计算机系统结构论文
计算机系统结构期末考试论文学院信息工程学院
专业信息管理与信息系统
班级123本
学号20120808050305
姓名杜伟
计算机系统结构中多处理机技术
杜伟
信息工程学院信息管理系统
摘要：多处理机通过共享的主存或输入/输出子系统或高速通信网络进行通信。利用多台处理机进行多任务处理，协同求解一个大而复杂的问题来提高速度，或者依靠冗余的处理机及其重组能力来提高系统的可靠性、适应性和可用行。该文介绍了微处理器的发展、多处理机的总线以及处理机系统中通信和存储技术的发展和两种特殊的多处理机系统结构。
关键词：多处理机；体系结构；总线
Communicate via shared memory multiprocessor or input / output subsystem or high-speed communication network. Using multiple processors perform multitasking, cooperative solving a large and complex problem to improve the speed, or rely on redundant processor and reorganization to improve the system reliability, adaptability and availability. This paper introduces the development of communication and storage technology development of microprocessor, multiprocessor bus and processor system and two special multiprocessor architecture.
Keywords: multiprocessor architecture; bus;
引言：微电子技术和封装技术的进步，使得高性能的VLSI 微处理器得以大批量生产，性能价格比不断合理，这为并行多处理机的发展奠定了重要的物质基础。
计算机系统性能增长的根本因素有两个：一是微电子技术，另一个是计算机体系结构技术。五十年代以来，人们先后采用了先行控制技术、流水线技术、增加功能部件甚至多机技术、存储寻址和管理能力的扩充、功能分布的强化、各种互联网络的拓扑结构以及支持多道、多任务的软件技术等一系列并行处理技术，提高计算机处理速度，增强系统性能。多处理机体系结构是计算机体系结构发展中的一个重要内容，已成为并行计算机发展中人们最关注的结构。
1 微处理器的发展
20 世纪80 年代中期，RISC 精简指令集计算机，用20%指令的组合实现了CISC 计算机指令系统不常用的80%指令的功能。在提高性能方面，RISC 采用了超级流水线、超级标量、超长指令字并行处理结构；多级指令Cache；编译优化等技术，充分利用RISC 的内部资源，发挥其内部操作的并行性，从而提高流水线的执行效率。20 世纪80 年代后期，RISC 处理机的性能指标几乎以每年翻一番的速度发展，它对于提高计算机系统的性能和应用水平起着巨大的作用。
目前，由Intel 和HP 两家公司联合开发的基于IA—64 架构的Merced 芯片，并由其共同定义的显式并行指令计算技术EPIC(Explicitly Parallel Instruction Computing )，将为微处理器技术的发展带来突破性进展。EPIC 技术主要指编译器在微处理器执行指令之前就对整个程序的代码作出优化安排，编译器分析指令间的依赖关系，将没有依赖关系的指令(最多3 个)组成一“组”，由Merced内置的执行单元读入被分成组的指令群并执行。从理论上讲，EPIC 可以并行执行3 倍于执行单元数的指令。64 位体系结构的Merced 芯片还采用了指令预测、数据预装等技术，可以显著地减少实际执行程序的长度，同时增强语句执行的并行性，经过代码的重组，程序的执行时间比基于传统体系结构的微处理器几乎减少了一半；更加不同凡响的是，可以消除分支预测错误的三分之二。
