计算机系统结构复习

1．试述Flynn 分类的4 种计算机系统结构有何特点。
参考答案：
Flynn按照指令流和数据流两种不同的组合，把计算机系统的结构分为以下4 类：
（1）单指令流单数据流SISD（Single Instruction Stream Single Datastream），SISD 是传统的顺序处理计算机；
（2）单指令流多数据流SIMD（Single Instruction Stream Multiple Datastream），SIMD 以阵列处理机为代表；
（3）多指令流单数据流MISD（Multiple Instruction Stream Single Datastream），MISD 实际代表何种计算机，存在着不同的看法；
（4）多指令流多数据流MIMD（Multiple Instruction Stream Multiple Datastream），多处理机与多计算机系统属于MIMD 结构。

单指令流单数据流（SingleInstructionStreamSingleDataStream，SISD）
　　SISD其实就是传统的顺序执行的单处理器计算机，其指令部件每次只对一条指令进行译码，并只对一个操作部件分配数据。
单指令流多数据流（SingleInstructionStreamMultipleDataStream，SIMD）
　　SIMD以并行处理机为代表，结构如图，并行处理机包括多个重复的处理单元PU1～PUn，由单一指令部件控制，按照同一指令流的要求为它们分配各自所需的不同的数据。
多指令流单数据流（MultipleInstructionStreamSingleDataStream，MISD）
　　MISD的结构，它具有n个处理单元，按n条不同指令的要求对同一数据流及其中间结果进行不同的处理。一个处理单元的输出又作为另一个处理单元的输入。
多指令流多数据流（MultipleInstructionStreamMultipleDataStream，MIMD）
　　MIMD的结构，它是指能实现作业、任务、指令等各级全面并行的多机系统，多处理机就属于MIMD。

2．假设高速缓存Cache 工作速度为主存的5 倍，且Cache 被访问命中的概率为90%，
则采用Cache 后，能使整个存储系统获得多高的加速比？
参考答案：
加速比 = 1/(1-0.9 +0.9/5) = 25/7

3．某工作站采用时钟频率为15 MHz、处理速率为10 MIPS 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个时钟 周期延迟，试问：
（1）此计算机的有效CPI 是多少？
（2）假定将处理机的时钟提高到30 MHz，但存储器子系统速率不变。这样，每次存储器
存取需要两个时钟周期。如果30%指令每条只需要一次存储存取，而另外5%每条需要两次存储存取，并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。
参考答案：
（1）CPI = 一个程序的CPU 时钟周期数/ IC =
=平均每条指令的执行时间/每个时钟周期的时间=（1/10 MIPS）/（1/15MHz）=15MHz/10MIPS =15/10 = 1.5 =时钟频率/MIPS
CPI时间是1.5*（1/15）us = 0.1us
（2）由第一问可得原始CPI 为1.5 ，改进后一次访存操作需要2 个时钟周期，比改进前每次访存多了1 个时钟周期；
由于有30% 的指令由于需要1 次访存，所以它们的时钟周期数需要加1 ；
有5% 的指令由于需要2 次访存，所以它们的时钟周期数需要加2.
所以可得 CPI new = CPI original + 30%*1 + 5%*2 = 1.5 + 0.3 + 0.1 = 1.9
改进后CPI new的时间：1.9 *（1/30）us = 0.063us

4．处理机的时钟30 MHz
（1）计算在单处理机上用上述跟踪数据运行程序的平均CPI。
（2）根据（1）所得CPI，计算相应的MIPS 速率。
参考答案：
(1)平均CPI = 160% + 218% + 412 + 810% = 2.24
(2)MIPS = 时钟周期/CPI = 30M/2.24 = 13.4

标签：计算机系统,复习,CPI,处理机,指令流,指令,MIPS,结构,时钟
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