《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》總復(fù)習(xí)-習(xí)題

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1、1總 復(fù) 習(xí) 2 第 一 章 基 本 概 念 （ P1） 本 章 介 紹 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 的 一 些 基 本 知 識(shí) 。 包 括 定 性 知 識(shí) 和 定 量 知識(shí) 兩 大 組 內(nèi) 容 。 為 了 便 于 學(xué) 習(xí) ， 本 章 各 節(jié) 重 新 編 號(hào) ， 與 教 材 編 號(hào) 不 同 。 定 量 知 識(shí) ： 對(duì) 計(jì) 算 機(jī) 性 能 進(jìn) 行 定 量 評(píng) 價(jià) 的 幾 個(gè) 重 要 公 式 。 3 本 章 重 點(diǎn) 本 章 從 定 性 知 識(shí) 和 定 量 知 識(shí) 兩 個(gè) 方 面 介 紹 計(jì) 算 機(jī)系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 的 基 本 概 念 。 有 關(guān) 重 點(diǎn) 如 下 ：(1) Amdahl定 律 ；(2)

2、 平 均 周 期 數(shù) CPI公 式 ， 程 序 執(zhí) 行 時(shí) 間 Te公 式 ；(3) 每 秒 百 萬(wàn) 指 令 數(shù) MIPS公 式 ， 每 秒 百 萬(wàn) 浮 點(diǎn) 數(shù)MFLOPS公 式 。 4 1.定 量 知 識(shí) 3個(gè) 性 能 公 式1.1 Amdahl定 律 （ 加 快 經(jīng) 常 性 事 件 原 理 ， P9）其 中 ： S n 全 局 加 速 比 ； To 原 執(zhí) 行 時(shí) 間 （ old） ； Tn 新 執(zhí) 行 時(shí) 間 （ new） ； Se 被 改 進(jìn) 部 分 的 局 部 加 速 比 ； Fe 被 改 進(jìn) 部 分 原 執(zhí) 行 時(shí) 間 占 原 來(lái) 總 時(shí) 間 的 百 分 比 。 5 Amdahl定

3、 律 的 推 導(dǎo) 6 Amdahl定 律 的 圖 形 從 圖 1.2可 以 看 出 ， 增 大 Se和 Fe對(duì) Sn都 有 提 升 作 用 ； 但 當(dāng) Fe固 定 時(shí)， 一 味 增 大 Se對(duì) Sn的 作 用 會(huì) 越 來(lái) 越 不 顯 著 。 作 1.12 假 定 利 用 增 加 向 量 模 塊 來(lái) 提 高 計(jì) 算 機(jī) 的 運(yùn)算 速 度 。 計(jì) 算 機(jī) 處 理 向 量 的 速 度 比 其 通 常 的 運(yùn)算 要 快 20倍 ， 將 可 用 向 量 處 理 部 分 所 花 費(fèi) 的 時(shí)間 占 總 時(shí) 間 的 百 分 比 稱 為 可 向 量 化 百 分 比 。 （ 1） 求 出 加 速 比 S和 向 量

4、 化 百 分 比 之 間 的 關(guān) 系 式作 1.13 （ 2） 當(dāng) 要 得 到 加 速 比 為 2時(shí) 的 可 向 量 化 百分 比 F為 多 少 ？作 1.14 （ 3） 為 了 獲 得 在 向 量 模 式 所 得 到 的 最 大 加速 比 的 一 半 ， 可 向 量 化 百 分 比 F為 多 少 ？ 7 (2) 由 （ 1） 式 有解 （ 1） ：由 Amdahl定 律 知 FFFS *1920 20)20/()1( 1 53.01910 )20/()1( 12 F FF (1) 8 (3) 由 題 意 可 知 95.01918 )20/()1( 110 F FF 9 作 1.17 假 設(shè)

5、高 速 緩 存 Cache工 作 速 度 為 主 存 的 5倍 ，且 Cache被 訪 問(wèn) 命 中 的 概 率 為 90 ， 則 采 用 Cache后， 能 使 整 個(gè) 存 儲(chǔ) 系 統(tǒng) 獲 得 多 高 的 加 速 比 ？ 57.328.015/9.0)9.01( 1 oeP TTS解 ： fe=0.9 ， re=5 10 1.2 CPI與 程 序 執(zhí) 行 時(shí) 間 Te（ P11）CPI是 衡 量 CPU執(zhí) 行 指 令 效 率 的 重 要 指 標(biāo) 。 讓 我 們 先 考 慮 一 個(gè) 標(biāo) 準(zhǔn) 測(cè)速 程 序 的 全 部 執(zhí) 行 時(shí) 間 Te和 其 中 所 有 第 i種 指 令 的 累 計(jì) 時(shí) 間 T

6、i， 易 知 11 12 1.3 每 秒 百 萬(wàn) 指 令 數(shù) MIPS與 每 秒 百 萬(wàn) 浮 點(diǎn) 數(shù) MFLOPS（ P11）例 題 ： P10， 例 1.1例 1.5。 P33， 題 12 ， 題 13 ， 題 14 。 例 1.19 用 一 臺(tái) 4OMHz處 理 機(jī) 執(zhí) 行 標(biāo) 準(zhǔn) 測(cè) 試 程 序 ，它 含 的 混 合 指 令 數(shù) 和 相 應(yīng) 所 需 的 時(shí) 鐘 周 期 數(shù) 如下 ： 指 令 類 型 指 令 條 數(shù) 時(shí) 鐘 周 期 數(shù) 整 數(shù) 運(yùn) 算 45000 1 數(shù) 據(jù) 傳 送 32000 2 浮 點(diǎn) 運(yùn) 算 15000 2 控 制 傳 送 8000 2 求 有 效 CPI、 MIPS

7、速 率 和 程 序 的 執(zhí) 行 時(shí) 間 。 13 解 ： 依 題 意 可 知 IN=105條 ， n=455.1 )08.0215.0232.0245.01( )(41 1 i ni Nii IICPICPI 8.251055.1 104010 666 CPIfMIPS C )(875.31040/155.110 65 msTCPIIT CNCPU 14 作 1.20 某 工 作 站 采 用 時(shí) 鐘 頻 率 為 15MHz、 處 理 速 率 為10MIPS的 處 理 機(jī) 來(lái) 執(zhí) 行 一 個(gè) 巳 知 混 合 程 序 。 假 定 每 次存 儲(chǔ) 器 存 取 為 1周 期 延 遲 、 試 問(wèn) ： (1

8、) 此 計(jì) 算 機(jī) 的 有 效 CPI是 多 少 ? (2) 假 定 將 處 理 機(jī) 的 時(shí) 鐘 提 高 到 30MHz， 但 存 儲(chǔ) 器 子 系 統(tǒng) 速 率 不 變 。 這 樣 ， 每 次 存 儲(chǔ) 器 存 取 需 要 兩 個(gè) 時(shí) 鐘 周 期 。 如 果 30 指 令 每 條 只 需 要 一 次 存 儲(chǔ) 存 取 ， 而 另 外 5 每 條 需 要 兩 次 存 儲(chǔ) 存 取 ， 還 假 定 已 知 混 合 程 序 的 指 令 數(shù) 不 變 ， 并 與 原 工 作 站 兼 容 ， 試 求 改 進(jìn) 后 的 處 理 機(jī) 性 能 。 解 (1) 5.11010 101510 666 MIPSfCPI old