IA—64 微处理器具有128 个通用寄存器以及128 个浮点寄存器，而目前基于RISC 的微处理器通常只有32 个寄存器。它还具有更为丰富的与大量寄存器相连的附属功能部件，使得其应用更为广泛，同时内部各功能部件之间的可伸缩性扩展了机器的“宽度”，提高了系统的性能。容量更大的Cache 以及更多的读写端口，使得基于IA—64 微处理器的速度不再受到存储延迟的限制。EPIC 设计的Merced 芯片可并行处理十几个运算，而当今最优秀的芯片也只能并行处理4 个运算操作。EPIC 芯片用并行方式执行任务而不用顺序执行，这将使其速度比现在的CISC 和RISC 芯片至少快两倍。只有0.18 微米微小距离的迹线间宽度也使芯片时钟能够达到900MHZ。使用EPIC 设计的Merced 是第一个被分为三部分的芯片：一部分运行CISC，另一部分运行RISC，第三部分运行EPIC。把三种体系结合于一块芯片意味着现存的应用程序将仍然可以运行在基于新芯片的服务器上。
2 多处理机的总线
目前，在多处理机系统中有两种主要的连接方式：一种是共享存贮器的的多处理机系统，另一种是消息传递的分布式多处理机系统。由于专用信号处理系统一般要求结构紧凑，在满足实时性要求的前提下，对系统资源的利用率要求放在比较次要的位置上，故其操作系统简单实用，不具备消息传递的多处理机系统中的复杂的消息寻径能力；另外，由于信号处理场合的大计算量要求，系统内处理机比较多，单纯的共享总线结构效率不高。因此，共享总线结构和分布式结构相结合是一种发展趋势。
大多数多处理机系统的互连结构可归结为共享总线系统结构，共享总线系统结构为传统多处理系统的互连形式，由于没有通信口，处理机之间交换数据必须通过共享存贮器，其处理效率随着处理机数目增加而下降。
3 通信的发展
由于通信通常在芯片的外部实现，其速度远低于芯片内部的计算速度，因而通信往往成为并行多处理机系统发展的瓶颈。
通信网络中，总线结构最简单，节点机数目较大时，总线上的通信趋于饱和，成为并行机发展的瓶颈。采用开关网络来取代总线可以增加通信通路的数目，消除通信瓶颈。交叉开关可以提供任意源节点到任一目的节点的通路，但硬件成本高。N 个部件互联需要O(N2)交叉点的开关，当N>100 时，成本之高是惊人的。折衷的办法是采用多级开关，适当减少互连通路以降低成本，但通信性能也会随之下降。
消息传递是一种有效的通信方法。消息格式的改进使多计算机的寻径由存储转发方式演进为虫蚀方式。第一台多计算机系统采用的是存储转发(store and forword)寻径方式。在存储转发网络中，包是信息流的基本单位，每个节点有一个包缓冲区，包从源节点经过一系列中间节点到达目的节点。包交换的寻径方式以其较高的传输带宽和较低的平均传输时延，更适合于具有动态和突发特性的MMP 系统的数据传送。
目前的一些多计算机系统多采用虚拟直通的寻径方式。其思想是：为了减少时延，没有必要等到整个消息全部缓冲后再作路由选择，只要接受到用作寻径的消息头部即可判断。其通信时延与节点无关，这对于存储转发的寻径方式来说是一个非常大的改进。然而，当出现寻径阻塞时，虚拟直通方式只有将整个消息全部存储在寻径节点中，直到寻径通道不阻塞时才能将消息发出，这就需要每个寻径节点都有足够的缓冲区来存储可能出现的最大的信息包，在这一点上，虚拟直通方式与存储转发的寻径方式是一样的，同样不利于VLSI 的实现。因此，虚拟直通方式在最坏的情况下与存储转发方式的通信时延是一样的。
新型的多计算机系统采用的是虫蚀寻径方式，它克服了上述的缺点。包被进一步分成更小的片，每个片相当于虫的一个节，“蠕动”是以节为单位顺序地向前爬行。只有头片知道包发往何处，所有数据片必须跟着头片。不同的包可交替地传送，但不同包的片不能交叉，否则它们可能被送到错误的目的地。每个消息中的片以流水方式在网络中向前“蠕动”。当消息的头片到达一个节点A 的寻径器后，寻径器根据头片的寻径消息立即作出路由选择。可以看出，虫蚀寻径有以下优点：每个节点的缓冲区较小，易于VLSI 实现；较低的网络传输时延，所有的片以流水方式向前传输，采用了时间并行性，网络时延正比于消息包的长度，传输距离对于它的影响很小；通道共享性好，利用率高，对通道的预约和释放是结合在一起的一个完整的过程，有一段新的通道后立即放弃用过的一段旧通道；易于实现选播广播通信方式等。虫蚀寻径通信技术作为一种新型的消息通信方式，具有很好的应用前景。
