计算机系统结构计算题.doc

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计算题

用一条4段浮点加法器流水线求8个浮点数的和:Z =A +B +C +D +E +F +G +H 解:

Z =[(A +B)+(C +D)]+[(E +F)+(G +H)]

例 设在下图所示的静态流水线上计算:

流水线的输出可以直接返回输入端或暂存于相应的流水寄存器中,试计算其吞吐率、加

周期 1 2 3 规格化

尾数加

对阶 求阶差 时间A C E G A+B E+F A+B+C+D 7个浮点加法共用了15个时钟周期。 流水线的吞吐率为:TP n T t t

k ==?=?7150471?? 流水线的加速比为:S T T t t k ==???=?04715187?? 流水线的效率为:E T k T t t k =?=????=?047415047?? 乘法 加减法 时间 段 输

入 A 1 B 1 A 2 B 2 A 3 B 3 A 4 B 4 A B C D A ×B C ×D 1 2 3 4

(3)计算性能

在18个△t 时间中,给出了7个结果。吞吐率为:

不用流水线,由于一次求和需6△t ,一次求积需4△t

则产生上述7个结果共需(4×6+3×4)△t = 36△t

加速比为

流水线的效率

例 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寄存器中。若在该流水线上计算: 试计算其吞吐率、加速比和效率。

(1) 选择适合于流水线工作的算法

应先计算A 1×B 1、A 2×B 2、A 3×B 3和A 4×B 4;

再计算(A 1×B 1)+(A 2×B 2)

(A 3×B 3)+(A 4×B 4);

然后求总的累加结果。

(2) 画出时空图

(3) 计算性能

非线性流水线

例5.3:一条4功能段的非线性流水线,每个功能段的延迟时间都相等,它的预约表如下:

(1)写出流水线的禁止向量和初始冲突向量。 乘法 加法 t TP ?=18756.11828≈??=t t S 31.018

54344≈??+?=E

(2)画出调度流水线的状态图。

(3)求最小启动循环和最小平均启动距离。

(4)求平均启动距离最小的恒定循环。

解:

(1)禁止向量为:(2,4,6)

初始冲突向量:S = 101010

(2)构造状态图

S逻辑右移2、4、6位时,不作任何处理,

逻辑右移1、3、5和大于等于7时:

S右移1位之后:010101∨101010=111111,

S右移3位之后:000101∨101010=101111,

S右移5位之后:000001∨101010=101011,

S右移7位或大于7位后:还原到它本身。

101111右移5位之后:000001∨101010=101011,

101011右移3位之后:000101∨101010=101111,

101011右移5位之后:000001∨101010=101011。

简单循环:状态图中各种冲突向量只经过一次的启动循环。

(3)最小的启动循环为(1,7)和(3,5), 平均启动距离为 4。

(4)启动距离最小的恒定循环为(5)

向量链接练习题

加法需6拍,相乘需7拍,从存储器读数需6拍,求倒数近似值需14拍,打入寄存器及启动功能部件(包括寄存器)各需1拍。

解:

(1) V0←存储器

V1←V2+V3

V4←V5*V6

三条指令可并行执行,所需时间为执行时间最长的指令的执行时间:(1+7+1) + (32-1) = 40 2) V2←V0+V1

V3←存储器

V4←V2*V3

指令1、指令2并行执行并与指令3链接,所需时间为(1+6+1) + (1+7+1) + (32-1) = 48 (3) V0←存储器

V3←V1+V2

V4←V0*V3

V6←V4+V5

指令1、指令2并行执行并与指令3链接,指令4与指令2存在功能部件冲突,需等待前一流水链完成之后执行,所需时间为(1+6+1) + (1+7+1) + (32-1) + (1+6+1) + (32-1) = 87 (4) V0←存储器

V1←1/V0

V3←V1+V2

V5←V3*V4

4条指令相链接,所需时间为(1+6+1) + (1+14+1) + (1+6+1) + (1+7+1) + (32-1) = 72 (5) V0←存储器

V1←V2+V3

V4←V5*V6

s0←s1+s2

前3条指令并行执行,最后一条与指令2存在功能部件冲突,所需时间为(1+7+1) + (32-1) + (1+6+1) = 48

(6) V3←存储器

V2←V0+V1

s0←s2+s3

V3←V1*V4

前2条指令并行执行,后2条指令并行执行,所需时间为(1+6+1) + (32-1) + (1+7+1) +(32-1) = 79

(7) V3←存储器

V2←V0+V1

V4←V2*V3

存储器←V4

前2条指令执行,再与第3条相链接,此流水链与第4条指令存在功能部件冲突,所需时间为(1+6+1) + (1+7+1) + (32-1) + (1+6+1) + (32-1) = 87

(8) V0←存储器

V2←V0+V1

V3←V2*V1

V5←V3*V4

前2条指令相链接,此流水链与第3条指令存在寄存器冲突,第3条指令与第4条指令存在功能部件冲突,所需时间为(1+6+1) + (1+6+1) + (32-1) + (1+7+1) + (32-1) + (1+7+1) + (32-1) = 127

在Cray 1机上,按链接方式执行下面4条向量指令(括号中给出相应功能部件时间),如果向量寄存器和功能部件之间的数据传输需要1拍,试求此链接流水线的流过时间为多少拍?如果向量长度为64,则需要多少拍能得到全部结果。