9、old 15 (2) 依 題 意 可 知 ： 30%的 指 令 需 要 一 次 存 儲(chǔ) 存 取 ， 則這 些 指 令 在 處 理 器 提 高 時(shí) 鐘 頻 率 之 后 需 要 增 加 1個(gè) 時(shí)鐘 周 期 ； 另 外 5%的 指 令 需 要 增 加 2個(gè) 時(shí) 鐘 周 期 。 改 進(jìn) 后 性 能 提 高 情 況 可 用 CPU時(shí) 間 之 比 表 示 ： 9.12%51%30 oldnew CPICPI 79.15109.1 103010 666 newnewnew CPI fMIPS 58.1/ )()( newNnew oldNoldnewCPUoldCPU fICPI fICPITT 16 作

10、1.21 假 設(shè) 在 一 臺(tái) 40MHz處 理 機(jī) 上 運(yùn) 行 200 000條指 令 的 目 標(biāo) 代 碼 ， 程 序 主 要 由 四 種 指 令 組 成 。 根 據(jù)程 序 跟 蹤 實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 ， 已 知 指 令 混 合 比 和 每 種 指 令 所需 的 指 令 數(shù) 如 下 ： 指 令 類 型 CPI 指 令 混 合 百 分 比算 術(shù) 和 邏 輯 運(yùn) 算 1 60%Cache命 中 的 加 載 /存 儲(chǔ) 2 18%轉(zhuǎn) 移 4 12%Cache失 效 時(shí) 訪 問(wèn) 主 存 8 10%(1)計(jì) 算 在 單 處 理 機(jī) 上 用 上 述 蹤 數(shù) 據(jù) 運(yùn) 行 程 序 的 平 均 CPI(2)根 據(jù) (

11、1)所 得 CPI， 計(jì) 算 相 應(yīng) 的 MIPS 速 率 和 程 序 的 執(zhí) 行 時(shí) 間 17 解 ： 依 題 意 可 知 IN=2 105條 ， n=4，24.2 )1.0812.0418.026.01( )(41 1 i ni Nii IICPICPI 86.17102.2 104010 666 CPIfMIPS C )(2.111024.2102 64015 msTCPIIT CNCPU 18 19 第 二 章 指 令 系 統(tǒng) （ P36） 本 章 介 紹 指 令 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 中 2個(gè) 最 基 本的 內(nèi) 容 ： 數(shù) 據(jù) 表 示 、 操 作 碼 優(yōu) 化 。本 章 重 點(diǎn) (1) Hu

12、ffman編 碼 方 法 ；(2) 等 長(zhǎng) 擴(kuò) 展 編 碼 方 法 （ 15/15/15法 ， 8/64/512法 ） ； (3) 編 碼 方 法 性 能 指 標(biāo) （ 平 均 碼 長(zhǎng) L， 信 息 冗 余 量 R） 。 20 2.1 Huffman壓 縮 編 碼 （ P91）(1)Huffman壓 縮 概 念 （ 最 佳 編 碼 定 理 ） ： 當(dāng) 用 n個(gè) 長(zhǎng) 度 不 等 的 代 碼 分 別 代 表 n種發(fā) 生 概 率 不 等 的 事 件 時(shí) ， 按 照 短 代 碼 給 高 概 率 事 件 、 把 長(zhǎng) 代 碼 給 低 概 率 事件 的 原 則 分 配 ， 可 使 平 均 碼 長(zhǎng) 達(dá) 到 最

13、低 。(2) Huffman編 碼 方 法 這 種 編 碼 方 法 由 兩 個(gè) 過(guò) 程 組 成 。頻 度 合 并 ： 將 全 部 n個(gè) 事 件 （ 在 此 即 為 n條 指 令 ） 的 頻 度 值 排 序 ， 選 取其 中 最 小 的 2個(gè) 頻 度 合 并 ， 然 后 將 剩 下 的 n-1個(gè) 頻 度 再 次 排 序 ， 再 合 并 最 小的 2個(gè) 頻 度 ， 如 此 重 復(fù) ， 直 至 剩 下 1個(gè) 頻 度 為 止 。 記 錄 所 有 的 合 并 關(guān) 系 ， 形成 一 棵 二 叉 樹(shù) Huffman樹(shù) ， 所 有 原 始 頻 度 值 充 當(dāng) 樹(shù) 葉 ， 而 最 后 剩 下 的總 頻 度 1為

14、 樹(shù) 根 ；碼 元 分 配 ： 從 樹(shù) 根 開(kāi) 始 ， 對(duì) 每 個(gè) 中 間 結(jié) 點(diǎn) 的 左 右 2個(gè) 分 支 邊 各 賦 予 一位 代 碼 “ 0” 和 “ 1” （ “ 0” 在 哪 一 側(cè) 不 限 ） 。 讀 出 從 根 結(jié) 點(diǎn) 到 任 一 片 樹(shù) 葉 的 路 徑 上 依 次 出 現(xiàn) 的 代 碼 位 就 排 成 了 這 個(gè) 事 件 （ 即 指 令 ） 的 完 整 編 碼 。 由于 頻 度 高 的 事 件 較 晚 被 合 并 ， 它 的 編 碼 位 數(shù) 也 就 較 少 ， 符 合 Huffman壓 縮 原則 。 上 面 所 說(shuō) 的 頻 度 值 就 是 各 事 件 實(shí) 際 出 現(xiàn) 次 數(shù) 的

15、百 分 比 ， 它 是 理 論 出 現(xiàn) 概 率的 近 似 值 。 21 平 均 碼 長(zhǎng) ： 各 事 件 編 碼 長(zhǎng) 度 的 數(shù) 學(xué) 期 望 。 信 息 冗 余 量 ： 它 表 明 消 息 編 碼 中 “ 無(wú) 用 成 分 ” 所 占 的 百 分 比 。 22 2.2 擴(kuò) 展 編 碼 方 法 （ 等 長(zhǎng) 擴(kuò) 展 法 ， P94-95） 用 碼 長(zhǎng) 表 示 ： 例 如 4-8-12法 。 這 并 不 能 說(shuō) 明 具 體 編 碼 方 法 ， 例 如下 面 兩 種 編 碼 方 法 都 是 4-8-12法 。 用 碼 點(diǎn) 數(shù) 表 示 ： 例 如 15/15/15法 ， 8/64/512法 15/15/15

16、法 ， 每 一 種 碼 長(zhǎng) 都 有 4位 可 編 碼 位 （ 前 頭 可 以 有 相 同的 擴(kuò) 展 標(biāo) 識(shí) 前 綴 ） ， 可 產(chǎn) 生 16個(gè) 碼 點(diǎn) （ 即 編 碼 組 合 ） ， 但 是至 多 只 能 使 用 其 中 15個(gè) 來(lái) 表 示 事 件 ， 留 下 1個(gè) 或 多 個(gè) 碼 點(diǎn) 組 合作 為 更 長(zhǎng) 代 碼 的 擴(kuò) 展 標(biāo) 識(shí) 前 綴 。 已 經(jīng) 用 來(lái) 表 示 事 件 的 碼 點(diǎn) 組合 不 能 再 作 為 其 它 更 長(zhǎng) 代 碼 的 前 導(dǎo) 部 分 ， 否 則 接 收 者 會(huì) 混 淆 。這 就 是 “ 非 前 綴 原 則 ” 。 8/64/512法 ， 每 一 種 碼 長(zhǎng) 按 4位

17、分 段 ， 每 一 段 中 至 少 要 留 下 1位 或 多 位 作 為 擴(kuò) 展 標(biāo) 識(shí) 。 各 段 剩 下 的 可 編 碼 位 一 起 編 碼 ， 所產(chǎn) 生 的 碼 點(diǎn) 用 來(lái) 對(duì) 應(yīng) 被 編 碼 事 件 。 每 一 段 中 的 標(biāo) 識(shí) 位 指 出 后 面 還 有 沒(méi) 有 后 續(xù) 段 。 1 0000 0 0 1110.090.30 0.60 1.000.1510.0610.03 0.03 0.04 0.05 0.15 0.30 0.40 23 由 此 可 得 到 哈 夫 曼 編 碼 如 下 ： I1: 0 I2: 10 I3: 110 I4: 11100 I5: 11101 I6: 111