4 存储技术的发展
与古典的冯·诺依曼计算机以运算器为中心不同，现代计算机系统以存储器为中心。存储技术的发展在很大程度上影响着多处理机系统结构的发展。Cache、主存、磁盘这三个存储器可以分别构成“Cache—主存”和“主存—磁盘”两个存储系统，也可以构成一个“Cache —主存—磁盘”存储系统。
“Cache—主存”和“主存—磁盘”组成的两个存储系统组织方式是指：当CPU 要访问存储器时，给出一个虚拟地址，由存储管理部件MMU(Memory Management Unit)中的地址部件把CPU 发出的虚拟地址变换成主存物理地址，然后用主存物理地址访问Cache。如果要访问的数据和指令在Cache 中被找到，则Cache 命中，否则发出Cache 块失效，用这个物理地址访问主存储器，取出一块数据和指令装入Cache，也把CPU 所需要的数据和指令送往CPU。“ache—主存—磁盘”组成的存储系统组织方式是指：当CPU 要访问存储器时，把虚拟地址直接送往存储管理部件Cache。Cache能直接接受虚拟地址的访问，把CPU 所需的数据和指令找出来。如果Cache 发生块失效，则用经过MMU 变换得到的主存物理地址访问主存储器，把读出的一块数据和指令装入Cache，同时也把CPU 所需的数据和指令送入CPU。
全Cache 存储系统是一种新型系统，就是不用主存，只用Cache 和辅存两种存储器构成“Cache—辅存”存储系统。这种系统的等效访问周期与Cache 很接近，等效存储容量就是虚拟地址空间的容量。
5 大规模并行处理机系统MPP和群机并行系统
MPP 是一种由成百上千乃至上万个微处理器所组成的、基于分布式存储的大规模并行处理系统。其体系结构发展特点是：节点机型选用通用高性能RISC 微处理器芯片，它具有VLSI 硅片、坤化镓技术、高密度组装和光技术。一般均在节点上设计一个功能较强的通信处理机构，尽量减轻处理器的通信开销，有的甚至在节点上增设一个处理器作为通信处理机。
MPP 系统采用分布式存储方式使系统容易扩充，但由于每个处理机不能直接访问非本地存储器而采用消息传递方式来解决这一问题，这使得编程困难且通信开销增大，因而广泛使用虚拟共享存储技术。这是在基于分布存储器的多处理机上，实现物理上分布但逻辑上共享的存储系统。其思想是：将物理上分散的各个处理机使用的局部存储器，在逻辑上加以统一编址，形成一个统一的虚拟地址空间来实现存储器的共享。每个处理机可以访问全局存储器的任一位置，用户可以把它当成全局共享存储系统。虚拟共享存储系统的优点有：编程容易，系统结构灵活，可扩充性好，有较好的软件移植性等。
MPP 系统采用高速互联网的拓扑结构由初期的超立方体转向三维网、多级互联网和交叉开关。近几年来，随着通信网络技术的飞速发展，使分布式计算机专用互联网有逐渐转向标准通信网络的趋势。ATM 技术是适合于B-ISDN 的标准通信协议，利用ATM网可将各种类型的计算机连接成分布式并行计算机系统。
群机系统是利用高速通信网络将一组工作站、服务器、小型机甚至巨型机或MMP 系统连接起来，在并行程序设计及可视化人机交互集成环境(如PVM、EXPRESS 等)支持下，统一调度，协调处理，实现高效并行处理的系统。从结构和节点间的通信方式来看，群机系统也属于分布式存储系统，主要利用消息传递方式实现各节点间的通信。目前已实现和正在研究中的群机系统大多采用现有商用工作站/PC 和通用LAN 网络，而且大多数群机系统的并行编程环境也建立在一般的UNIX 操作系统之上，这样系统开发的重点在通信和并行编程环境上，既不用重新研制计算机节点，又不用重新设计操作系统和编译系统，可以缩短开发周期、减少系统的开发与维护费用，还可以利用最新的微处理器技术，使得节点机性能保持与处理器发展的同步，而且节点机系统管理相对容易，可靠性高。网络技术的进步使得松耦合系统的通信瓶颈逐步得到缓解。网络传输速度的提高，有效地提高了应用程序间的通信带宽，使得许多高速局域网与MPP 中专用互联网络的性能相当。
