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计算机系统结构三四章作业及答案

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3.1 简述流水线技术的特点。（1） 流水线把一个处理过程分解为若干个子过程，每个子过程由一个专门的功能部件来实现。因此，流水线实际上是把一个大的处理功能部件分解为多个独立的功能部件，并依靠它们的并行工作来提高吞吐率。（2） 流水线中各段的时间应尽可能相等，否则将引起流水线堵塞和断流。（3） 流水线每一个功能部件的前面都要有一个缓冲寄存器，称为流水寄存器。（4） 流水技术适合于大量重复的时序过程，只有在输入端不断地提供任务，才能充分发挥流水线的效率。（5） 流水线需要有通过时间和排空时间。在这两个时间段中，流水线都不是满负荷工作。

3.2 解决流水线瓶颈问题有哪两种常用方法？答：细分瓶颈段与重复设置瓶颈段

3.3 有一条指令流水线如下所示：

（1）求连续输入10条指令的情况下，该流水线的实际吞吐率和效率。（2）该流水线的瓶颈在哪一段？请采用两种不同的措施消除此瓶颈。对于你所给出的两种新的流水线，连续输入10条指令时，其实际吞吐率和效率各是多少？解：（1）

2200(ns)2009200)10050(50t)1n(tTmaxm1iipipeline

)(ns2201TnTP1pipeline

45.45%1154400TPmtTPEm1ii

（2）瓶颈在3、4段。

 变成八级流水线（细分）

850(ns)509850t1)(ntTmaxm1iipipeline

)(ns851TnTP1pipeline 58.82%17108400TPmtiTPEm1i

 重复设置部件 50ns 50ns 100ns 200ns 1 2 3 4

123_13_24_14_4入出50ns50ns50ns50ns50ns50ns)(ns851TnTP1pipeline

58.82%1710885010400E

3.4 有一个流水线由4段组成，其中每当流过第三段时，总要在该段循环一次，然后才能流到第4段。如果每段经过一次所需的时间都是△t，问：

（1）当在流水线的输入端连续地每△t时间输入一个任务时，该流水线会发生什么情况？

（2）此流水线的最大吞吐率为多少？如果每2△t输入一个任务，连续处理10个任务时，其实际吞吐率和效率是多少？

（3）当每段时间不变时，如何提高流水线的吞吐率？人连续处理10个任务时，其吞吐率提高多少？

解：（1）会发生流水线阻塞情况。

第1个任务 S1 S2 S3 S3 S4

第2个任务 S1 S2 stall S3 S3 S4

第3个任务 S1 stall S2 stall S3 S3 S4

第4个任务 S1 stall S2 stall S3 S3 S4

（2） 1 2 3-1

3-2 4-1

4-2

4-3

4-4 1 2 3_1 3_2 4_1 4_2 4_3 4_4

1 1 1 1

2 2 2 2

3 3 3 3

4 4 4 4

5 5 5 5

6 6 6 6

7

7 7 7

8 8

9 9

10 10 8

9 10 8

9 10

850ns 时间 段

段

时间 1 2 3 4

1 1 1 1 1

2 2 2 2 2

3 3 3 3 3

4 4 4 4 4

5 5 5 5 5

6 6 6 6 6

7 7 7 7 7

8 8 8 8 8

9 9 9 9 9

10 10 10 10 10

t  23 54.35%925045TPE2310TnTp23T21TPpipelinepipelinemaxtttt

（3）重复设置部件

tt751410TnTPpipeline

吞吐率提高倍数＝tt231075＝1.64

3.5 有一条动态多功能流水线由5段组成，加法用1、3、4、5段，乘法用1、2、5段，第2段的时间为2△t，其余各段的时间均为△t，而且流水线的输出可以直接返回输入端或暂存于相应的流水线寄存器中。现在该流水线上计算41)(iiiBA，画出时空图，并计算其吞吐率、加速比和效率。