18、10 I7: 11111 平 均 碼 長(zhǎng)L=0.4*1+0.3*2+0.15*3+0.05*5+0.04*5 +0.03*5+0.03*5 = 2.20位 信 息 冗 余 量 R=(2.20-2.17)/2.20=1.36% 指 令 長(zhǎng) 度 個(gè) 數(shù) =4 24 2.擴(kuò) 展 哈 夫 曼 編 碼 I1, I2, I3 用 兩 位 : 00, 01, 10 I4, I5, I6, I7 用 四 位 : 1100, 1101, 1110, 1111L=(0.4+0.3+0.15)*2+(0.05+0.04+0.03+0.03)*4 = 2.30位信 息 冗 余 量 =(2.30-2.20)/2.30=

19、0.0565=5.65% 25 41 1 1 151 1 1 1 10.03I7 41 1 1 051 1 1 1 00.03I6 41 1 0 151 1 1 0 10.04I5 41 1 0 051 1 1 0 00.05I4 21 031 1 00.15I3 20 1 2 1 00.30I2 20 0100.40I1 OP長(zhǎng) 度lihuffman擴(kuò) 展 編碼OP長(zhǎng)度 li操 作 碼 OP使 用 哈 夫 曼編 碼 頻 度（ Pi） 指 令 操 作 碼 的 擴(kuò) 展 （ 等 長(zhǎng) 擴(kuò) 展 ）平 均 碼 長(zhǎng) ： 2. 2 2.3 26 作 2.13 采 用 最 優(yōu) Huffman編 碼 法 （ 信

20、 息 熵 ）的 操 作 碼 最 短 平 均 長(zhǎng) 度 為 ： 27 28 例 2.2 指 令 系 統(tǒng) 共 有 42種 指 令 ， 前 15種 使 用 頻 率 平 均為 0.05， 中 間 13種 使 用 頻 率 平 均 為 0.015， 最 后 14種使 用 頻 率 平 均 為 0.004。 如 何 編 碼 ？0000 ： 15種11101111 0000 ： ： 15種1111 11101111 1111 0000 ： ： ： 15種1111 1111 1110解 ： 因 頻 率 分 布 有 三 種 ， 故碼 長(zhǎng) 可 有 三 種 ； 因 每 段 指 令 數(shù) 基 本 相 同 ，故 可 采 用 等

21、 長(zhǎng) 擴(kuò) 展 (4-8-12位)， 保 留 特 征 碼 的 每 段 指 令數(shù) 相 同 (15-15-15)方 法 。 結(jié)果 如 圖 所 示 ； 結(jié) 果 ： 采 用 15-15-15擴(kuò) 展 方 法 ， 最 后 一 種 編 碼 用 于擴(kuò) 展 ， 每 段 0000 1110用 于 編 碼 ， 1111用 于 擴(kuò) 展 。 29 例 2.3 某 模 型 機(jī) 有 9條 指 令 ， 其 使 用 頻 率 為 ：ADD（ 加 ） 30% SUB（ 減 ） 24%JOM（ 按 負(fù) 轉(zhuǎn) 移 ） 6% STO（ 存 ） 7%JMP（ 轉(zhuǎn) 移 ） 7% SHR（ 右 移 ） 2%CIL（ 循 環(huán) 左 移 ） 3% CL

22、A（ 清 加 ） 20%STP（ 停 機(jī) ） 1% 要 求 有 兩 種 指 令 字 長(zhǎng) ， 都 按 雙 操 作 數(shù) 指 令 格 式 編 ,采 用 擴(kuò) 展 操 作 碼 ， 并 限 制 只 能 有 兩 種 操 作 碼 碼 長(zhǎng) 。 設(shè)該 機(jī) 有 若 干 個(gè) 通 用 寄 存 器 ， 主 存 為 16位 寬 ， 按 字 節(jié) 編址 ， 采 用 整 數(shù) 邊 界 存 貯 ， 任 何 指 令 都 在 一 個(gè) 主 存 周 期中 取 得 ， 短 指 令 為 寄 存 器 寄 存 器 型 ， 長(zhǎng) 指 令 為 寄 存器 主 存 型 ， 主 存 地 址 應(yīng) 能 變 址 尋 址 。 30 解 ： (1) Huffman樹(shù) 的

23、 形 式 如 圖 所 示 。 0.01 0.02 0.030 10.03 0.060 1 0.060.120 10.07 0.070.140 10.2601 0 0.300.20 0.240.440 10.56 1 00 1 1 31 由 上 圖 可 得 到 的 Huffman編 碼 為 ： ADD(加 ) 30% 01 SUB(減 ) 24% 11 CLA(清 加 ) 20% 10 JOM(按 負(fù) 轉(zhuǎn) 移 ) 6% 0001 STO(存 ) 7% 0011 JMP(轉(zhuǎn) 移 ) 7% 0010 CIL(循 環(huán) 左 移 ) 3% 00001 SHR(右 移 ) 2% 000001 STP(停 機(jī)

24、 ) 1% 000000因 此 ， 操 作 碼 的 平 均 碼 長(zhǎng) 為 ： 位61.29 1 i ii lpl 32 (2) 采 用 2-5擴(kuò) 展 的 操 作 碼 編 碼 為 ： ADD(加 ) 30% 00 SUB(減 ) 24% 01 CLA(清 加 ) 20% 10 JOM(按 負(fù) 轉(zhuǎn) 移 ) 6% 11000 STO(存 ) 7% 11001 JMP(轉(zhuǎn) 移 ) 7% 11010 SHR(右 移 ) 2% 11011 CIL(循 環(huán) 左 移 ) 3% 11100 STP(停 機(jī) ) 1% 11101因 此 ， 操 作 碼 的 平 均 碼 長(zhǎng) 為 ： 位78.2526.02)20.024

25、.030.0(91 ii i lp 33 (3) 該 機(jī) 允 許 使 用 的 可 編 址 的 通 用 寄 存 器 個(gè) 數(shù) 為23=8個(gè)(4) 短 指 令 為 寄 存 器 -寄 存 器 型 ， 格 式 如 下 ：OP(2位 ) R1(3位 ) R2(3位 )OP(5位 ) R1(3位 ) X(2位 ) 相 對(duì) 位 移 d(6位 )(5) 訪 主 存 操 作 數(shù) 地 址 尋 址 的 最 大 相 對(duì) 位 移 量 為 64個(gè) 字 節(jié) (-32+31個(gè) 字 節(jié) )長(zhǎng) 指 令 為 寄 存 器 -主 存 型 ， 格 式 如 下 ： 34 作 2.14 一 臺(tái) 模 型 機(jī) 共 有 7條 指 令 ， 各 指 令

26、 的使 用 頻 度 分 別 是 35 、 25 、 20 、 10、 5 、 3 、 2 ， 有 8個(gè) 通 用 數(shù) 據(jù) 寄 存 器， 2個(gè) 變 址 寄 存 器 。 (1) 要 求 操 作 碼 的 平 均 長(zhǎng) 度 最 短 ， 請(qǐng) 設(shè) 計(jì) 操作 碼 的 編 碼 ， 并 計(jì) 算 所 設(shè) 計(jì) 操 作 碼 的 平 均長(zhǎng) 度 。 (2) 設(shè) 計(jì) 8位 字 長(zhǎng) 的 寄 存 器 寄 存 器 型 指 令 3條 ， 16位 字 長(zhǎng) 的 寄 存 器 存 儲(chǔ) 器 型 變 址 尋址 方 式 指 令 4條 ， 變 址 范 圍 不 小 于 正 、 負(fù)127。 請(qǐng) 設(shè) 計(jì) 指 令 格 式 ， 并 給 出 各 字 段 的 長(zhǎng)度