群机系统扩展容易，对大多数中、粗粒度的并行应用都有较高的效率，而价格相对于传统巨型机或MPP 系统的价格要低。但与MPP 系统相比，主要的缺点是：群机系统的通信延迟大，并行处理的粒度大。
6 小结
由于微处理器新体系结构的发展，将会出现在一片芯片上集成多个处理器的微处理器，因此，多处理机系统的节点本身将成为一个紧耦合多处理系统，然后再通过某种互联网络实现松耦合的MPP 系统或群机系统。网络技术的进步使得松散耦合系统的通信瓶颈逐步得到缓解，开关技术的发展则大幅度的降低了传输延迟。互连技术，新的器件和算法，特别是光互连技术在并行系统中的应用，将使并行系统中的通信开销非常小，以至在设计并行程序时不必考虑节点空间的距离和系统的拓扑结构。随着人们进一步开发新的微处理器芯片，探索更加灵活、能适应更多应用的互联网络，发展新的存储方式，使I/O 性能与整个计算机能力保持平衡，MPP、群机及SMP 等多处理机体系结构的界限也会越来越模糊。并行计算机体系结构将朝着3T 目标迅速发展。
参考文献：
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北邮高级计算机系统结构实验二三四五
实验二指令流水线相关性分析 ·实验目的 通过使用WINDLX模拟器，对程序中的三种相关现象进行观察，并对使用专用通路，增加运算部件等技术对性能的影响进行考察，加深对流水线和RISC处理器的特点的理解。 ·实验原理： 指令流水线中主要有结构相关、数据相关、控制相关。相关影响流水线性能。·实验步骤 一．使用WinDLX模拟器，对做如下分析： （1）观察程序中出现的数据/控制/结构相关。指出程序中出现上述现象的指令组合。 （2）考察增加浮点运算部件对性能的影响。 （3）考察增加forward部件对性能的影响。 （4）观察转移指令在转移成功和转移不成功时候的流水线开销。 ·实验过程 一．使用WinDLX模拟器，对做如下分析： } 浮点加、乘、除部件都设置为1，浮点数运算部件的延时都设置为4，如图1： 图1 初始设置 将和加载至WinDLX中，如图2示。
图2 加载程序 1.观察程序中出现的数据/控制/结构相关；指出程序中出现上述现象的指令组合。 1）数据相关 点击F7，使程序单步执行，当出现R-Stall时停止，运行过程中出现下图3所示，输入整数6。 图3 输入整数6 @ 打开Clock Diagram，可以清楚的看到指令执行的流水线如图4所示。 图4 指令流水线 双击第一次出现R-Stall的指令行，如图5所示。
图5 指令详细信息 对以上出现的情况分析如下： 程序发生了数据相关，R-Stall（R-暂停）表示引起暂停的原因是RAW。 lbu r3,0×0(r2) 要在WB周期写回r3中的数据；而下一条指令 & seqi r5,r3,0×a 要在intEX周期中读取r3中的数据。 上述过程发生了WR冲突，即写读相关。为了避免此类冲突， seq r5,r4,0×a的intEX指令延迟了一个周期进行。 由此，相关指令为： 2）控制相关 由图6可以看出，在第4时钟周期：第一条指令处于MEM段，第二条命令处于intEX段，第三条指令出于aborted状态，第四条命令处于IF段。 图 6 指令流水线 }
计算机系统结构三四章作业及答案
3.1 简述流水线技术的特点。（1） 流水线把一个处理过程分解为若干个子过程，每个子过程由一个专门的功能部件来实现。因此，流水线实际上是把一个大的处理功能部件分解为多个独立的功能部件，并依靠它们的并行工作来提高吞吐率。（2） 流水线中各段的时间应尽可能相等，否则将引起流水线堵塞和断流。（3） 流水线每一个功能部件的前面都要有一个缓冲寄存器，称为流水寄存器。（4） 流水技术适合于大量重复的时序过程，只有在输入端不断地提供任务，才能充分发挥流水线的效率。（5） 流水线需要有通过时间和排空时间。在这两个时间段中，流水线都不是满负荷工作。 3.2 解决流水线瓶颈问题有哪两种常用方法？答：细分瓶颈段与重复设置瓶颈段 3.3 有一条指令流水线如下所示： （1 用两给出条指 （1） （24? 