烹吵，各個功能段時間均為50ns碉熄，假設(shè)該流水線的輸出結(jié)果可以直接返回輸入端，而且設(shè)置有足夠的緩沖寄存器肋拔，若以最快的方式用該流水計(jì)算：
畫出時空圖锈津；
計(jì)算實(shí)際的吞吐率、加速比和效率凉蜂。
解：機(jī)器一共要做10次乘法维苔，4次加法。
第5章 存儲層次
簡述“Cache—主存”層次與“主存—輔存”層次的區(qū)別豁鲤。
答：
??????????????存儲層次
比較項(xiàng)目
“Cache—主存”層次“主存—輔存”層次
目的為了彌補(bǔ)主存速度的不足為了彌補(bǔ)主存容量的不足
存儲管理的實(shí)現(xiàn)全部由專用硬件實(shí)現(xiàn)主要由軟件實(shí)現(xiàn)
訪問速度的比值
（第一級比第二級）
幾比一幾萬比一
典型的塊（頁）大小幾十個字節(jié)幾百到幾千個字節(jié)
CPU對第二級的訪問方式可直接訪問均通過第一級
不命中時CPU是否切換不切換切換到其它進(jìn)程
地址映象方法有哪幾種兜材？它們各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？
答：(1) 全相聯(lián)映象纫雁。實(shí)現(xiàn)查找的機(jī)制復(fù)雜煌往，代價(jià)高，速度慢。Cache空間的利用率較高刽脖，塊沖突概率較低羞海，因而Cache的失效率也低。（2）直接映象曲管。實(shí)現(xiàn)查找的機(jī)制簡單却邓，速度快。Cache空間的利用率較低院水，塊沖突概率較高腊徙，因而Cache的失效率也高。（3）組相聯(lián)映象檬某。組相聯(lián)是直接映象和全相聯(lián)的一種折衷撬腾。
降低Cache失效率有哪幾種方法？簡述其基本思想橙喘。
答：常用的降低Cache失效率的方法有下面幾種：
增加Cache塊大小时鸵。增加塊大小利用了程序的空間局部性。
增加Cache的容量厅瞎。
提高相聯(lián)度饰潜，降低沖突失效。
偽相聯(lián)Cache和簸，降低沖突失效彭雾。當(dāng)對偽相聯(lián)Cache進(jìn)行訪問時，首先是按與直接映象相同的方式進(jìn)行訪問锁保。如果命中薯酝，則從相應(yīng)的塊中取出所訪問的數(shù)據(jù)，送給CPU爽柒，訪問結(jié)束吴菠。如果不命中，就將索引字段的最高位取反浩村，然后按照新索引去尋找“偽相聯(lián)組”中的對應(yīng)塊做葵。如果這一塊的標(biāo)識匹配，則稱發(fā)生了“偽命中”心墅。否則酿矢，就訪問下一級存儲器。
硬件預(yù)取技術(shù)怎燥。在處理器提出訪問請求前預(yù)取指令和數(shù)據(jù)瘫筐。
由編譯器控制的預(yù)取，硬件預(yù)取的替代方法铐姚，在編譯時加入預(yù)取的指令策肝，在數(shù)據(jù)被用到之前發(fā)出預(yù)取請求。
編譯器優(yōu)化，通過對軟件的優(yōu)化來降低失效率驳糯。
“犧牲”Cache篇梭。在Cache和其下一級存儲器的數(shù)據(jù)通路之間增設(shè)一個全相聯(lián)的小Cache氢橙，存放因沖突而被替換出去的那些塊酝枢。每當(dāng)發(fā)生不命中時，在訪問下一級存儲器之前悍手，先檢查“犧牲”Cache中是否含有所需的塊帘睦。如果有，就將該塊與Cache中某個塊做交換坦康，把所需的塊從“犧牲”Cache?調(diào)入Cache竣付。
簡述減小Cache失效開銷的幾種方法。
答：讓讀失效優(yōu)先于寫滞欠、寫緩沖合并古胆、請求字處理技術(shù)、非阻塞Cache或非鎖定Cache技術(shù)筛璧、采用二級Cache逸绎。
5.6?通過編譯器對程序優(yōu)化來改進(jìn)Cache性能的方法有哪幾種？簡述其基本思想夭谤。
答：（1）數(shù)組合并棺牧。通過提高空間局部性來減少失效次數(shù)。有些程序同時用相同的索引來訪問若干個數(shù)組的同一維朗儒，這些訪問可能會相互干擾颊乘，導(dǎo)致沖突失效，可以將這些相互獨(dú)立的數(shù)組合并成一個復(fù)合數(shù)組醉锄，使得一個Cache塊中能包含全部所需元素乏悄。（2）內(nèi)外循環(huán)交換。循環(huán)嵌套時恳不，程序沒有按數(shù)據(jù)在存儲器中的順序訪問檩小。只要簡單地交換內(nèi)外循環(huán)，就能使程序按數(shù)據(jù)在存儲器中的存儲順序進(jìn)行訪問妆够。（3）循環(huán)融合识啦。有些程序含有幾部分獨(dú)立的程序段，它們用相同的循環(huán)訪問同樣的數(shù)組神妹，對相同的數(shù)據(jù)作不同的運(yùn)算颓哮。通過將它們?nèi)诤铣梢粋€單一循環(huán)，能使讀入Cache的數(shù)據(jù)被替換出去之前得到反復(fù)的使用鸵荠。（4）分塊冕茅。通過改進(jìn)時間局部性來減少失效。分塊不是對數(shù)組的整行或整列進(jìn)行訪問，而是對子矩陣或塊進(jìn)行操作姨伤。
5.7 在“Cache—主存”層次中哨坪，主存的更新算法有哪兩種？它們各有什么特點(diǎn)乍楚？
