一、（10分）

某RISC處理機(jī)各類指令使用頻率和理想CPI（指令和數(shù)據(jù)訪問Cache命中率為100％時(shí)的CPI）如下表所示。而實(shí)際測得的指令訪問Cache缺失率（miss rate）為5％，數(shù)據(jù)訪問的Cache缺失率為10％，Cache的缺失損失（miss penalty）為40個(gè)時(shí)鐘周期。
 

（1）  該機(jī)器在無Cache缺失（理想情況）時(shí)的CPI是多少？（3分）
 

（2）  該機(jī)器在無Cache缺失（理想情況）時(shí)的速度比有Cache缺失時(shí)快多少倍？（7分）
指令類型
 使用頻率
 CPI ideal
 
ALU操作
 43％
 1
 
Loads
 21％
 2
 
Stores
 12％
 2
 
Branches
 24％
 2

二、（13分）

一臺模型機(jī)共有7條指令，主頻25MHz，各指令的使用頻率與CPI如下表所示。該模型機(jī)有8位和16位兩種指令字長，采用2-4擴(kuò)展操作碼。8位字長指令為寄存器（R－R）二地址類型，16位字長指令為寄存器－存儲器（R－M）二地址變址尋址類型（-128<=變址范圍<=127）。
指令（字長）
 使用頻度f
 CPI
 
I1（8位）
 35%
 1
 
I2（8位）
 25%
 2
 
I3（8位）
 20%
 2
 
I4（16位）
 10%
 2
 
I5（16位）
 5%
 1
 
I6（16位）
 3%
 2
 
I7（16位）
 2%
 2

（1）  計(jì)算該機(jī)的MIPS速率。（4分）

（2）  計(jì)算操作碼的平均碼長。（3分）

（3）  該機(jī)允許使用多少個(gè)可編址的通用寄存器，多少變址寄存器？（3分）

（4）  設(shè)計(jì)該機(jī)的兩種指令格式，標(biāo)出各字段位數(shù)并給出操作編碼。（3分）

三、（12分）

假設(shè)在一個(gè)采用組織相聯(lián)映像方式的Cache中，主存有B0～B7共8塊組成，Cache有C0～C3共4塊，組內(nèi)塊數(shù)為2塊。每塊的大小為32個(gè)字節(jié)，采用FIFO塊替換算法。在一個(gè)程序執(zhí)行過程中依次訪問塊地址流如下：
B1，B4，B6，B3，B0，B4，B6，B2，B4，B5

（1）  寫出主存地址的格式，并標(biāo)出各字段的長度（3分）

（2）  寫出Cache地址的格式，并標(biāo)出各字段的長度（3分）

（3）  畫出主存與Cache之間各個(gè)塊的映像對應(yīng)關(guān)系（3分）

（4）  列出程序執(zhí)行過程中Cache的塊地址流分布情況。并計(jì)算Cache的塊命中率。（3分）

四、（15分）

有4個(gè)中斷源D1、D2、D3、D4，它們的中斷優(yōu)先級和中斷屏蔽碼見下表，表中，“1”表示該中斷源被屏蔽，“0”表示該中斷源開放。假設(shè)從處理機(jī)響應(yīng)中斷源的中斷服務(wù)請求到運(yùn)行中斷服務(wù)程序中第一次開中斷所用的時(shí)間為1微秒，其它中斷服務(wù)時(shí)間為10微秒。

（1）  處理機(jī)在0時(shí)刻開始響應(yīng)中斷請求，這時(shí)4個(gè)中斷源都已經(jīng)申請中斷服務(wù)，寫出處理機(jī)開始響應(yīng)各中斷源的中斷請求和處理機(jī)為各中斷源完成中斷服務(wù)的時(shí)刻。（7分）

（2）  處理機(jī)在0時(shí)刻開始響應(yīng)中斷請求，這時(shí)中斷源D3和D4已經(jīng)申請中斷服務(wù)，在6微秒時(shí)中斷源D1和D2同時(shí)申請中斷服務(wù)，寫出處理機(jī)開始響應(yīng)各中斷源的中斷請求和處理機(jī)為各中斷源完成中斷服務(wù)的時(shí)刻。（8分）
中斷源
 中斷優(yōu)先級
 中斷屏蔽碼
D1 D2 D3 D4
 