V0←存储器 (存储器取数:7拍)

V2←V0+V1 (向量加:3拍)

V3←V2

V5←V3∧V4 (向量逻辑乘:2拍)

解:

流水线经过时间为(1+7+1) + (1+3+1) + (1+4+1) + (1+2+1) = 24。

如果向量长度为64,则需24 + (64-1) = 87拍能得到全部结果。

计算机系统结构模拟试题(5)

计算机组成原理模拟试题(2) 一、填空题:04分,每题02分 1、X=-0.1001 [X]原=_____________ [X]补=_____________[-X]补=_____________ Y=0.0101 [Y]原=_____________ [Y]补=_____________ [-Y]补=_____________ [X+Y]补=_____________ 2、对西文输出的字符设备,在计算机的内存储器中存储的是字符数据的每个字符的_____________码,输出(包括显示或打印)的则是每个字符的_____________,设备中的字符发生器的主要功能是解决从字符的_____________码和字符的_____________间的对应关系。 二、单选题:20分,每题02分 3、32 x 32点阵汉字的机内编码需要。 A: 16个字节 B: 32个字节 C: 32×2个字节 D: 32×4个字节 4、某机字长32位,采用原码定点整数表示,符号位为1位,数值位为31位,则可表示的最大正整数为,最小负整数为。 A: B: C: D: 5、在定点二进制运算器中,减法运算一般通过来实现。 A: 原码运算的二进制减法器 B: 补码运算的二进制减法器 C: 补码运算的十进制加法器 D: 补码运算的二进制加法器 6、在浮点数运算中产生溢出的原因是。 A: 运算过程中最高位产生了进位或借位 B: 参加运算的操作数超出了机器的表示范围 C: 运算的结果的阶码超出了机器的表示范围 D: 寄存器的位数太少,不得不舍弃最低有效位 7、无论如何划分计算机的功能部件,控制器部件中至少含有。 A: PC、IP B: PC、IR C: IR、IP D: AR、IP 8、某存储器容量为32K×16位,则 A: 地址线为16根,数据线为32根 B: 地址线为32根,数据线为16根

北邮高级计算机系统结构实验二三四五

实验二指令流水线相关性分析 ·实验目的 通过使用WINDLX模拟器,对程序中的三种相关现象进行观察,并对使用专用通路,增加运算部件等技术对性能的影响进行考察,加深对流水线和RISC处理器的特点的理解。 ·实验原理: 指令流水线中主要有结构相关、数据相关、控制相关。相关影响流水线性能。·实验步骤 一.使用WinDLX模拟器,对做如下分析: (1)观察程序中出现的数据/控制/结构相关。指出程序中出现上述现象的指令组合。 (2)考察增加浮点运算部件对性能的影响。 (3)考察增加forward部件对性能的影响。 (4)观察转移指令在转移成功和转移不成功时候的流水线开销。 ·实验过程 一.使用WinDLX模拟器,对做如下分析: } 浮点加、乘、除部件都设置为1,浮点数运算部件的延时都设置为4,如图1: 图1 初始设置 将和加载至WinDLX中,如图2示。

图2 加载程序 1.观察程序中出现的数据/控制/结构相关;指出程序中出现上述现象的指令组合。 1)数据相关 点击F7,使程序单步执行,当出现R-Stall时停止,运行过程中出现下图3所示,输入整数6。 图3 输入整数6 @ 打开Clock Diagram,可以清楚的看到指令执行的流水线如图4所示。 图4 指令流水线 双击第一次出现R-Stall的指令行,如图5所示。

图5 指令详细信息 对以上出现的情况分析如下: 程序发生了数据相关,R-Stall(R-暂停)表示引起暂停的原因是RAW。 lbu r3,0×0(r2) 要在WB周期写回r3中的数据;而下一条指令 & seqi r5,r3,0×a 要在intEX周期中读取r3中的数据。 上述过程发生了WR冲突,即写读相关。为了避免此类冲突, seq r5,r4,0×a的intEX指令延迟了一个周期进行。 由此,相关指令为: 2)控制相关 由图6可以看出,在第4时钟周期:第一条指令处于MEM段,第二条命令处于intEX段,第三条指令出于aborted状态,第四条命令处于IF段。 图 6 指令流水线 }

计算机体系结构实验报告二

实验二结构相关 一、实验目得: 通过本实验,加深对结构相关得理解,了解结构相关对CPU性能得影响。 二、实验内容: 1、用WinDLX模拟器运行程序structure_d、s 。 2、通过模拟,找出存在结构相关得指令对以及导致结构相关得部件。 3、记录由结构相关引起得暂停时钟周期数,计算暂停时钟周期数占总执行 周期数得百分比。 4、论述结构相关对CPU性能得影响,讨论解决结构相关得方法。 三、实验程序structure_d、s LHI R2, (A>>16)&0xFFFF 数据相关 ADDUI R2, R2, A&0xFFFF LHI R3, (B>>16)&0xFFFF ADDUI R3, R3, B&0xFFFF ADDU R4, R0, R3 loop: LD F0, 0(R2) LD F4, 0(R3) ADDD F0, F0, F4 ;浮点运算,两个周期,结构相关 ADDD F2, F0, F2 ; < A stall is found (an example of how to answer your questions) ADDI R2, R2, #8 ADDI R3, R3, #8 SUB R5, R4, R2 BNEZ R5, loop ;条件跳转 TRAP #0 ;; Exit < this is a ment !! A: 、double 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 B: 、double 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 四、实验过程 打开软件,load structure_d、s文件,进行单步运行。经过分析,此程序一 次循环中共有五次结构相关。(Rstall 数据相关Stall 结构相关) 1)第一个结构相关:addd f2,,f0,f2 由于前面得数据相关,导致上一条指令addd f0,f0,f4暂停在ID阶段,所以下一条指令addd f2,,f0,f2发生结构相关,导致相关得部件:译码部件。