27、 和 操 作 碼 的 編 碼 。 。 35 答 : (1) 要 使 得 到 的 操 作 碼 長(zhǎng) 度 最 短 ， 應(yīng) 采用 Huffman編 碼 ， Huffman樹(shù) 構(gòu) 造 如 下 36 由 此 可 以 得 到 7條 指 令 的 編 碼 分 別 如 下 ： 37這 樣 ， Huffman編 碼 法 得 到 的 操 作 碼 的 平 均 長(zhǎng) 度 為 ：l = 2 (0.35+0.25+0.20) + 3 0.10 + 4 0.05 + 5 (0.03 + 0.02)= 1.6+0.3+0.2+0.25 = 2.35 指 令 號(hào) 出 現(xiàn) 的 頻 率 編 碼1 35% 002 25% 013 20%

28、104 10% 1105 5% 11106 3% 111107 2% 11111 38 作 2.14 (改 ） 一 臺(tái) 模 擬 機(jī) 共 有 7條 指 令 ， 各 指 令 的使 用 頻 度 分 別 為 35%， 25%， 20%， 10%， 5%，3%， 2%。 該 模 擬 機(jī) 有 8位 和 16位 兩 種 指 令 長(zhǎng) ， 采用 2-4擴(kuò) 展 操 作 碼 ， 8位 字 長(zhǎng) 指 令 為 寄 存 器 -寄 存 器（ R-R） 二 地 址 類 型 ， 16位 字 長(zhǎng) 指 令 為 寄 存 器 -存貯 器 （ R-M） 二 地 址 變 址 尋 址 （ -128變 址 范 圍127 ） 類 型 。 (1)計(jì)

29、 算 操 作 碼 的 平 均 碼 長(zhǎng) (2)該 機(jī) 允 許 使 用 多 少 個(gè) 可 編 址 的 通 用 寄 存 器 ， 多少 個(gè) 變 址 寄 存 器 ？ 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 碼 編 碼 。 39 擴(kuò) 展 碼 有 2種 方 案 （ 下 圖 ）00 0001 3條 01 2條10 10001100 100111014條 1010 5條1110 10111111 1100(3-7型 ） （ 2-8 型 ） 簡(jiǎn) 版 40 2-4擴(kuò) 展 碼 有 2種 方 案 （ 上 圖 ） 前 一 種 方 案 里 短 指 令 占 的 比 例 較

30、大 ， 應(yīng) 該選 用 它 。 平 均 碼 長(zhǎng) /L = (0.35 + 0.25 + 0.20) 2 + (0.1 + 0.05 + 0.03 + 0.02) 4 = 2.4 用 R代 表 寄 存 器 編 號(hào) ， A代 表 變 址 偏 移 量 。 題 目 未 指 明 R-R型 R-M型 誰(shuí) 是 短 碼 ， 所 以 先列 出 2種 方 案 ： 41 428 位 : 操 作 碼 2, 寄 存 器 （ 8- 2)/2= 3 （ 右 邊 為 操 作 碼 4 位 ）16位 ： 操 作 碼 2, 寄 存 器 3， 變 址 尋 址 （ -128變 址 范 圍 127 ） ： 27=128 ， 符 號(hào) 1位

31、， 共 8位 ， 變 址 器 ： 16-4-3-8=1 43 2.2.2 操 作 數(shù) 優(yōu) 化 尋 址 方 式 比 較 （ P95） 指 令 中 操 作 數(shù) 占 用 的 位 數(shù) 由 操 作 數(shù) 的 個(gè) 數(shù) 與 尋 址 方 式 決 定 。 按 操 作 數(shù) 的 個(gè) 數(shù) 劃 分 ， 有 零 操 作 數(shù) 指 令 、 一 操 作 數(shù) 指 令 、 二 操 作數(shù) 指 令 、 三 操 作 數(shù) 指 令 共 四 種 形 式 。 應(yīng) 該 按 機(jī) 器 用 途 來(lái) 選 擇 （ P99，表 2.20） 。 縮 短 操 作 數(shù) 長(zhǎng) 度 的 常 用 方 法 是 間 址 和 變 址 （ P99頁(yè) 末 ） 。 作 2.15 某 處

32、 理 機(jī) 的 指 令 字 長(zhǎng) 為 16位 ， 有 雙 地 址指 令 、 單 地 址 指 令 和 零 地 址 指 令 三 類 ， 并 假 設(shè) 每個(gè) 地 址 字 段 的 長(zhǎng) 度 為 6位 。（ 1） 如 果 雙 地 址 指 令 有 15條 ， 單 地 址 和 零 地 址指 令 的 條 數(shù) 基 本 相 同 ， 問(wèn) 單 地 址 指 令 和 零 地 址 指令 各 有 多 少 條 ？ 并 且 為 這 三 類 指 令 分 配 操 作 碼 。（ 2） 如 果 三 類 指 令 的 比 例 為 1： 9： 9， 問(wèn) 雙 地 址指 令 、 單 地 址 指 令 和 零 地 址 指 令 各 有 多 少 條 ？ 并且 為

33、 這 三 類 指 令 分 配 操 作 碼 。 44 45 解 ：（ 1） 雙 地 址 指 令 15條 ， 地 址 碼 ： 0000 1110 單 地 址 指 令 26 1 63條 ， 地 址 碼 ： 1111 000000 1111 111110零 地 址 指 令 64條 ， 地 址 碼 ： 1111 111111 000000 1111 111111 111111 46 47 48 第 三 章 存 儲(chǔ) 系 統(tǒng) （ P130） 長(zhǎng) 期 存 在 的 問(wèn) 題 ： 在 合 理 的 總 價(jià) 格 限 制 下 ， 單 純 性 主 存 設(shè) 備 的 速度 跟 不 上 CPU的 發(fā) 展 ， 容 量 不 能 滿

34、足 軟 件 尺 寸 擴(kuò) 大 。 本 章 學(xué) 習(xí) 兩 種 提 高 主 存 系 統(tǒng) 性 能 /價(jià) 格 比 的 結(jié) 構(gòu) 化 方 法 ： 并 行 存 儲(chǔ)器 與 存 儲(chǔ) 層 次 技 術(shù) 。 后 者 為 主 。 例 3.1 假 設(shè) 高 速 緩 存 Cache工 作 速 度 為 主 存的 5倍 ， 且 Cache被 訪 問(wèn) 命 中 的 概 率 為 90 ，則 采 用 Cache后 ， 能 使 整 個(gè) 存 儲(chǔ) 系 統(tǒng) 獲 得 多高 的 加 速 比 ？ 解 ： 57.351.09.0 5)1(5 21 12 AA AAAp THHT TTTS 49 l 例 3.2 假 設(shè) 高 速 緩 存 Cache的 訪 問(wèn)

35、周 期 為50ns， 主 存 的 訪 問(wèn) 周 期 為 400ns ， 且 Cache被 訪 問(wèn) 命 中 的 概 率 為 95 ， 則 采 用 Cache后， 能 使 整 個(gè) 存 儲(chǔ) 系 統(tǒng) 等 效 的 訪 問(wèn) 周 期 為 多少 ？ 獲 得 多 高 的 加 速 比 ？ 解 ： 9.55.674002 AAp TTS nsTHHTT AAA 5.6740005.05095.0)1( 21 50 51 第 四 章 輸 入 輸 出 系 統(tǒng) （ P208） 輸 入 輸 出 系 統(tǒng) 是 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 中 實(shí) 現(xiàn) 各 種 輸 入 輸 出 任務(wù) 的 資 源 總 稱 。 它 包 括 各 種 輸 入 輸 出