解：首先，应选择适合于流水线工作的算法。对于本题，应先计算A1＋B1、A2＋B2、A3＋B3和A4＋B4；再计算(A1＋B1) ×(A2＋B2)和(A3＋B3) ×(A4＋B4)；然后求总的结果。 △t 2△t △t △t

1 2 3 4 5 △t

1 2 3_1

3_2 4

Δt Δt Δt

Δt Δt

段

时间 1 1 2 3_1 3_2 4

1 1 1 1

2 2 2 2 2

3 3 3 3 3

4 4 4 4 4

5 5 5 5 5

6 6 6 6 6

7 7 7 7 7

8 8 8 8 8

9 9 9 9 9

10 10 10 10 10

t  14 其次，画出完成该计算的时空图，如图所示，图中阴影部分表示该段在工作。

由图可见，它在18个△t时间中，给出了7个结果。所以吞吐率为：

tTP817

如果不用流水线，由于一次求积需3△t，一次求和需5△t，则产生上述7个结果共需（4×5+3×3）△t =29△t。所以加速比为：

该流水线的效率可由阴影区的面积和5个段总时空区的面积的比值求得：

3.6 在一个5段流水线处理机上,各段执行时间均为△t,需经9△t才能完成一个任务,其预约表如下所示。

时间

功能段 1 2 3 4 5 6 7 8 9

S1 √ √

S2 √ √

S3 √ √ √

S4 √ √

S5 √ √

（1）画出流水线任务调度的状态转移图。

（2）求流水线的最有调度策略和流水线的最大吞吐率。

（3）按最优调度策略连续输入6个任务，流水线的实际吞吐率是多少？ 时间 段

1 2 3 4 5

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 输

入 A1

B1 A2

B2 A3

B3 A4

B4 A B C D

A

B C

D A×B A×B C×D A×B×C×D

A=A1＋B1

B=A2＋B2

C=A3＋B3

D=A4＋B4

C×D 17 18

61.18192ttS223.01853354E4.1 述3种向量处理方式，它们对向量处理机的结构的要求有何不同？

4.2 采用哪些方法来提高向量处理机的性能？

4.3 用链接技术时，向量指令能够链接执行必须满足哪些条件？

4.4 CRAY-l机器上，按照链接方式执行下述4条向量指令(括号中给出了相应功能部件时间)，如果向量寄存器和功能部件之间的数据传送需要1拍，试求此链接流水线的通过时间是多少拍？如果向量长度为 64，则需多少拍才能得到全部结果。

V0←存储器 （从存储器中取数：７拍）

V2←V0＋V1 （向量加：３拍）

V3←V2＜A3 （按(A3)左移：４拍）

V5←V3∧V4 （向量逻辑乘：２拍）

4.5 量处理机有16个向量寄存器，其中V0-V5种分别存放有向量A,B,C,D,E,F,向量的长度是8,向量各元素均为浮点数；处理部件采用两个单功能流水线，加法功能部件时间为2拍，乘法功能部件时间为3拍。采用类似CRAY-1的链接技术，先计算(A+B)×C,在流水线不停的情况下，接着计算(D+E)×F。

（1）求此链接流水线的通过时间是多少拍?（设寄存器出入各需1拍）

（2）假如每排时间为50ns，完成这些计算并把结果存进相应寄存器，此处理部件的时间吞吐率为多少MFLOPS?

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计算机系统结构三四章作业及答案

计算机系统结构三四章作业及答案

3.1 简述流水线技术的特点。（1） 流水线把一个处理过程分解为若干个子过程，每个子过程由一个专门的功能部件来实现。因此，流水线实际上是把一个大的处理功能部件分解为多个独立的功能部件，并依靠它们的并行工作来提高吞吐率。（2） 流水线中各段的时间应尽可能相等，否则将引起流水线堵塞和断流。（3）

流水线每一个功能部件的前面都要有一个缓冲寄存器，称为流水寄存器。（4） 流水技术适合于大量重复的时序过程，只有在输入端不断地提供任务，才能充分发挥流水线的效率。（5） 流水线需要有通过时间和排空时间。在这两个时间段中，流水线都不是满负荷工作。