计算机系统结构模拟试题5

计算机组成原理模拟试题(2)一、填空题:04分,每题02分 =_____________ [X]补=_____________补-X][1、 X=-0.1001 [X]原 =_____________ =_____________ =_____________ [-Y]补Y]原=_____________ []补 Y=0.0101 [Y ]补=_____________ [X+Y对西文输出的字符设备,在计算机的内存储器中存储的是 字符数据的每个字符的、 2,设备中的字符_____________(包括显示或打印)的则是每个字 符的码,输出_____________间的对应关_____________发生器的主要功能是解决从字符的 _____________码和字符的系。分二、单选题:20分,每题02 。3、 32 x 32点阵汉 字的机内编码需要 A: 16个字节 B: 32个字节 2个字节 C: 32×个字节 D: 32×4位,则可表示位,数值位为314、某机字长32位,采 用原码定点整数表示,符号位为1 。,最小负整数为的最大正整数为 A: B: C: D: 来实现。 5、在定点二进制运算器中,减法运算一般通过 A: 原码运算的二进制减法器 B: 补码运算的二进制减法器 C: 补码运算的十进制加法器 D: 补码运算的二进制加法器 。 6、在浮点数运算中产生溢出的原因是运算过程中最高位产生了进位或借位 A: 参加运算的操作数超出了机器的表示范围B: C: 运算的结果的阶码超出了机器的表示范围寄存器的位数太少,不得不舍弃最低有效位 D: 。 7、无论如何划分计算机的功能部件,控制器部件中至少含有 IP A: PC、 IR B: PC、、IP C: IR D: AR、IP 8、某存储器容量为32K×16位,则 A: 地址线为16根,数据线为32根 根16根,数据线为32地址线为B: C: 地址线为15根,数据线为16根 D: 地址线为15根,数据线为32根 9、在统一编址方式下,存储单元和I/O设备是靠指令中的来区分的。

计算机组织与体系结构实验报告

《计算机组织与体系结构》 实验报告 学号: XXX 姓名:XXX 班级:XXX 指导教师:XXX 时间: 2013年01月 中国矿业大学计算机学院

目录 一基本运算器实验 (2) 1、实验目的 (2) 2、实验设备 (2) 3、实验原理 (2) 4、实验步骤 (3) 5、实验结果 (5) 5、实验体会 (5) 二微程序控制实验 (6) 1、实验目的 (6) 2、实验设备 (6) 3、实验原理 (6) 4、实验步骤 (12) 5、实验体会 (13) 三CPU与简单模型机设计实验 (13) 1、实验目的 (13) 2、实验设备 (13) 3、实验原理 (13) 4、实验步骤 (18) 5、实验流图 (21) 6、实验体会 (25)

实验一基本运算器实验 1. 实验目的 (1) 了解运算器的组成结构。 (2) 掌握运算器的工作原理。 2. 实验设备 PC机一台,TD-CMA实验系统一套。 3.实验原理 本实验的原理如下图所示: 运算器内部含有三个独立运算部件,分别为算术、逻辑和移位运算部件,要处理的数据存于暂存器A和暂存器B,三个部件同时接受来自A和B的数据(有些处理器体系结构把移位运算器放于算术和逻辑运算部件之前,如ARM),各部件对操作数进行何种运算由控制信号S3…S0和CN来决定,任何时候,多路选择开关只选择三部件中一个部件的结果作为ALU的输出。如果是影响进位的运算,还将置进位标志FC,在运算结果输出前,置ALU零标志。ALU中所有模块集成在一片FPGA中。 逻辑运算部件由逻辑门构成,较为简单,而后面又有专门的算术运算部件设计实验,在此对这两个部件不再赘述。移位运算采用的是桶形移位器,一般采用交叉开关矩阵来实现,交叉开关的原理如图1-1-2所示。图中显示的是一个4X4的矩阵(系统中是一个8X8的矩阵)。每一个输入都通过开关与一个输出相连,把沿对角线的开关导通,就可实现移位功能,即: (1) 对于逻辑左移或逻辑右移功能,将一条对角线的开关导通,这将所有的输入位与所使用的输出分别相连,而没有同任何输入相连的则输出连接0。 (2) 对于循环右移功能,右移对角线同互补的左移对角线一起激活。例如,在4位矩阵中使用‘右1’和‘左3’对角线来实现右循环1位。 (3) 对于未连接的输出位,移位时使用符号扩展或是0填充,具体由相应的指令控制。使用另外的逻辑进行移位总量译码和符号判别。