36、 設(shè) 備 、 相 關(guān) 的管 理 軟 件 等 等 。 由 于 輸 入 輸 出 設(shè) 備 的 特 殊 工 作 性 質(zhì)使 其 數(shù) 據(jù) 吞 吐 率 通 常 遠(yuǎn) 低 于 主 機(jī) ， 設(shè) 計(jì) 輸 入 輸 出 系統(tǒng) 就 是 要 建 立 數(shù) 據(jù) 交 換 的 最 佳 方 案 ， 使 雙 方 都 能 高效 率 地 工 作 。 本 章 重 點(diǎn) 是 中 斷 優(yōu) 先 級(jí) 管 理 、 通 道 流 量 設(shè) 計(jì) 。 52 4.1 基 本 輸 入 輸 出 方 式 (P212)4.1.1 程 序 控 制 I/O方 式4.1.2 中 斷 I/O方 式4.1.3 DMA方 式4.1.4 通 道 方 式4.1.5 I/O處 理 機(jī) 方

37、式 53 4.2 中 斷 優(yōu) 先 級(jí) 管 理 (P219) 中 斷 是 為 實(shí) 時(shí) 任 務(wù) 優(yōu) 先 獲 得 處 理 機(jī) 資 源 而 采 用 的 一 種 調(diào) 度 技 術(shù) ， 當(dāng) 系 統(tǒng)中 存 在 多 個(gè) 中 斷 源 時(shí) 必 須 根 據(jù) 實(shí) 時(shí) 性 強(qiáng) 弱 設(shè) 定 優(yōu) 先 順 序 ， 這 也 被 稱 為 中 斷的 分 級(jí) 。 為 了 兼 顧 中 斷 響 應(yīng) 的 時(shí) 效 與 配 置 的 靈 活 ， 通 常 采 用 兩 套 機(jī) 制 結(jié) 合組 成 中 斷 優(yōu) 先 序 管 理 體 系 。 (1)硬 件 響 應(yīng) 優(yōu) 先 序 ： 未 被 屏 蔽 的 幾 個(gè) 中 斷 源 同 時(shí) 提 出 申 請(qǐng) 時(shí) ， CPU選

38、 擇服 務(wù) 對(duì) 象 的 順 序 。 它 由 硬 件 電 路 實(shí) 現(xiàn) ， 用 戶 不 能 修 改 。 如 P226圖 4.11所 示。 (2)軟 件 服 務(wù) 優(yōu) 先 序 ： 在 各 中 斷 服 務(wù) 程 序 開(kāi) 頭 ， 用 軟 件 設(shè) 置 自 己 的 中 斷 屏蔽 字 （ 在 主 程 序 中 也 設(shè) 置 ） 。 以 此 改 變 實(shí) 際 服 務(wù) 順 序 (P230)。 例 如 某 個(gè) 硬 件 響 應(yīng) 優(yōu) 先 級(jí) 高 的 中 斷 源 ， 其 中 斷 服 務(wù) 程 序 執(zhí) 行 中 屏 蔽 了自 身 ， 而 開(kāi) 放 了 某 個(gè) 硬 件 響 應(yīng) 優(yōu) 先 級(jí) 比 它 低 的 中 斷 源 ， 后 者 就 可 以

39、在 前 者剛 開(kāi) 放 中 斷 時(shí) 就 打 斷 它 ， 從 而 在 實(shí) 際 上 先 得 到 服 務(wù) 。 中 斷 服 務(wù) 過(guò) 程 示 意 圖 如 P231圖 4.14所 示 。 由 于 常 規(guī) 用 戶 主 程 序 對(duì) 處 理 機(jī) 的 需 求 緊 迫 性 最 低 ， 所 以 它 的 中 斷 屏 蔽 字 是 “ 全 部 開(kāi) 放 ” 。 (3)實(shí) 例 分 析 ： 屏 蔽 字 表 、 中 斷 服 務(wù) 過(guò) 程 圖 。 例 4.1（ P230倒 數(shù) 第 8行 開(kāi) 始 ） 作 業(yè) 4.5 已 知 中 斷 服 務(wù) 請(qǐng) 求 次 序 為 1-2-3-4， 現(xiàn) 改 為 3-2-4-1， （ 1） 設(shè) 計(jì) 中 斷 屏 蔽

40、 碼（ 2） 處 理 機(jī) 運(yùn) 行 主 程 序 時(shí) ， 同 時(shí) D1和 D2q請(qǐng) 求 中 斷 ， 而 在 運(yùn) 行 中 斷 源 D2時(shí) ， D3和 D4又 同 時(shí) 請(qǐng) 求 ， 請(qǐng) 畫 出 程 序 運(yùn) 行 過(guò) 程 示 意 圖解 ： (1)中 斷 屏 蔽 字 表 如 下 圖 ； (令 1對(duì) 應(yīng) 屏蔽 ， 0對(duì) 應(yīng) 開(kāi) 放 ) 54 (2)中 斷 過(guò) 程 示 意 圖 如 下 圖 。 55 例 4.1 設(shè) 中 斷 級(jí) 屏 蔽 位 為 “ 0” 對(duì) 應(yīng) 于 開(kāi) 放 ， 1對(duì) 應(yīng) 于 屏 蔽 ， 各 級(jí) 中 斷 處 理 程序 的 中 斷 級(jí) 屏 蔽 位 設(shè) 置 如 下 ： (1) 當(dāng) 中 斷 響 應(yīng) 的 優(yōu)

41、先 次 序 為 1、 2、 3、 4， 其 中 斷 處 理 次 序 是 什 么 ？ (2) 所 有 的 中 斷 處 理 各 需 要 3個(gè) 單 位 時(shí) 間 ， 當(dāng) 正 在 運(yùn) 行 用 戶 程 序 時(shí) ， 同 時(shí) 出現(xiàn) 第 2、 3級(jí) 中 斷 請(qǐng) 求 ， 過(guò) 2個(gè) 單 位 時(shí) 間 ， 又 同 時(shí) 出 現(xiàn) 第 1、 4級(jí) 中 斷 請(qǐng) 求 ， 請(qǐng) 畫 出 程 序 運(yùn) 行 過(guò) 程 示 意 圖 。中 斷 處 理程 序 級(jí) 別 中 斷 級(jí) 屏 蔽 位第 1級(jí)第 2級(jí)第 3級(jí)第 4級(jí) 1級(jí) 2級(jí) 3級(jí) 4級(jí)1 1 1 11 0 01 11000 11 0 【 解 答 】 (1)當(dāng) 中 斷 響 應(yīng) 的 優(yōu) 先

42、次 序 為 1、 2、 3、 4， 其 中 斷 處 理 次 序 是 1、3、 4、 2。 (2)運(yùn) 行 過(guò) 程 示 意 圖 如 下 ：用 戶 程 序 中 斷 處 理 程 序中 斷請(qǐng) 求t 41 1 2 3 432 58 4.3 通 道 處 理 機(jī) (P233)(1)定 義 ： 通 道 處 理 機(jī) （ 簡(jiǎn) 稱 通 道 ） 是 隸 屬 于 主 處 理 機(jī) 的 輸 入 輸 出 專 用 協(xié) 處 理 機(jī) 。(2)特 點(diǎn) ： 有 一 套 輸 入 輸 出 功 能 很 強(qiáng) 的 專 用 指 令 系 統(tǒng) ； 與 主 處 理 機(jī) 共 享 主 存 ， 存 放 相 應(yīng) 的 程 序 和 數(shù) 據(jù) ； 一 個(gè) 通 道 可 以