变八级流水线（细分） ? 重复设置部件 )(ns 85 1 T n TP 1pipeline -== 3.4 有一个流水线由4段组成，其中每当流过第三段时，总要在该段循环一次，然后才能流到第4段。如果每段经过一次所需的时间都是△t ，问： （1）当在流水线的输入端连续地每△t 时间输入一个任务时，该流水线会发生什么情况？ （2）此流水线的最大吞吐率为多少？如果每2△t 输入一个任务，连续处理10个任务时，其实际吞吐率和效率是多少？ （3）当每段时间不变时，如何提高流水线的吞吐率？人连续处理10个任务时，其吞吐率提高多少？ 解：（1）会发生流水线阻塞情况。
（2） （3）重复设置部件 吞吐率提高倍数＝ t t ??2310 75 ＝1.64 3.5 有一条动态多功能流水线由5段组成，加法用1、3、4、5段，乘法用1、2、5段，第2段的时间为2△t ，其余各段的时间均为△t ，而且流水线的输出可以直接返回输入端或暂存于相应的流水线寄存器中。现在该流水线上计算 ∏=+4 1 )(i i i B A ，画出时空图，并计算其吞吐率、加速比和效率。 ＋B 4；再计算由图可见，它在18个△t 时间中，给出了7个结果。所以吞吐率为： 如果不用流水线，由于一次求积需3△t ，一次求和需5△t ，则产生上述7个结果共需（4×5+3×3）△t =29△t 。所以加速比为： 该流水线的效率可由阴影区的面积和5个段总时空区的面积的比值求得： 3.6 在一个5段流水线处理机上,各段执行时间均为△t,需经9△t 才能完成一个任务,其预约表如下所示。 段23 时间 入 A 1 B 1 A 2 B 2 A 3 B 3 A 4 B 4 A B C D A × B C ×D
北邮研究生 高级计算机系统结构
计算机系统结构的发展历程 课程：高级计算机系统结构 姓名： 学号： 班级：
2015年12月 一、计算机系统结构 随着当今社会和科技的飞速发展，自四十年代计算机问世以来，计算机科学更是发展迅速，应用领域不断扩展计算机的普及和广泛应用，现代社会正朝着高度信息化，自动化方向发展。计算机逐渐成为社会必不可少的支柱力量。 计算机系统是按人的要求接收和存储信息，自动进行数据处理和计算，并输出结果信息的机器系统。计算机是脑力的延伸和扩充，是近代科学的重大成就之一。计算机系统由硬件系统和软件系统组成。前者是借助电、磁、光、机械等原理构成的各种物理部件的有机组合，是系统赖以工作的实体。后者是各种程序和文件，用于指挥全系统按指定的要求进行工作。 而计算机系统结构是计算机的的机器语言程序员或编译程序编写者所看到的外特性。所谓外特性，就是计算机的概念性结构和功能特性，主要研究计算机系统的基本工作原理，以及在硬件、软件界面划分的权衡策略，建立完整的、系统的计算机软硬件整体概念。其也称为计算机体系结构，它是由计算机结构外特性，内特性，微外特性组成的。经典的计算机系统结构的定义是指计算机系统多级层次结构中机器语言机器级的结构，它是软件和硬件/固件的主要交界面，是由机器语言程序、汇编语言源程序和高级语言源程序翻译生成的机器语言目标程序能在机器上正确运行所应具有的界面结构和功能。 以最常见的冯诺依曼计算机为例，计算机系统结构包含了以下几个方面： 1.指令集架构（Instruction set architecture；简称ISA）：被视为一种机器语言， 包含了许多相关的指令集（存储器定址、处理器控制，寄存器控制等等……）。 2.微体系结构/微架构（Microarchitecture）或称计算机组织（Computer
计算机系统结构复习