计算机系统结构模拟题

《计算机系统结构》模拟题 一.判断是非题,对的打√,错的打× 1.系列机是指由一个厂家生产的具有相同组成,但具有不同系统结构和实现的一系列不同型号的机器。 ( × ) 2.Cray 1向量处理机中,由于每个向量寄存器的长度为64,当实际需要处理的向量长度大于64时,它就不能够处理了。 ( × ) 3.按照Flynn 分类法,Illiac IV 阵列处理机是MIMD 计算机。 ( × ) 4.多级混洗交换网络是阻塞网络。 ( √ ) 二.填空题 1.多机系统的互连网络的通信模式可分为4种,其中,一对一的通信模式称为____单播_____模式,一对全体的通信模式为_____广播____模式,多对多的通信模式为____会议_____模式。 2.SIMD 计算机和流水线向量处理机都可以执行向量指令,前者采用___资源重复______并行性,后者采用___时间重叠______并行性。 3.系列机软件兼容必须做到___向后_____兼容,力争做到___向上_____兼容。 4.流水线消除瓶颈段的方法有____细分_____和____重复设置瓶颈段(可交换次序)_____2种方法。 5.设通道数据传送过程中,选择一次设备的时间为 s T ,传送一个字节的时间为D T ,则字 节多路通道最大流量等于____ D s T T 1 _____。 6.Illiac IV 8×8阵列中,网络直径为____7_____。 7.对堆栈型替换算法,增大分配给程序的___主存页面______,对第一级存储器的命中率就会单调____上升_____。 8.从网络的任何结点看,若网络拓扑结构都是相同的,则称这样的网络是___对称______网络。 三.单项选择题 1.在计算机系统层次结构中,从下层到上层,各层相对顺序正确的是( B )。 A.汇编语言机器级-操作系统机器级-高级语言机器级 B.微程序机器级-传统机器语言机器级-汇编语言机器级 C.传统机器语言机器级-高级语言机器级-汇编语言机器级 D.汇编语言机器级-应用语言机器级-高级语言机器级 2.Illiac IV 阵列处理机中,PE 之间所用的互连函数是( A )。

计算机系统结构总复习题

一、单项选择题 1、直接执行微指令的是( ) A.汇编程序B.编译程序 C.硬件D.微指令程序 2、对系统程序员不透明的应当是( )。 A.Cache存贮器B.系列机各档不同的数据通路宽度C.指令缓冲寄存器D.虚拟存贮器 3、对机器语言程序员透明的是( )。 A.中断字B.主存地址寄存器 C.通用寄存器D.条件码 4、计算机系统结构不包括( )。 A.主存速度B.机器工作状态 C.信息保护D.数据 5、从计算机系统结构上讲,机器语言程序员所看到的机器属性是( )。A.计算机软件所要完成的功能B.计算机硬件的全部组成 C.编程要用到的硬件组织D.计算机各部件的硬件实现 6、计算机组成设计不考虑( )。 A.专用部件设置B.功能部件的集成度 C.控制机构的组成D.缓冲技术 7、以下说法中,不正确的是( )。 软硬件功能是等效的,提高硬件功能的比例会: A.提高解题速度B.提高硬件利用率 C.提高硬件成本D.减少所需要的存贮器用量 8、在系统结构设计中,提高软件功能实现的比例会( )。 A.提高解题速度B.减少需要的存贮容量 C.提高系统的灵活性D.提高系统的性能价格比 9、下列说法中不正确的是( )。 A.软件设计费用比软件重复生产费用高 B.硬件功能只需实现一次,而软件功能可能要多次重复实现 C.硬件的生产费用比软件的生产费用高 D.硬件的设计费用比软件的设计费用低 10、在计算机系统设计中,比较好的方法是( )。 A.从上向下设计B.从下向上设计 C.从两头向中间设计D.从中间开始向上、向下设计11、"从中间开始"设计的"中间"目前多数是在( )。 A.传统机器语言级与操作系统机器级之间 B.传统机器语言级与微程序机器级之间 C.微程序机器级与汇编语言机器级之间 D.操作系统机器级与汇编语言机器级之间 12、系列机软件应做到( )。 A.向前兼容,并向上兼容 B.向后兼容,力争向上兼容

计算机系统结构模拟题

《计算机系统结构》模拟题(补)一.单项选择题 1. SIMD是指()。 A、单指令流单数据流 B、单指令流多数据流 C、多指令流单数据流 D、多指令流多数据流 2. 磁盘外部设备适合于连接到()。 A.字节多路通道B.数组多路通道或选择通道 C.选择通道或字节多路通道D.数组多路通道或字节多路通道 3. 下列()存储设备不需要编址。 A. 通用寄存器 B. 主存储器 C. 输入输出设备 D. 堆栈 4.多处理机的各自独立型操作系统( )。 A.要求管理程序不必是可再入的 B.适合于紧耦合多处理机 C.工作负荷较平衡 D.有较高的可靠性 5.输入输出系统硬件的功能对( )是透明的。 A.操作系统程序员 B.应用程序员 C.系统结构设计人员 D.机器语言程序设计员 6. 实现汇编语言源程序变换成机器语言目标程序是由()。 A.编译程序解释B.编译程序翻译 C.汇编程序解释D.汇编程序翻译 7.全相联地址映象是指( )。 A.任何虚页都可装入主存中任何实页的位置 B.一个虚页只装进固定的主存实页位置 C.组之间是固定的,而组任何虚页可以装入任何实页位置 D.组间可任意装入,组是固定装入 8.( )属于MIMD系统结构。 A.各处理单元同时受同一个控制单元的管理 B.各处理单元同时接受同一个控制单元送来的指令 C.松耦合多处理机和多计算机 D.阵列处理机