D1
 1（最高）
 1  1  0  0
 
D2
 2（第二）
 0  1  0  1
 
D3
 3（第三）
 1  0  1  0
 
D4
 4（最低）
 1  0  1  1

五、（10分）

假定我們將某一執(zhí)行部件性能改進(jìn)后速度提高10倍。改進(jìn)后被改進(jìn)部件執(zhí)行時(shí)間占系統(tǒng)總運(yùn)行時(shí)間的50％。則改進(jìn)后獲得的加速比Sp是多少？

六、（10分）

在下列單級互連網(wǎng)絡(luò)中，將信息從一個(gè)PE播送給所有其它PE要用多少步（N＝2n個(gè)PE）？
 

（1）  混洗交換網(wǎng)絡(luò)，每步只能做一次混洗或一次交換。（5分）
 

（2）  超立方體網(wǎng)絡(luò)，每步i（0≤i≤n－1）可實(shí)現(xiàn)尋徑函數(shù)Ci。（5分）

七、（15分）

在一臺單流水線處理機(jī)上執(zhí)行下面的程序。每條指令都要經(jīng)過“取指令”、“譯碼”、“執(zhí)行”和“寫結(jié)果”4個(gè)流水段，每個(gè)流水段的延遲時(shí)間都是5ns。在“執(zhí)行”流水段，LS部件完成LOAD和STORE操作，其他操作都在ALU部件中完成，兩個(gè)操作部件的輸出端有直接數(shù)據(jù)通路與任意一個(gè)操作部件的輸入端相連接，ALU部件產(chǎn)生的條件碼也能夠直接送入控制器。
1：  SUB  R0,  R0  :R0←0
2:  LOAD  R1,  #8  :R1←向量長度8
3:LOOP:  LOAD  R2,  A(R1)  :R2←A向量的一個(gè)元素
4:  MUL  R2,  R1  :R2←（R2）×（R1）
5:  ADD  R0,  R2  :R0←（R0）＋（R2）
6:  DNE  R1,  LOOP  :R1←（R1）－1，若（R1）≠0 轉(zhuǎn)向LOOP
7:  STORE  R0,  S  :保存結(jié)果

（1）  采用靜態(tài)分支預(yù)測技術(shù)，每次都預(yù)測轉(zhuǎn)移不成功。畫出指令流水線的時(shí)空圖（中間部分可以省略，圖中可用指令序號表示），計(jì)算流水線的吞吐率和加速比，并分別計(jì)算譯碼部件和ALU部件的使用效率。（8分）

（2）  采用靜態(tài)分支預(yù)測技術(shù)，每次都預(yù)測轉(zhuǎn)移成功。計(jì)算指令流水線的吞吐率和加速比，并分別計(jì)算譯碼部件和ALU部件的使用效率。（7分）

八、（15分）

分別在下面三種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上用最短的時(shí)間來計(jì)算表達(dá)式  。假設(shè)加法和乘法分別需要2個(gè)和4個(gè)單位時(shí)間，從存儲器取指令、取數(shù)據(jù)、譯碼的時(shí)間忽略不計(jì)，所有的指令和數(shù)據(jù)已裝入有關(guān)的PE或處理機(jī)中。PE或處理機(jī)中有一個(gè)加法器和一個(gè)乘法器，同一時(shí)刻只有其中一個(gè)可以使用。試確定下列每種情況的最小計(jì)算時(shí)間。

（1）  一臺串行計(jì)算機(jī)，這種單處理機(jī)系統(tǒng)不需要數(shù)據(jù)尋徑操作。（3分）

（2）  一臺有8個(gè)PE（PE0，PE1，···，PE7）的SIMD計(jì)算機(jī)，8個(gè)PE連成單向環(huán)結(jié)構(gòu)。每個(gè)PE用一個(gè)單位時(shí)間可以把數(shù)據(jù)直接送給它的相鄰PE。操作數(shù)Ai和Bi最初存放在PEi mod 8 中，其中i＝0，2，···，35。（6分）

（3）  分布存儲器的MIMD多處理機(jī)，8個(gè)CPU用立方體網(wǎng)連接。在相鄰CPU之間傳送一個(gè)數(shù)據(jù)需要一個(gè)單位時(shí)間。操作數(shù)Ai和Bi最初存放在CPU i mod 8中，其中i＝0，1，···，35。最終結(jié)果s可以放在任意CPU的寄存器中。（6分）
總共用時(shí)＝35+1次乘法＝39單位時(shí)間。