中 国 海 洋 大 学 命 题 专 用 纸 (首页)
2006学年第 1 学期 试题名称:计算机系统结构
（A卷） 课程号：
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专业年级__________________ 学号___________ 姓名____________ 考试日期（考生填写）_______年____月__日 分数_________
1. （8分）如果FP操作的比例为25％，FP操作的平均CPI为4.0，其它指令的平均CPI为1.33，FPSQR操作的比例为2％，FPSQR的CPI为20，假设有两种方案，分别把FPSQR操作的CPI和所有FP操作的CPI减为2。试比较这两种设计方案哪一个更好？
2. （8分）某处理机的指令字长为16位，有双地址指令、单地址指令和零地址指令3类，并假设每个地址字段的长度均为4位。如果要求双、单、零地址指令的比例大致为8:2:1。问：双地址、单地址和零地址指令应各有多少条？并为这3类指令分配操作码。
3. （8分）假设在一个采用组相联映象方式的Cache中，主存由B0～B7共8块组成。Cache有2组，每组2块．每块的大小为16个字节，采用LFU块替换算法。在一个程序执行过程中依次访问这个Cache的块地址流如下：B6，B2，B4，B1，B4，B6，B3，B0，B4，B5，B7，B3
1) 写出主存地址的格式、并标出各字段的长度；2) 写出Cache地址的格式，并标出各字段的长度；3) 如果Cache的各个块号为C0、C1、C2和C3，列出执行过程中Cache的块地址流情况；
4) 采用LFU替换算法，计算Cache的块命中率。
4. （8分）某处理机有4个中断源，分别为D1、D2、D3和D4，要求处理机响应中断源的中断服务请求的次序从高到低分别为D1、D2、D3、D4，而处理机实际为中断源服务的先后次序为D3、D2、D4、D1。每个中断源有4位屏蔽码，其中，“0”表示该中断源被屏蔽，“1”表示该中断源开放。
1) 请设计各中断源的中断优先级和中断屏蔽码；
2) 如果处理机运行主程序时，同时有D1和D2两个中断源请求中断服务，而在运行中断源D2的中断服务程序的过程中，中断源D3和D4又同时请求中断服务，请画出处理机响应各中断源请求和实际运行中断服务程序过程的示意图。
5. （10分）在下列不同结构的处理机上运行8×8的矩阵乘法C
＝A×B，计算所需要的最短时间，只计算乘法指令和加法指令的执行时间，不计算取操作数、数据传送和程序控制等指令的执行时间。加法部件和乘法部件的延迟时间都是3个时钟周期，另外，加法指令和乘法指令还要经过一个“取指令”和“指令译码”时钟周期，每个时钟周期为10ns，C的初始值为“0”。各操作部件输出端有直接数据通路连接到有关操作的输入端，在操作部件的输出端设置有足够多的缓冲寄存器。
1) 处理机只有一个通用操作部件，采用顺序方式执行指令；
2) 单流水线标量处理机，有一个两个功能的静态流水线，流水线每个功能段的延迟时间均为一个时钟周期，加法操作和乘法操作各经过3个功能段；
3) 超标量处理机，每个时钟周期同时发射一条乘法指令和加法指令，处理机内有两条的操作流水线，流水线每个功能段的延迟时间均为一个时钟周期；
4) 超流水线处理机，把一个时钟周期分成两个流水级，加法部件和乘法部件的延迟时间都为6个流水级，每个时钟周期能够分时发射两条指令；
5) 超标量超流水线处理机，把一个时钟周期分成两个流水级，加法部件和乘法部件的延迟时间都为6个流水级，每个流水级能够同时发射一条乘法指令和一条加法指令。
授课教师
命题教师或命题负责人签 字
院系负责人签 字
年 月 日
6. （8分）一条有4个功能段的非线性流水线，每个功能段的延迟时间都为20ns，预约表如下：
123456
S1S2S3S4
×
×
×
×
×
××
1) 画出调度该流水线的状态转换图；
2) 求流水线的最小启动循环和最小平均启动距离；
3) 在流水线中插入一个非计算延迟部件，求流水线的最佳启动循环
及最小平均启动距离；
4) 画出插入一个非计算延迟部件后的流水线预约表。
7. （6分）CRAY l机上，按链接方式执行下述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送需1拍，并且向量长度为，需多少拍才能得到全部结果？若不采用链接方式，则需多少拍才能得到全部结果？
V0←存储器 (存储器取数：7拍)V2←V0＋V1 (向量加：3拍)V3←V2＜A3 (按(A3)左移：4拍)V5←V3∧V4 (向量逻辑乘：2拍)
8. （6分）设16个处理器编号分别为0、1、…、15，使用单级
互连网络，当互连函数分别为：
(1)Cube3 ；(2)PM2+2 ；(3)PM2–0 ；(4)β ；(5)Shuffle ；(6)Shuffle(Shuffle)
时，第7号处理器与哪一个处理器相连（要求写出互连函数表达式）?
9. （8分）分别在下面三种计算机系统上用最短的时间计算表达式。假设加法和乘法分别需要2个和4个单位时间，从存储器取指令、取数据、译码的时间忽略不计，所有的指令和数据已装入有关的PE。试确定下列每种情况的最小计算时间：
1) 1台串行计算机，处理机中有一个加法器和乘法器，同一时刻只有其中1个可以使用。
2) 1台有8个PE的SIMD计算机，8个PE连成单向环结构。每个PE用1个单位时间可以把数据直接送给它的相邻PE。
3) 分布存储器的MIMD多处理机，8个PE用立方体网络连接。在相邻PE之间传送一个数据需要一个单位时间。最终结果可以放在任意PE的寄存器中。
10. （10分）在一个多处理机系统中，有8个计算结点用环网互
连。现在要使用这个多处理机系统完成一个计算任务，该计算任务已经被分割成了100个子任务，所有子任务均可并行执行，且每个子任务的执行时间均为R个单位时间，在实际的处理过程中，任意两个子任务均需交换一次数据。当两个子任务不在同一计算结点时，在忽略网络线长的前提下，其通信开销均为C个单位时间（假定子任务A与B交换数据，其过程为：A请求获得令牌，获得网络控制权后，
向B发送数据，B接收到数据后，向A发送确认信息，附带将想要发送给A的数据放在确认帧中一同发送，A收到后发确认信息，释放令牌。整个过程的平均时间花费为C），子任务以独占的方式访问网络，并且在通信期间不能执行计算任务；当两个子任务在同一个计算结点上时，忽略其通信开销。
1) 若R=100，C=5，计算任务的最短执行时间并给出对应的子任务分配方案。
2) 若R=80，C=1，计算任务的最短执行时间并给出对应的子任务分配方案。
3) 比较（1）和（2）的结果，你能得到什么结论？