9.设16个处理器编号分别为0,1,2,…,15用Cube3互联函数时,第10号处理机与第( ) 号处理机相联。 A.11 B.8 C.14 D.2 10.若输入流水线的指令既无局部性相关,也不存在全局性相关,则( )。 A.可获得高的吞吐率和效率 B.流水线的效率和吞吐率恶化 C.出现瓶颈 D.可靠性提高 11.流水线的技术指标不包括( )。 A.响应比 B.吞吐率 C.加速比 D.效率 12.指令优化编码方法,就编码的效率来讲,方法最好是()。 A. 固定长度编码 B. 扩展编码法 C. Huffman编码法 D. 以上编码都不是 13.RISC 计算机的指令系统集类型是 ( ) 。 A. 堆栈型 B. 累加器型 C. 寄存器—寄存器型 D. 寄存器 - 存储器型 14.相联存储器的访问方式是( )。 A.先进先出顺序访问B.按地址访问 C.无地址访问D.按容访问 15.存储器读写速率越高,每位的成本也越高,存储容量也小。解决这一问题的主要方法是采用( )。 A.多级存储体系结构B.并行存储器 C. Cache D.缓冲技术 16.计算机系统多级层次中,从下层到上层,各级相对顺序正确的应当是()。 A.汇编语言机器级---操作系统机器级---高级语言机器级 B.微程序机器级---传统机器语言机器级---汇编语言机器级 C.传统机器语言机器级---高级语言机器级---汇编语言机器级 D. 汇编语言机器级---应用语言机器级---高级语言机器级 17.对系统程序员不透明的是()。 A.Cache 存储器 B.系列几各档不同的数据通路宽度 C.指令缓冲寄存器 D.虚拟存储器 18.在计算机系统设计中,比较好的方法是()。

北邮计算机系统结构实验报告-实验一到五-WINDLX模拟器

北京邮电大学 实验报告 课程名称计算机系统结构 计算机学院03班 王陈(11)

目录 实验一WINDLX模拟器安装及使用......................................... 错误!未定义书签。 ·实验准备................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验环境................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验步骤................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验内容及要求.................................................................... 错误!未定义书签。 ·实验过程............................................................................. 错误!未定义书签。 ·实验总结............................................................................. 错误!未定义书签。实验二指令流水线相关性分析 ............................................... 错误!未定义书签。 ·实验目的............................................................................. 错误!未定义书签。 ·实验环境................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验步骤................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验过程............................................................................. 错误!未定义书签。 ·实验总结............................................................................. 错误!未定义书签。实验三DLX处理器程序设计 .................................................... 错误!未定义书签。 ·实验目的............................................................................. 错误!未定义书签。 ·实验环境................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验步骤................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验过程............................................................................. 错误!未定义书签。 A.向量加法代码及性能分析 ................................................... 错误!未定义书签。 B.双精度浮点加法求和代码及结果分析 .............................. 错误!未定义书签。 ·实验总结............................................................................. 错误!未定义书签。实验四代码优化 ....................................................................... 错误!未定义书签。 ·实验目的............................................................................. 错误!未定义书签。 ·实验环境................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验原理................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验步骤................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验过程............................................................................. 错误!未定义书签。 ·实验总结+实习体会........................................................... 错误!未定义书签。实验五循环展开 ....................................................................... 错误!未定义书签。 ·实验目的............................................................................. 错误!未定义书签。 ·实验环境................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验原理................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验步骤................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验过程............................................................................. 错误!未定义书签。 矩阵乘程序代码清单及注释说明........................................... 错误!未定义书签。 相关性分析结果........................................................................... 错误!未定义书签。 增加浮点运算部件对性能的影响........................................... 错误!未定义书签。 增加forward部件对性能的影响 ............................................ 错误!未定义书签。 转移指令在转移成功和转移不成功时候的流水线开销 .. 错误!未定义书签。 ·实验总结+实习体会+课程建议......................................... 错误!未定义书签。

计算机系统结构实验指导书-14

北京邮电大学 计算机学院 计算机系统结构实验指导书 王春露邝坚编著 2007.3 – 2013.4

目录z计算机系统结构实验简介 z DLX处理器简介 1. 实验一WINDLX模拟器安装及使用 2. 实验二指令流水线相关性分析 3. 实验三DLX处理器程序设计 4. 实验四代码优化 5. 实验五循环展开(选作)

