高级计算机系统结构计算题

（15 分）某模型机 9 条指令使用频度如下表所示。要求有两种指令码长，采用扩展操作 码，并限制只能有两种操作码码长。

(1)计算最短的定长编码长度。 (2)根据使用频度，设计出 Huffman 操作码，并计算平均码长。 (3)考虑题目的要求，设计优化实用的操作码形式，并计算平均码长。

（15 分）设有一条 3 段流水线，各段执行时间依次为△t、3△t 和△t。 (1)计算连续输入 30 条指令时的实际吞吐率、加速比和效率。 (2)将瓶颈段细分为 3 个独立段，各子段执行时间均为△t，计算改进后的流水线连续输入 30 条指令时的实际吞吐率、加速比和效率。 (3)比较(1)和(2)的结果，给出结论。

（15 分）求向量 D=A*(B+C)，各向量元素个数均为 N，参照 CRAY-1 方式分解为 3 条向 量指令： （1）V3存储器 （2）V2V0+V1 ；{B+C→K} （3）V4V3*V2 ；{A*K→D} 当采用下列 3 种方式工作时各需多少拍才能得到全部结果? (1)全部串行执行； (2)1 和 2 并行执行完后，再执行 3； (3) 1 和 2 并行执行完后，再采用链接技术执行 3。 (注：CRAY-1 方式读寄存器组 1 拍，访存 6 拍，打入寄存器组 1 拍，加法流水线 6 拍，乘 法流水线 7 拍)

（15 分）有一个双输入端的加----乘双功能静态流水线，由经过时间为△t、2△t、2△t、 △t 的 1、2、3、4 四个子过程构成。加按 1-2-4 连接，乘按 1-3-4 连接，流水线输出设 有数据缓冲器，也可将数据直接返回输入。现要执行 A*(B+C*(D+E*F))+G*H 的运算。

（1）调整计算顺序，画出能获得吞吐率尽量高的流水时空图； （2）求出完成全部运算的时间及此期间流水线的吞吐率、加速比和效率。

（15 分）某工作站采用时钟频率为 15MHz、处理速率为 10MIPS 的处理机来执行一个已 知混合程序,假定每次存储器存取为 1 周期延迟,试问: (1)此计算机的平均 CPI 是多少？ (2)假定将处理机的时钟提高到 30MHz,但存储器子系统速率不变,这样,每次存储器存取 需要 2 个时钟周期。如果 30%的指令每条只需要一次存储器存取,而另外的 5%指令每 条需要两次存储器存取,还假定已知混合程序的指令数不变,并与原工作站兼容,试 求改进后的处理机性能比改进前提高了多少倍。

（15 分）一个由高速缓冲存储器与主存储器组成的二级存储系统，已知主存容量为 1M 字，高速缓存容量为 32K 字。采用组相联地址映象与变换，缓存共分 8 组，主存与缓 存的块的大小均为 64 字。 （1）画出主存与缓存的地址格式，说明各字段名称与位数。 （2）假设缓存的存取周期为 20ns，命中率为 0.95，采用缓存后的加速比要达到 10，计算 主存的存取周期。

（15 分）计算机系统有三个部件可以改进，这三个部件的加速比如下： 部件 1 加速 比=30；部件 2 加速比=20；部件 3 加速比=10； （1）如果部件 1 和部件 2 的可改进比例为 30%，那么当部件 3 的可改进比例为多少时， 系统的加速比才可以达到 10？ （2）如果三个部件的可改进比例为 30%，30%，20%，三个部件同时改进，那么在改进后 系统中不可加速部分的执行时间总执行时间中占的比例是多少？