答：（1）寫直達(dá)法当编。易于實(shí)現(xiàn)，而且下一級存儲器中的數(shù)據(jù)總是最新的徒溪。
（2）寫回法忿偷。速度快，“寫”操作能以Cache存儲器的速度進(jìn)行臊泌。而且對于同一單元的多個寫最后只需一次寫回下一級存儲器鲤桥，有些“寫”只到達(dá)Cache，不到達(dá)主存渠概，因而所使用的存儲器頻帶較低茶凳。
5.8 組相聯(lián)Cache的失效率比相同容量直接映象Cache的失效率低。由此能否得出結(jié)論：采用組相聯(lián)一定能帶來性能上的提高播揪？為什么贮喧？
答：不一定。因?yàn)榻M相聯(lián)命中率的提高是以增加命中時間為代價(jià)的剪芍，組相聯(lián)需要增加多路選擇開關(guān)塞淹。
5.9 寫出三級Cache的平均訪問時間的公式。
解：平均訪存時間 ＝ 命中時間＋失效率×失效開銷
只有第I層失效時才會訪問第I＋1罪裹。
設(shè)三級Cache的命中率分別為HL1饱普、?Hl2、?HL3状共，失效率分別為Ml1套耕、Ml2、ML3峡继，第三級Cache的失效開銷為PL3冯袍。
平均訪問時間TA ＝HL1＋Ml1{Hl2＋Ml2(HL3＋ML3×PL3)}
5.10 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%碾牌。Cache的命中時間為1個時鐘周期康愤，失效開銷為50 個時鐘周期，在混合Cache中一次load或store操作訪問Cache的命中時間都要增加一個時鐘周期舶吗，32KB的指令Cache的失效率為0.39%征冷，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%誓琼。又假設(shè)采用寫直達(dá)策略检激，且有一個寫緩沖器肴捉，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相比叔收，哪種Cache的失效率更低齿穗？兩種情況下平均訪存時間各是多少？
解：（1）根據(jù)題意饺律，約75%的訪存為取指令窃页。
因此，分離Cache的總體失效率為：（75%×0.15%）＋（25%×3.77%）＝1.055%蓝晒； ???
容量為128KB的混合Cache的失效率略低一些腮出，只有0.95%。 ??
（2）平均訪存時間公式可以分為指令訪問和數(shù)據(jù)訪問兩部分： ????
?平均訪存時間＝指令所占的百分比×（讀命中時間＋讀失效率×失效開銷）＋ ???????????????數(shù)據(jù)所占的百分比×（數(shù)據(jù)命中時間＋數(shù)據(jù)失效率×失效開銷） ???
所以芝薇，兩種結(jié)構(gòu)的平均訪存時間分別為： ?
分離Cache的平均訪存時間＝75%×（1＋0.15%×50）＋25%×（1＋3.77%×50）
＝（75%×1.075）＋（25%×2.885）＝1.5275??????
混合Cache的平均訪存時間＝75%×（1＋0.95%×50）＋25%×（1＋1＋0.95%×50）
＝（75%×1.475）＋（25%×2.475）＝1.725
因此，盡管分離Cache的實(shí)際失效率比混合Cache的高作儿，但其平均訪存時間反而較低洛二。分離Cache提供了兩個端口，消除了結(jié)構(gòu)相關(guān)攻锰。
5.11 給定以下的假設(shè)晾嘶，試計(jì)算直接映象Cache和兩路組相聯(lián)Cache的平均訪問時間以及CPU的性能。由計(jì)算結(jié)果能得出什么結(jié)論娶吞？
理想Cache情況下的CPI為2.0垒迂，時鐘周期為2ns，平均每條指令訪存1.2次妒蛇；
兩者Cache容量均為64KB机断，塊大小都是32字節(jié)；
組相聯(lián)Cache中的多路選擇器使CPU的時鐘周期增加了10％绣夺；
這兩種Cache的失效開銷都是80ns吏奸；
命中時間為1個時鐘周期；
64KB直接映象Cache的失效率為1.4％陶耍，64KB兩路組相聯(lián)Cache的失效率為1.0％奋蔚。
解：??平均訪問時間＝命中時間＋失效率×失效開銷
平均訪問時間1-路=2.0+1.4% *80=3.12ns
平均訪問時間2-路=2.0*(1+10%)+1.0% *80=3.0ns
兩路組相聯(lián)的平均訪問時間比較低
CPUtime=（CPU執(zhí)行+存儲等待周期）*時鐘周期
CPU time=IC（CPI執(zhí)行+總失效次數(shù)/指令總數(shù)*失效開銷）?*時鐘周期
=IC（（CPI執(zhí)行*時鐘周期）+（每條指令的訪存次數(shù)*失效率*失效開銷*時鐘周期））
CPU time 1-way=IC(2.0*2+1.2*0.014*80)＝5.344IC
CPU time 2-way=IC(2.2*2+1.2*0.01*80)＝5.36IC
相對性能比：5.36/5.344=1.003
直接映象cache的訪問速度比兩路組相聯(lián)cache要快1.04倍，而兩路組相聯(lián)Cache的平均性能比直接映象cache要高1.003倍烈钞。因此這里選擇兩路組相聯(lián)泊碑。