计算机系统结构实验简介 DLX是一个虚拟处理器。该处理器是加州大学伯克利分校计算机系JohnL .H ennessy教授和斯坦福大学计算机系David A. Patterson教授在其《计算机体系结构:一种定量的方法》一书中提出的。该处理器反映了新一代处理器的特点。通过了解DLX处理器的结构和工作原理,并利用DLX模拟器进行实验,可以帮助学生综合地了解和运用有关处理器指令系统的设计、流水线的设计与实现等方面的知识,有助于计算机系统结构课程内容的理解。 DLX处理器简介 第一节 DLX基本结构 DLX是一种典型的Load/Store型指令集结构。它不仅体现了当今多种机器的指令集结构的共同特点,而且它还体现出未来一些机器的指令集结构的特点。这些机器的指令集结构设计思想都和DLX指令集结构的设计思想十分相似,它们都强调: (1) 具有一套简单的Load/Store指令集; (2) 注重指令流水效率; (3) 简化指令的译码; (4) 高效支持编译器。 DLX是一种易于学习和研究的处理器结构模型。这种类型的机器正在日趋流行,而且其结构非常易于理解。 1.DLX中的寄存器 DLX中有32个通用寄存器(GPRs),分别将其命名为R0,R1…R31。每个通用寄存器长度为32位。 另外,DLX中有32个浮点寄存器(FPRs),分别将其命名为F0,F1…F31。每个浮点寄存器长度为32位。这些浮点寄存器可以用来保存32位的单精度浮点数,或者通过相邻两个浮点寄存器奇偶对FiFi+1(i=0,2,4…,30)来保存双精度浮点数,这种组合而成的64位双精度浮点寄存器在DLX中分别被命名为F0,F2…F28,F30. 2. DLX数据类型 DLX提供了多种长度的整型数据和浮点数据。对整型数据而言,有8位,16位,32位多种长度;对浮点而言,有32位单精度浮点数和64位双精度浮点数。浮点数据表示采用的是IEEE754标准。DLX操作都是对32位整型数据及32或64位浮点数据进行的。 3.DLX的寻址方式和数据传送 DLX提供了寄存器寻址,立即寻址,偏移寻址和寄存器间接寻址四种寻址方式。寄存器寻址字段的大小为5位,用来标识32个通用寄存器或浮点寄存器。

计算机系统结构考试题库及答案

计算机系统结构试题及答案 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(程序控制、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)。 19.CPU的同步控制方式有时又称为(固定时序控制方式、无应答控 制方式)。 20.CPU的异步控制方式有时又称为(可变时序控制方式、应答控制 方式)。 21.EPROM是指(光擦可编程只读存储器)。 22.MOS半导体存储器中,(DRAM)可大幅度提高集成度,但由于(刷 新)操作,外围电路复杂,速度慢。 23.MOS半导体存储器中,(SRAM)的外围电路简单,速度(快),但 其使用的器件多,集成度不高。 24.RISC的几个要素是(一个有限的简单的指令集、CPU配备大量的 通用寄存器、强调对指令流水线的优化)。

计算机系统结构实验报告

计算机系统结构实验报告 一.流水线中的相关 实验目的: 1. 熟练掌握WinDLX模拟器的操作和使用,熟悉DLX指令集结构及其特点; 2. 加深对计算机流水线基本概念的理解; 3. 进一步了解DLX基本流水线各段的功能以及基本操作; 4. 加深对数据相关、结构相关的理解,了解这两类相关对CPU性能的影响; 5. 了解解决数据相关的方法,掌握如何使用定向技术来减少数据相关带来的暂停。 实验平台: WinDLX模拟器 实验内容和步骤: 1.用WinDLX模拟器执行下列三个程序: 求阶乘程序fact.s 求最大公倍数程序gcm.s 求素数程序prim.s 分别以步进、连续、设置断点的方式运行程序,观察程序在流水线中的执行情况,观察 CPU中寄存器和存储器的内容。熟练掌握WinDLX的操作和使用。 2. 用WinDLX运行程序structure_d.s,通过模拟找出存在资源相关的指令对以及导致资源相 关的部件;记录由资源相关引起的暂停时钟周期数,计算暂停时钟周期数占总执行周期数的 百分比;论述资源相关对CPU性能的影响,讨论解决资源相关的方法。 3. 在不采用定向技术的情况下(去掉Configuration菜单中Enable Forwarding选项前的勾选符),用WinDLX运行程序data_d.s。记录数据相关引起的暂停时钟周期数以及程序执行的 总时钟周期数,计算暂停时钟周期数占总执行周期数的百分比。 在采用定向技术的情况下(勾选Enable Forwarding),用WinDLX再次运行程序data_d.s。重复上述3中的工作,并计算采用定向技术后性能提高的倍数。 1. 求阶乘程序 用WinDLX模拟器执行求阶乘程序fact.s。这个程序说明浮点指令的使用。该程序从标准 输入读入一个整数,求其阶乘,然后将结果输出。 该程序中调用了input.s中的输入子程序,这个子程序用于读入正整数。 实验结果: 在载入fact.s和input.s之后,不设置任何断点运行。 a.不采用重新定向技术,我们得到的结果