43、 連 接 多 臺(tái) 外 部 設(shè) 備 ； 主 處 理 機(jī) 可 用 啟 動(dòng) I/O指 令 來(lái) 啟 動(dòng) 一 個(gè) 通 道 ； 當(dāng) 通 道 訪 存 與 主 處 理 機(jī) 沖 突 時(shí) ， 存 控 部 件 賦 予 通 道 較 高 的 優(yōu) 先 權(quán) ； 通 道 程 序 執(zhí) 行 完 畢 自 動(dòng) 轉(zhuǎn) 入 休 眠 狀 態(tài) ， 同 時(shí) 向 主 處 理 機(jī) 發(fā) 出 一 個(gè) 特 定 的 中 斷申 請(qǐng) ， 通 知 該 事 件 。(3)地 位 ： 從 屬 于 主 處 理 機(jī) 。 59 字 節(jié) 多 路 通 道 ： 以 字 節(jié) 為 單 位 交 叉 為 多 臺(tái) 設(shè) 備 傳 輸 。 子 通 道 的 概 念 。 選 擇 通 道 ： 完 成

44、一 臺(tái) 設(shè) 備 的 全 部 傳 輸 再 去 為 另 一 臺(tái) 設(shè) 備 服 務(wù) 。 數(shù) 組 多 路 通 道 ： 以 數(shù) 組 為 單 位 交 叉 為 多 臺(tái) 設(shè) 備 傳 輸 。(5)通 道 傳 輸 過(guò) 程 的 時(shí) 間 分 配 (P241， 其 中 P是 設(shè) 備 臺(tái) 數(shù) )： 字 節(jié) 多 路 通 道 ： ， 其 中 n是 單 臺(tái) 設(shè) 備 的 數(shù) 據(jù) 傳 輸 量； 選 擇 通 道 ： 數(shù) 組 多 路 通 道 ： ， 其 中 k是 塊 尺 寸 ， 。(4)分 類 (P238)： 60 (6)通 道 流 量 分 析 (P243)： 通 道 最 大 能 力 流 量 ： 61 通 道 實(shí) 際 最 大 負(fù) 荷 流

45、 量 ： 通 道 正 常 工 作 條 件 ： 62 實(shí) 例 分 析 ：通 道 時(shí) 間 關(guān) 系 圖P243 例 4.1 倒 數(shù) 第 2行 開(kāi) 始 (1)在 上 表 中 填 出 設(shè) 備 相 應(yīng) 二 次 請(qǐng) 求 傳 送 字 節(jié) 的 間 隔時(shí) 間 。(2)當(dāng) 所 有 設(shè) 備 同 時(shí) 要 傳 送 數(shù) 據(jù) 時(shí) ， 求 其 對(duì) 通 道 要 求的 總 流 量 fbyte設(shè) 備 號(hào) 1 2 3 4 5 6傳 送 速 率(B/ms) 50 50 40 25 25 10二 次 請(qǐng) 求 的間 隔 時(shí) 間( S) 例 4.1 某 字 節(jié) 交 叉 多 路 通 道 連 接 6臺(tái) 設(shè) 備 ， 其 數(shù) 據(jù)傳 送 速 率 如 下

46、 表 所 示 。 63 (3)讓 通 道 以 極 限 流 量 fmax.byte=fbyte的 工 作 周 期 工作 ， 通 道 的 工 作 周 期 (即 TS+TD的 時(shí) 間 間 隔 )是多 少 ？(4)讓 通 道 中 所 掛 設(shè) 備 速 率 越 高 的 數(shù) 據(jù) 傳 送 請(qǐng) 求 被響 應(yīng) 的 優(yōu) 先 級(jí) 越 高 。 畫 出 6臺(tái) 設(shè) 備 同 時(shí) 發(fā) 送 請(qǐng)求 到 下 次 同 時(shí) 發(fā) 送 請(qǐng) 求 期 間 里 ， 通 道 響 應(yīng) 和處 理 完 各 設(shè) 備 請(qǐng) 求 時(shí) 刻 的 示 意 圖 。 哪 個(gè) 設(shè) 備丟 失 了 信 息 ？ 提 出 一 種 不 丟 失 信 息 的 解 決 辦法 。 64 設(shè)

47、備 號(hào) 1 2 3 4 5 6傳 送 速 率 (B/ms) 50 50 40 25 25 10二 次 請(qǐng) 求 的 間 隔時(shí) 間 ( S) 20 20 25 40 40 100解 ： (1)(2) 總 容 量(3) 傳 送 周 期 TS+TD=1ms/200B=5 SmsBff i ibyte /20061 123456 6號(hào) 設(shè) 備 丟 失 了 一 次 數(shù) 據(jù)20us 65 方 法 1： 增 加 通 道 的 最 大 流 量 ， 保 證 連 接 在 通 道上 的 所 有 設(shè) 備 的 數(shù) 據(jù) 傳 送 請(qǐng) 求 能 夠 及 時(shí) 得 到 通 道的 響 應(yīng) 方 法 2： 動(dòng) 態(tài) 改 變 設(shè) 備 的 優(yōu) 先

48、 級(jí) 方 法 3： 增 加 一 定 數(shù) 量 的 數(shù) 據(jù) 緩 沖 器 ， 特 別 是 對(duì)優(yōu) 先 級(jí) 比 較 低 的 設(shè) 備 66 例 4.2 印 字 機(jī) 各 占 一 個(gè) 子 通 道 ， 0號(hào) 打 印 機(jī) 、 1號(hào) 打 印機(jī) 和 0號(hào) 光 電 輸 入 機(jī) 合 用 一 個(gè) 子 通 道 。 假 定 數(shù) 據(jù) 傳 送期 內(nèi) 高 速 印 字 機(jī) 每 隔 25us發(fā) 一 個(gè) 請(qǐng) 求 ， 低 速 打 印 機(jī) 每隔 150us發(fā) 一 個(gè) 字 節(jié) 請(qǐng) 求 ， 光 電 輸 入 機(jī) 每 隔 800us發(fā) 一個(gè) 字 節(jié) 請(qǐng) 求 ， 則 這 5臺(tái) 設(shè) 備 要 求 通 道 的 實(shí) 際 流 量 為 多少 ？ 字 節(jié) 多 路 通

49、 道0子 通 道 2子 通 道1子 通 道 0號(hào) 高 速印 字 機(jī) 1號(hào) 高 速印 字 機(jī) 0號(hào) 打印 機(jī) 1號(hào) 打印 機(jī) 0號(hào) 光 電輸 入 機(jī)67 解 ： 5臺(tái) 設(shè) 備 要 求 通 道 的 數(shù) 據(jù) 流 量 為 ：可 將 該 通 道 設(shè) 計(jì) 成 0.1MB/s， 即 所 設(shè) 計(jì) 的 工 作 周 期 為： 這 樣 各 設(shè) 備 的 請(qǐng) 求 就 能 及 時(shí) 得 到 響 應(yīng) 和 處 理 ， 不會(huì) 丟 失 信 息 。 sMBffbyte /095.0)800115011501(251251 usTTft DSbyte 1011 68 0號(hào) 印 字 機(jī)通 道 工 作 周 期 0us 50us 100us