3.2 解决流水线瓶颈问题有哪两种常用方法？答：细分瓶颈段与重复设置瓶颈段

3.3 有一条指令流水线如下所示：

（1）求连续输入10条指令的情况下，该流水线的实际吞吐率和效率。（2）该流水线的瓶颈在哪一段？请采用两种不同的措施消除此瓶颈。对于你所给出的两种新的流水线，连续输入10条指令时，其实际吞吐率和效率各是多少？解：（1）

（2）瓶颈在3、4段。

 变成八级流水线（细分）

 重复设置部件

)(ns851TnTP1pipeline

3.4 有一个流水线由4段组成，其中每当流过第三段时，总要在该段循环一次，然后才能流到第4段。如果每段经过一次所需的时间都是△t，问：

（1）当在流水线的输入端连续地每△t时间输入一个任务时，该流水线会发生什么情况？

（2）此流水线的最大吞吐率为多少？如果每2△t输入一个任务，连续处理10个任务时，其实际吞吐率和效率是多少？

（3）当每段时间不变时，如何提高流水线的吞吐率？人连续处理10个任务时，其吞吐率提高多少？

解：（1）会发生流水线阻塞情况。

第1个任务 S1 S2 S3 S3 S4

第2个任务 S1 S2 stall S3 S3 S4

第3个任务 S1 stall S2 stall S3 S3 S4

数字设计和计算机体系结构第二版答案

数字设计和计算机体系结构第二版答案

数字设计和计算机体系结构第二版答案

示例文章篇一：

《数字设计和计算机体系结构第二版》答案

一、第一章：数字逻辑基础

1. 问题：简述数字信号和模拟信号的区别。

- 答案：数字信号是离散的，只有有限个取值，比如0和1。就像电灯的开关，要么开（1）要么关（0），没有中间状态。而模拟信号是连续变化的，它可以取任意的值在一定的范围内。比如说气温的变化，它不是突然从一个值跳到另一个值，而是平滑地变化的。

- 解析：这个问题主要是考察对数字信号和模拟信号这两个基本概念的理解。通过简单的生活类比，像电灯开关和气温变化，能让我们更直观地理解它们的区别。

2. 问题：什么是布尔代数中的基本运算？

- 答案：布尔代数中的基本运算有与（AND）、或（OR）和非（NOT）。与运算就像是两个人合作完成一件事，只有当两个人都同意（都为1）的时候，结果才是1。或运算呢，就像是两个人中有一个人同意（只要有一个为1），结果就是1。非运算就好比是把一件事情反过来，原来是1就变成0，原来是0就变成1。

- 解析：这里用生活中的合作场景来类比布尔代数的基本运算，有助于理解这些抽象的逻辑运算概念。

二、第二章：组合逻辑电路

1. 问题：设计一个简单的2 - 输入与门电路。

- 答案：我们可以用基本的逻辑门电路元件来实现。从布尔代数的角度看，与门的逻辑表达式是Y = A AND B。如果用晶体管来实现的话，当A和B都为高电平（代表1）时，输出Y才为高电平（1）。在实际电路中，我们可以使用特定的芯片，比如74LS08芯片来实现这个2 - 输入与门电路。

- 解析：这个答案首先从理论的逻辑表达式出发，然后提到了实际的电路实现方式，从抽象到具体，让我们了解到如何设计一个2 - 输入与门电路。

2. 问题：解释组合逻辑电路的特点。

- 答案：组合逻辑电路的输出只取决于当前的输入。就好像是一个自动售货机，你投入多少钱（输入），它就会根据这个钱数给出相应的商品（输出），不会管你之前投入过多少钱。它没有记忆功能，每一次的输出都是由当前的输入直接决定的。