回答以下问题： 1.经典MIPS流水线分哪5个功能段？ 取指令周期（IF）指令译码器/读寄存器周期（ID）执行/有效地址计算周期（EX）存储器访问/分子完成周期（MEM）写回周期（WB） 2.流水线有哪3种相关？哪3种冲突？ 数据相关，名相关，控制相关结构冲突，数据冲突，控制冲突 3.提高并行性的技术途径有哪3种？ 动态分支预测技术，多指令流出技术，循环展开和指令调度 4.对向量处理有哪3种方式？ 横向（水平）处理方式，纵向（垂直）处理方式，纵横（分组）处理方式 5.Cache失效可以分为哪3种？ 强制性失效，容量失效，冲突失效 6.在存储层次中，常用的替换算法有哪3种？ 随机法，先进先出法，最近最少使用法 7.在进行指令集格式设计时，有哪3种设计方法？ 指令集格式的设计：有变长编码格式、固定长度编码格式和混合型编码格式3种。 8.消除瓶颈的两种方法是？ 细分瓶颈段与重复设置瓶颈段 9.在大多数指令集结构的功能设计中必须考虑支持的3种类型的指令是？ 变长编码格式，定长编码格式，混合型编码格式 10.根据指令读和写访问顺序，将数据冲突分哪3类？ 写后读冲突，写后写冲突，读后写冲突 、请简述以下内容： 1.简述RISC指令集结构的设计原则和CISC指令集结构功能设计的主要目标，根据CPU性能公式简述RISC指令集结构计算机
和CISC指令集结构计算机的性能特点。简述RISC指令集结构的设计原则。 答：（1）选取使用频率最高的指令，并补充一些最有用的指令；（2）每条指令的功能应尽可能简单，并在一个机器周期内完成；（3）所有指令长度均相同；（4）只有Load和Store操作指令才访问存储器，其它指令操作均在寄存器之间进行； (5) 以简单有效的方式支持高级语言。 简述CISC指令集结构功能设计的主要目标答：主要目标是增强指令功能，把越来越多的功能交由硬件来实现，并且指令的数量也是越来越多。 答：CPU性能公式：CPU时间＝IC×CPI×T 其中，IC为目标程序被执行的指令条数，CPI为指令平均执行周期数，T是时钟周期的时间。 相同功能的CISC目标程序的指令条数IC CISC少于RISC的IC RISC，但是CISC的CPI CISC和T CISC都大于RISC的CPI RISC和T RISC，因此，CISC目标程序的执行时间比RISC的更长。 0计算机系统设计中经常使用的4个定量原理是什么？并说出它们的含义。 答：（1）以经常性事件为重点。在计算机系统的设计中，对经常发生的情况，赋予它优先的处理权和资源使用权，以得到更多的总体上的改进。（2）Amdahl定律。加快某部件执行速度所获得的系统性能加速比，受限于该部件在系统中所占的重要性。
计算机体系结构实验报告二
实验二结构相关 一、实验目得: 通过本实验,加深对结构相关得理解,了解结构相关对CPU性能得影响。 二、实验内容: 1、用WinDLX模拟器运行程序structure_d、s 。 2、通过模拟,找出存在结构相关得指令对以及导致结构相关得部件。 3、记录由结构相关引起得暂停时钟周期数,计算暂停时钟周期数占总执行 周期数得百分比。 4、论述结构相关对CPU性能得影响,讨论解决结构相关得方法。 三、实验程序structure_d、s LHI R2, (A>>16)&0xFFFF 数据相关 ADDUI R2, R2, A&0xFFFF LHI R3, (B>>16)&0xFFFF ADDUI R3, R3, B&0xFFFF ADDU R4, R0, R3 loop: LD F0, 0(R2) LD F4, 0(R3) ADDD F0, F0, F4 ;浮点运算,两个周期,结构相关 ADDD F2, F0, F2 ; < A stall is found (an example of how to answer your questions) ADDI R2, R2, #8 ADDI R3, R3, #8 SUB R5, R4, R2 BNEZ R5, loop ;条件跳转 TRAP #0 ;; Exit < this is a ment !! A: 、double 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 B: 、double 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 四、实验过程 打开软件,load structure_d、s文件,进行单步运行。经过分析,此程序一 次循环中共有五次结构相关。(Rstall 数据相关Stall 结构相关) 1)第一个结构相关:addd f2,,f0,f2 由于前面得数据相关,导致上一条指令addd f0,f0,f4暂停在ID阶段,所以下一条指令addd f2,,f0,f2发生结构相关,导致相关得部件:译码部件。