系统结构期末考试试题及答案

得分 评分人 填空题: (20分,每题2 分) 单选题:(10分,每题1分) A.任何虚页都可装入主存中任何实页的位置 B. 一个虚页只装进固定的主存实页位置 《计算机系统结构》期末考试试卷(A ) 得分 注:1、共100分,考试时间120分钟。 2、此试卷适用于计算机科学与技术本科专业。 1、."启动I/O"指令是主要的输入输出指令,是属于( A. 目态指令 B.管态指令 C.目态、管态都能用的指令 D.编译程序只能用的指令 2、 输入输出系统硬件的功能对 (B )是透明的 A.操作系统程序员 B.应用程序员 C.系统结构设计人员 D.机器语言程序设计员 3、 全相联地址映象是指(A ) C. 组之间固定,组内任何虚页可装入任何实页位置 D.组间可任意装入,组内是固定装入 4、( C ) 属于MIMD 系统结构 A.各处理单元同时受一个控制单元的管理 B.各处理单元同时受同个控制单元送来的指令 C.松耦合多处理机和多计算机系统 D. 阵列处理机 5、多处理机上两个程序段之间若有先写后读的数据相关,则( B ) A.可以并行执行 B.不可能并行 C.任何情况均可交换串行 D.必须并行执行 6、 计算机使用的语言是(B ) A.专属软件范畴,与计算机体系结构无关 B.分属于计算机系统各个层次 C.属于用以建立一个用户的应用环境 D. 属于符号化的机器指令 7、 指令执行结果出现异常引起的中断是( C ) A.输入/输出中断 B.机器校验中断 C.程序性中断 D.外部中断 &块冲突概率最高的 Cache 地址映象方式是(A ) A.直接 B .组相联 C .段相联 D .全相联 9、 组相联映象、LRU 替换的Cache 存储器,不影响 Cache 命中率的是(B ) A.增大块的大小 B .增大主存容量 C .增大组的大小 D .增加Cache 中的块数 10、 流水处理机对全局性相关的处理不 包括(C ) A.猜测法 B.提前形成条件码 C.加快短循环程序的执行 D.设置相关专用通路

计算机体系结构实验报告二

实验二结构相关 一、实验目的: 通过本实验,加深对结构相关的理解,了解结构相关对CPU性能的影响。 二、实验内容: 1. 用WinDLX模拟器运行程序structure_d.s 。 2. 通过模拟,找出存在结构相关的指令对以及导致结构相关的部件。 3. 记录由结构相关引起的暂停时钟周期数,计算暂停时钟周期数占总执行 周期数的百分比。 4. 论述结构相关对CPU性能的影响,讨论解决结构相关的方法。 三、实验程序structure_d.s LHI R2, (A>>16)&0xFFFF 数据相关 ADDUI R2, R2, A&0xFFFF LHI R3, (B>>16)&0xFFFF ADDUI R3, R3, B&0xFFFF ADDU R4, R0, R3 loop: LD F0, 0(R2) LD F4, 0(R3) ADDD F0, F0, F4 ;浮点运算,两个周期,结构相关 ADDD F2, F0, F2 ; <- A stall is found (an example of how to answer your questions) ADDI R2, R2, #8 ADDI R3, R3, #8 SUB R5, R4, R2 BNEZ R5, loop ;条件跳转 TRAP #0 ;; Exit <- this is a comment !! A: .double 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 B: .double 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10

四、实验过程 打开软件,load structure_d.s文件,进行单步运行。经过分析,此程序一 次循环中共有五次结构相关。(R-stall 数据相关Stall- 结构相关) 1)第一个结构相关:addd f2,,f0,f2 由于前面的数据相关,导致上一条指令addd f0,f0,f4暂停在ID阶段,所以下一条指令addd f2,,f0,f2发生结构相关,导致相关的部件:译码部件。 2)第二个结构相关:ADDI R2, R2, #8,与第一个结构相关类似。由于数据相关, 上一条指令暂停在ID阶段,所以导致下一条指令发生结构相关。

计算机系统结构期末考试试题及其答案

计算机系统结构期末考试试题及其答案

《计算机系统结构》期末考试试卷A 卷第 2 页 共 24 页 计算机科学系《计算机系统结构》期末考试试卷(A 卷) 2、此试卷适用于计算机科学与技术本科专业。 一 单选题:(10分,每题1分) 1、 ."启动I/O"指令是主要的输入输出指 令,是属于( B ) A.目态指令 B.管态指令 C.目态、管态都能用的指令 D.编译程序只能用的指令 2、 输入输出系统硬件的功能对(B )是透 明的 A.操作系统程序员 B.应用程序员 C.系统结构设计人员 D.机器语言程序设计员 3、 全相联地址映象是指(A ) A.任何虚页都可装入主存中任何实页的位置 B.一个虚页只装进固定的主存实页位置 C.组之间固定,组内任何虚页可装入任何实页位

置 D.组间可任意装入,组内是固定装入 4、( C ) 属于MIMD系统结构 A.各处理单元同时受一个控制单元的管理 B.各处理单元同时受同个控制单元送来的指令 C.松耦合多处理机和多计算机系统 D.阵列处理机 5、多处理机上两个程序段之间若有先写 后读的数据相关,则(B ) A.可以并行执行 B.不可能并行 C.任何情况均可交换串行 D.必须并行执行 6、计算机使用的语言是(B) A.专属软件范畴,与计算机体系结构无关 B.分属于计算机系统各个层次 C.属于用以建立一个用户的应用环境 D.属于符号化的机器指令 7、指令执行结果出现异常引起的中断是 (C ) A.输入/输出中断 B.机器校验中断 C.程序性中断 D.外部中断 《计算机系统结构》期末考试试卷A卷第 3 页共 24 页