吉林大学计算机系统结构题库第三章

吉林大学计算机系统结构题库第三章

第三章 流水线技术

知识点汇总

先行控制、流水线、单功能流水线、多功能流水线、静态流水线、动态流水线、部件级流水线、处理机级流水线、处理机间流水线、线性流水线、非线性流水线、顺序流水线、乱序流水线、时空图、流水线性能评价（吞吐率、加速比、效率）、解决流水线瓶颈问题方法、相关（数据相关、名相关、控制相关）、换名技术、流水线冲突（结构冲突、数据冲突、控制冲突）、流水线互锁机制、定向技术、指令调度、预测分支失败、预测分支成功、延迟分支（从前调度、从失败处调度、从成功处调度）、流水寄存器、3种向量处理方式（横向、纵向、纵横）、链接技术。

简答题

1. 流水技术有哪些特点？（答出4个即可）（知识点：流水线）

答：1.将处理过程分解为若干子过程，由专门的功能部件来实现，2各段的时间尽可能相等，3各部件间都有一个缓冲寄存器，4适用于大量重复的时序过程，5需要通过时间和排空时间。

2. 什么是静态流水线？什么是动态流水线？（知识点：静态流水线、动态流水线）

答：同一时间段内，多功能流水线中的各段只能按同一种功能的连接方式工作；同一时间段内，多功能流水线中的各段可以按照不同的方式连接同时执行多种功能。

3. 什么是单功能流水线？什么是多功能流水线？（知识点：单功能流水线、多功能流水线）

答：只能完成一种固定功能的流水线。流水线的各段可以进行不同的连接，以实现不同的功能。

4. 什么是线性流水线？什么是非线性流水线？（知识点：线性流水线、非线性流水线）

答：流水线的各段串行连接，没有反馈回路。流水线中除了有串行的连接外，还有反馈回路。

5. 列举3种相关。（知识点：相关）

答：数据相关，名相关，控制相关。

6. 流水线中有哪三种冲突？各是什么原因造成的？（知识点：流水线冲突）

答：结构冲突，硬件资源满足不了指令重叠执行的要求；数据冲突，指令在流水线中重叠执行时需要用到前面指令的执行结果；控制冲突，流水线遇到分支指令和其他会改变PC值的指令。

计算机组成与系统结构试题整理

计算机组成与系统结构试题整理

1 一、 选择题（50分，每题2分，正确答案可能不只一个，可单选或复选）

1. （CPU周期、机器周期）是内存读取一条指令字的最短时间。

2. （多线程、多核）技术体现了计算机并行处理中的空间并行。

3. （冯•诺伊曼 、存储程序）体系结构的计算机把程序及其操作数据一同存储在存储器里。

4. （计算机体系结构）是机器语言程序员所看到的传统机器级所具有的属性，其实质是确定计算机系统中软硬件的界面。

5. （控制器）的基本任务是按照程序所排的指令序列，从存储器取出指令操作码到控制器中，对指令操作码译码分析，执行指令操作。

6. （流水线）技术体现了计算机并行处理中的时间并行。

7. （数据流）是执行周期中从内存流向运算器的信息流。

8. （指令周期）是取出并执行一条指令的时间。

9. 1958年开始出现的第二代计算机，使用（晶体管）作为电子器件。

10. 1960年代中期开始出现的第三代计算机，使用（小规模集成电路、中规模集成电路）作为电子器件。

11. 1970年代开始出现的第四代计算机，使用（大规模集成电路、超大规模集成电路）作为电子器件。

12. Cache存储器在产生替换时，可以采用以下替换算法：（LFU算法、LRU算法、随机替换）。

13. Cache的功能由（硬件）实现，因而对程序员是透明的。

14. Cache是介于CPU和（主存 、内存）之间的小容量存储器，能高速地向CPU提供指令和数据，从而加快程序的执行速度。

15. Cache由高速的（SRAM）组成。

16. CPU的基本功能包括（指令控制、操作控制、时间控制、数据加工）。

17. CPU的控制方式通常分为：（同步控制方式、异步控制方式、联合控制方式）反映了时序信号的定时方式。

18. CPU的联合控制方式的设计思想是：（在功能部件内部采用同步控制方式、在功能部件之间采用异步控制方式、在硬件实现允许的情况下，尽可能多地采用异步控制方式）。