50、 150us1號(hào) 印 字 機(jī)0號(hào) 打 印 機(jī)1號(hào) 打 印 機(jī)0號(hào) 光 電 機(jī) 表 示 設(shè) 備 提 出 申 請(qǐng) 的 時(shí) 刻 表 示 通 道 處 理 完 設(shè) 備 申 請(qǐng) 的 時(shí) 刻優(yōu) 先 級(jí) 次 序 ： 0號(hào) 印 字 機(jī) 、 1號(hào) 印 字 機(jī) 、 0號(hào) 打 印 機(jī) 、1號(hào) 打 印 機(jī) 、 0號(hào) 光 電 機(jī) 69 例 4.3 設(shè) 通 道 在 數(shù) 據(jù) 傳 送 期 中 ， 選 擇 設(shè) 備 需 4.9 S， 傳 送 一 個(gè) 字 節(jié) 數(shù) 據(jù) 需 0.l S。 （ 1） 其 低 速 設(shè) 備 每 隔 250 S發(fā) 出 一 個(gè) 字 節(jié) 數(shù) 據(jù)傳 送 請(qǐng) 求 ， 問(wèn) 最 多 可 接 多 少 臺(tái) 這 種 設(shè) 備 ？

51、（ 2） 若 有 A E共 5種 高 速 設(shè) 備 ， 要 求 字 節(jié) 傳 送的 間 隔 時(shí) 間 如 下 表 所 示 ， 其 時(shí) 間 單 位 為 S。 若一 次 通 信 傳 送 的 字 節(jié) 數(shù) 不 少 于 1024個(gè) 字 節(jié) ， 問(wèn) 哪些 設(shè) 備 可 掛 在 此 通 道 上 ？ 哪 些 則 不 能 ？設(shè) 備 A B C D E時(shí) 間 間 隔( S) 0.13 0.1 0.11 0.2 0.3 70 其 中 ， n1024， 應(yīng) 使 select i maxselect由 此 可 得 出 通 道 工 作 周 期 為 ： T0.1048(us)所 以 ， 只 有 A、 C、 D、 E可 掛 在 此

52、通 道 上 ， B則 不 行 。n 2501.09.4 11 1max nfTTf ni ibyteDSbyte nnTTf SDselect 9.41.0 11max 71 72 本 章 小 結(jié)(1) 5種 I/O方 式 ；(2) 中 斷 優(yōu) 先 級(jí) 管 理 （ 屏 蔽 字 表 、 中 斷 服 務(wù) 過(guò) 程 圖 ） ；(3) 3種 通 道 處 理 機(jī) 的 特 點(diǎn) ；(4) 3種 通 道 最 大 能 力 流 量 ；(5) 3種 通 道 實(shí) 際 最 大 負(fù) 荷 流 量 ；(6) 通 道 正 常 工 作 條 件 ；(7) 通 道 時(shí) 間 關(guān) 系 圖 （ 字 節(jié) 多 路 通 道 ） ； 習(xí) 題 ： P

53、250， 題 5， 題 8。 73 第 五 章 標(biāo) 量 流 水 線 技 術(shù) (P253) 本 章 學(xué) 習(xí) 標(biāo) 量 計(jì) 算 機(jī) 上 使 用 的 流 水 加 速 技 術(shù) 。 主 要 內(nèi) 容 有 流 水 技 術(shù) 的 分 類、 流 水 線 性 能 指 標(biāo) 計(jì) 算 、 非 線 性 流 水 線 的 調(diào) 度 算 法 。 標(biāo) 量 計(jì) 算 機(jī) 指 只 能 直 接 進(jìn) 行 標(biāo) 量 運(yùn) 算 的 計(jì) 算 機(jī) ， 與 能 夠 直 接 進(jìn) 行 向 量 運(yùn) 算的 向 量 計(jì) 算 機(jī) 相 對(duì) 應(yīng) 。 流 水 處 理 方 式 的 特 征 ， 是 讓 多 個(gè) 依 次 啟 動(dòng) 的 任 務(wù) ， 盡 量 同 時(shí) 使 用 系 統(tǒng) 的 不

54、同 部 件 ， 通 過(guò) 時(shí) 間 重 疊 來(lái) 提 高 處 理 速 率 。 這 種 技 術(shù) 理 論 上 不 增 加 成 本 。 標(biāo) 量 計(jì) 算 機(jī) 上 使 用 的 流 水 加 速 技 術(shù) 屬 于 指 令 級(jí) 并 行 技 術(shù) 。 每 條 指 令 的 處 理 過(guò) 程 ， 可 以 劃 分 為 取 指 、 譯 碼 、 取 數(shù) 、 運(yùn) 算 、 送 結(jié) 果 5個(gè)子 過(guò) 程 ， 也 可 以 分 得 更 細(xì) 或 更 粗 一 些 。 劃 分 的 原 則 是 各 部 分 時(shí) 間 長(zhǎng) 度 大 致 相 等 、 并 使 用 CPU中 不 同 的 部 件 ， 這 樣 才 有 利 于 多 任 務(wù) 重 疊 處 理 。 74 5.

55、2 流 水 處 理 與 邏 輯 相 關(guān) 的 概 念CPU中 的 各 個(gè) 部 件 按 流 水 處 理 順 序 連 接 起 來(lái) ， 就 稱 為 一 條 流 水 線 。5.2.1 流 水 線 工 作 原 理 處 理 機(jī) 解 釋 程 序 的 方 式 有 順 序 方 式 、 重 疊 方 式 、 流 水 方 式 等 。 順 序 方 式 是 解 釋 完 一 條 指 令 再 開(kāi) 始 解 釋 下 一 條 (P254)； 流 水 方 式 是 把 一 個(gè) 重 復(fù) 的 過(guò) 程 分 解 為 若 干 個(gè) 子 過(guò) 程 ， 每 個(gè) 子 過(guò) 程 可 以 與 其它 子 過(guò) 程 同 時(shí) 進(jìn) 行 ， 以 此 提 高 單 位 時(shí) 間

56、內(nèi) 解 釋 指 令 的 數(shù) 目 (P277)； 重 疊 方 式 是 一 種 簡(jiǎn) 單 的 流 水 方 式 ， 它 把 指 令 分 成 2個(gè) 子 過(guò) 程 ， 每 條 指 令 只 與下 一 條 指 令 相 重 疊 (P255)。 75 流 水 線 結(jié) 構(gòu) 圖 (P278) 流 水 線 工 作 時(shí) 空 圖 (P278P279) 76 77 5.2.2 邏 輯 相 關(guān) (P263-276) 相 關(guān) 的 定 義 ： (P263倒 數(shù) 第 4段 ) 一 條 指 令 必 須 等 待 前 一 條 指 令 解 釋 完 成 才 能 開(kāi) 始 解 釋 。 相 關(guān) 的 分 類 及 其 對(duì) 策1. 全 局 性 相 關(guān) /局

57、 部 性 相 關(guān) (P312、 P269/P263、 P303)；2. 指 令 相 關(guān) /數(shù) 相 關(guān) (P264/P263)；3. 主 存 數(shù) 相 關(guān) /寄 存 器 數(shù) 相 關(guān) (P265/P266)；4. 數(shù) 值 相 關(guān) /變 址 值 相 關(guān) (P266/P268)。 78 5.3 流 水 技 術(shù) 的 分 類 (P280) 線 性 /非 線 性 (P280)： 部 件 級(jí) /處 理 機(jī) 級(jí) /處 理 機(jī) 間 級(jí) （ 宏 流 水 線 ） (P281)： 單 功 能 /多 功 能 (P282)： 靜 態(tài) /動(dòng) 態(tài) (P283)： 標(biāo) 量 /向 量 (P285)： 同 步 /異 步 (P285)：