计算机系统结构实验教程

实验一流水线及流水线中的冲突 实验目的 1.加深对计算机流水线基本概念的理解; 2.理解MIPS结构如何用5段流水线来实现,理解各段的功能和基本操作; 3.加深对数据冲突、结构冲突的理解,理解这两类冲突对CPU性能的影响; 4.进一步理解解决数据冲突的方法,掌握如何应用定向技术来减少数据冲突引起的停顿。 5.加深对指令调度和延迟分支技术的理解; 6.熟练掌握用指令调度技术来解决流水线中的数据冲突的方法; 7.进一步理解指令调度技术和延迟分支技术对CPU性能的改进。 实验平台 指令级和流水线操作级模拟器MIPSsim, 实验内容和步骤 首先要掌握MIPSsim模拟器的使用方法。 一、流水线及流水线中的冲突观察 1. 启动MIPSsim。 2.根据预备知识中关于流水线各段操作的描述,进一步理解流水线窗口中各段的功能,掌握各流水寄存器的含义。(用鼠标双击各段,就可以看到各流水寄存器的内容) 3. 熟悉MIPSsim模拟器的操作和使用方法。 可以先载入一个样例程序(在本模拟器所在的文件夹下的“样例程序”文件夹中),然后分别以单步执行一个周期、执行多个周期、连续执行、设置断点等的方式运行程序,观察程序的执行情况,观察CPU中寄存器和存储器的内容的变化,特别是流水寄存器内容的变化。 4. 勾选配置菜单中的“流水方式”,使模拟器工作于流水方式下。 5.观察程序在流水线中的执行情况,步骤如下: (1)用MIPSsim的“文件”菜单中的“载入程序”来加载pipeline.s(在模拟器所在文 件夹下的“样例程序”文件夹中); (2)关闭定向功能。这是通过在“配置”菜单中去选“定向”(即使得该项前面没有“√” 号)来实现的; (3)用单步执行一周期的方式(“执行”菜单中,或用F7)执行该程序,观察每一周 期中,各段流水寄存器内容的变化、指令的执行情况(代码窗口)以及时钟周期 图; (4)当执行到第10个时钟周期时,各段分别正在处理的指令是: IF: ID:

计算机系统结构模拟试题

计算机系统结构模拟试题 一、填空题(每空1分,共14分) 1、()和()是实现语言的两种基本技术。 2、传统机器级所具有的属性是高级语言程序员所()的,即对高级语言程序员是()的......... 3、有效地址()上界或()下界,即出现越界错 4、相关有"先写后读"相关、()相关和()相关三种。 5、广义说来,并行性既包含()性,又包含()性。 6、在组相联映象中,若组内块数为1,则组相联映象变成了()。 7、计算机系统的设计方法有()、()和()三种。 二、名词解释题(每题3分,共15分) 1、数据表示 2、地址映象 3、数据流 4、四功能交换开关 5、仿真 三、回答下列问题(每题5分,共25分阶段) 1、什么是程序的可移植性?实现程序可移植性的方法有哪几种? 解:程序的可移植性是指一个程序可不经修改地由一台机器搬到另一台机器上运行。实现程序可移植性的方法有: ⑴统一高级语言; ⑵系列机; ⑶模拟与仿真。 2、简述计算机系统的多级层次结构。 答: ⑴第1级:微程序机器级; ⑵第2级:传统机器级; ⑶第3级:操作系统虚拟机;

⑷第4级:汇编语言虚拟机; ⑸第5级:高级语言虚拟机; ⑹第6级:应用语言虚拟机; 3、用指令表达式举例说明CRAY-1机"向量链接"的优点。 答: ⑴V2←V0+V1 ⑵V4←V2*V3 这两条向量指令因V2数据相关,本不能并行执行,但若利用"向量链接"特性,将第⑴条指令的结果送入V2的同时,直接送入第⑵条指令所用的功能部件,则这两条指令因链接可以并行执行。 4、试比较"Cache-主存"层次和"主存-辅存"层次的特点。(从目的、存贮管理的实现、相邻访问时间比、典型块的长度、处理机对第二级访问的方式等5个方面进行比较)。 5、多处理机和并行处理机在结构灵活上有何区别? 答:多处理机能适应更为多样的算法,有较强的通用性;处理机的数目较少;互连拓朴结构较复杂,有较好的结构灵活性。 并行处理机结构主要是针对特定算法,带有较强的专用性;处理单元数量多;互连拓朴结构有限、固定。 四、(12分)某台计算机有9条指令,其使用频度如下: 试分别用Huffman编码(要求画出Huffman树)如"2位--4位--6位"等长扩展码为其编码。(注:编码方案不,但各个码的码长是的) 五、(12分)有一条由6段组成的静态多功能流水线,如下图所示: 图中"A"加法流水线,"B"为乘法流水线。假定该流水线S6送出的结果可以直接返回到S1的入端或暂存于相应寄存器。若用该流水线计算 4------------- ∏(Ai+Bi)

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