58、 順 序 /亂 序 (P285、 P304)： 79 5.4.1 吞 吐 率 TP(P285) 吞 吐 率 （ TP ThroughPut） 指 流 水 線 在 單 位 時(shí) 間 內(nèi) 執(zhí) 行 的 任 務(wù) 數(shù) ， 可 以用 輸 入 任 務(wù) 數(shù) 或 輸 出 任 務(wù) 數(shù) 表 示 。 ， 其 中 k表 示 流 水 線 劃 分 的 段 數(shù) 。 當(dāng) 滿 足 條 件 時(shí) ， 有 。5.4 線 性 流 水 線 性 能 分 析 (P285) 80 其 中 5.4.2 加 速 比 (P288) 81 段 效 率 ： ， 各 段 平 均 效 率 ：其 中 表 示 第 i段 設(shè) 備 量 占 整 條 流 水 線 全 部

59、設(shè) 備 量 的 百 分 比 。當(dāng) 滿 足 條 件 時(shí) ， 有 ：5.4.3 效 率 （ 設(shè) 備 利 用 率 ， P289） 1 2 3 4t t 3t t 例 5.1 帶 有 瓶 頸 部 件 的 4功 能 段 流 水 線 , t1= t2= t4= t, t3=3 t,4個(gè) 任 務(wù) 、 10個(gè) 任 務(wù) 時(shí) TP， E、 SP 。（ 1） 分 析 法 : 各 段 時(shí) 間 不 等 tn 1544 t9)(6 4TP時(shí) ，TP= n ti+(n-1) tmaxi=1m 82 S TS1S2S3S4 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t12 t13 t14 t151 2 3

60、 4 t111 2 3 41 2 3 41 2 3 4輸 出=Sp= n * t imi=1 ti+(n-1)* tjmI=1 4*6 t 15 t = 2415 =1.6E= n個(gè) 任 務(wù) 實(shí) 際 占 用 的 時(shí) -空 區(qū)M各 段 總 的 時(shí) -空 區(qū) %404.0156154 64 tt （ 2） 時(shí) 空 圖 法 83 例 5. 2 以 浮 點(diǎn) 加 法 運(yùn) 算 為 例 （ 四 段 流 水 線 ） 各 段 時(shí) 間 相 等 ，求 吞 吐 率 、 效 率 。 求 Z=A+B+C+D+E+F+G+H， TP、 E、 Sp (注 意 有 相 關(guān) )Z=A+B+C+D+E+F+G+H1 2 3 45

61、67 TP=7/15 tE=7*4/(15*4)=7/15 46%Sp=4*7/15=28/15=1.87解 : 流 水 線 的 效 率 不 高 ， 原 因 在 于 存 在 著 數(shù) 據(jù) 相 關(guān) ,有 空 閑 功 能 段 。時(shí) 間空 間 1 1 1 12 2 2 23 3 3 34 4 4 45 5 556 6 6 6 7 77 7 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 84 例 5.3 ASC計(jì) 算 機(jī) 多 功 能 算 術(shù) 運(yùn) 算 流 水 線 各 段 時(shí) 間 相 等 ， 6次 浮 點(diǎn)加 、 5次 定 點(diǎn) 乘 的 吞 吐 率 ， 效 率 ， 加 速 比 m=8，

62、 n=11分 析 ： T 加 =6+(6-1)*1=11( t) T乘 =4+(5-1)*1=8( t)則 TP=（ 6+5） /(11+8) t=11/19 t E=(6*6+5*4) t/(19*8 t)=36.8% Sp=(6*6+5*4) t/19 t=56/19=2.94 1 2 3 4 5 61 2 3 4 5 61 2 3 4 5 61 2 3 4 5 612345867 1 2 3 4 5 61 2 3 4 5 6 時(shí) 間 浮 加 定 點(diǎn) 乘一 二 三 四 五一 二 三 四 五一 二 三 四 五一 二 三 四 五 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

63、 15 16 17 18 19 85 作 業(yè) 5.7 p343 一 條 線 性 流 水 線 有 4個(gè) 功 能 段 組 成 ， 每 個(gè) 功能 段 的 延 遲 時(shí) 間 都 相 等 ， 都 為 t。 開(kāi) 始 5個(gè) t， 每 間 隔 一個(gè) t向 流 水 線 輸 入 一 個(gè) 任 務(wù) ， 然 后 停 頓 2個(gè) t， 如 此 重 復(fù)。 求 流 水 線 的 實(shí) 際 吞 吐 率 、 加 速 比 和 效 率 。解 答 流 水 線 的 時(shí) 空 圖 如 下 ： 功 能 段 1 功 能 段 2 功 能 段 3 功 能 段 4 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7 t 8 t 10 t 9 t 1 2 1 1

64、1 2 2 2 3 3 3 3 4 4 4 4 5 5 5 5 6 6 6 6 7 7 7 7 11 t 12 t 13 t 14 t 15 t 86 我 們 可 以 看 出 ， 在 （ 11n+1） t的 時(shí) 間 內(nèi) ， 可 以 輸 出 5n個(gè)結(jié) 果 ， 如 果 指 令 的 序 列 足 夠 長(zhǎng) （ n ） ， 并 且 指 令 間 不 存在 相 關(guān) ， 那 么 ， 吞 吐 率 可 以 認(rèn) 為 滿 足 ：加 速 比 為 ：從 上 面 的 時(shí) 空 圖 很 容 易 看 出 ， 效 率 為 ： )(115)/111( 5)111( 5 nttntn nTp )(1120/1112011120)111(

65、 45 nnnntn tnS )(115/111 5)111(4 20 nntn tnE 87 作 業(yè) 5.8 用 一 條 5個(gè) 功 能 段 的 浮 點(diǎn) 加 法 器 流 水 線 計(jì) 算 每 個(gè) 功 能 段 的 延 遲 時(shí) 間 均 相 等 ， 流 水 線 的 輸 出 端 和 輸 入 端 之 間有 直 接 數(shù) 據(jù) 通 路 ， 而 且 設(shè) 置 有 足 夠 的 緩 沖 寄 存 器 。 要 求 用 盡 可能 短 的 時(shí) 間 完 成 計(jì) 算 ， 畫 出 流 水 線 時(shí) 空 圖 ， 并 計(jì) 算 流 水 線 的 實(shí)際 吞 吐 率 、 加 速 比 和 效 率 。解 答 首 先 需 要 考 慮 的 是 ， 10個(gè)

66、 數(shù) 的 的 和 最 少 需 要 做 幾 次 加 法。 我 們 可 以 發(fā) 現(xiàn) ， 加 法 的 次 數(shù) 是 不 能 減 少 的 ： 9次 ； 于 是 我 們要 盡 可 能 快 的 完 成 任 務(wù) ， 就 只 有 考 慮 如 何 讓 流 水 線 盡 可 能 充 滿， 這 需 要 消 除 前 后 指 令 之 間 的 相 關(guān) 。 由 于 加 法 滿 足 交 換 率 和 結(jié)合 率 ， 我 們 可 以 調(diào) 整 運(yùn) 算 次 序 如 以 下 的 指 令 序 列 ， 我 們 把 中 間結(jié) 果 寄 存 器 稱 為 R， 源 操 作 數(shù) 寄 存 器 稱 為 A， 最 后 結(jié) 果 寄 存 器 稱為 F， 并 假 設(shè) 源 操 作 數(shù) 已 經(jīng) 在 寄 存 器 中 ， 則 指 令 如 下 ： 101i iAF 88 I1： R1A1+A2 I2： R2A3+A4 I3： R3A5+A6 I4： R4A7+A8 I5： R5A9+A10 I6： R6R1+R2 I7： R7R3+R4 I8： R8R5+R6 I9： FR7+R8 這 并 不 是 唯 一 可 能 的 計(jì) 算 方 法 。 假 設(shè) 功 能 段 的 延 遲