计算机系统结构网上作业
计算机系统结构作业参考答案 一、 1、试述现代计算机系统的多级层次结构。 计算机系统具有层次性，它由多级层次结构组成。从功能上计算机系统可分为五个层次级别：第一级是设计级。这是一个硬件级，它由机器硬件直接执行。 第二级是一般机器级，也称为机器语言级。它由微程序解释系统.这一级是硬件级。 第三级是操作系统级，它由操作系统程序实现。这些操作系统由机器指令和广义指令组成，这些广义指令是操作系统定义和解释的软件指令。这一级也称混合级。 第四级是汇编语言级。它给程序人员提供一种符号形式的语言，以减少程序编写的复杂性。这一级由汇编程序支持执行。 第五级是高级语言级。这是面向用户为编写应用程序而设置的。这一级由各种高级语言支持。 2、试述RISC设计的基本原则和采用的技术。 答：一般原则： (1)确定指令系统时，只选择使用频度很高的指令及少量有效支持操作系统，高级语言及其它功能 的指令，大大减少指令条数，一般使之不超过100条； (2)减少寻址方式种类，一般不超过两种； (3)让所有指令在一个机器周期内完成； (4)扩大通用寄存器个数，一般不少于32个，尽量减少访存次数； (5)大多数指令用硬联实现，少数用微程序实现； (6)优化编译程序，简单有效地支持高级语言实现。
基本技术： (1)按RISC一般原则设计，即确定指令系统时，选最常用基本指令，附以少数对操作系统等支持最有用的指令，使指令精简。编码规整，寻址方式种类减少到1、2种。 (2)逻辑实现用硬联和微程序相结合。即大多数简单指令用硬联方式实现，功能复杂的指令用微程序实现。 (3)用重叠寄存器窗口。即：为了减少访存，减化寻址方式和指令格式，简有效地支持高级语言中的过程调用，在RISC机器中设有大量寄存嚣，井让各过程的寄存器窗口部分重叠。 (4)用流水和延迟转移实现指令，即可让本条指令执行与下条指令预取在时间上重叠。另外，将转移指令与其前面的一条指令对换位置，让成功转移总是在紧跟的指令执行之后发生，使预取指令不作废，节省一个机器周期。 (5)优化设计编译系统。即尽力优化寄存器分配，减少访存次数。不仅要利用常规手段优化编译，还可调整指令执行顺序，以尽量减少机器周期等。 3、试述全相联映像与直接映像的含义及区别 （1）全相连映像 主存中任何一个块均可以映像装入到Cache中的任何一个块的位置上。主存地址分为块号和块内地址两部分，Cache地址也分为块号和块内地址。Cache的块内地址部分直接取自主存地址的块内地址段。主存块号和Cache块号不相同，Cache块号根据主存块号从块表中查找。Cache保存的各数据块互不相关，Cache必须对每个块和块自身的地址加以存储。当请求数据时，Cache控制器要把请求地址同所有的地址加以比较，进行确认。 （2）直接映像 把主存分成若干区，每区与Cache大小相同。区内分块，主存每个区中块的大小和Cache 中块的大小相等，主存中每个区包含的块的个数与Cache中块的个数相等。任意一个主存块只能映像到Cache中唯一指定的块中，即相同块号的位置。主存地址分为三部分：区号、块号和块内地址，Cache地址分为：块号和块内地址。直接映像方式下，数据块只能映像到Cache中唯一指定的位置，故不存在替换算法的问题。它不同于全相连Cache，地址仅需比较一次。 （3）区别： 全相连映像比较灵活，块冲突率低，只有在Cache中的块全部装满后才会出现冲突，Cache 利用率高。但地址变换机构复杂，地址变换速度慢，成本高。 直接映像的地址变换简单、速度快，可直接由主存地址提取出Cache地址。但不灵活，块冲突率较高，Cache空间得不到充分利用。 4. 画出冯?诺依曼机的结构组成？
(完整word版)计算机系统结构复习资料
1. 多级层次结构 从计算机语言的角度，把计算机系统按功能划分成多级层次结构。 2. 透明性： 在计算机技术中，对本来存在的事物或属性，但从某种角度看又好象不存在的概念称为透明性。 3. 对于通用寄存器型机器，这些属性主要是指：（选择题） (1) 数据表示 （硬件能直接辩认和处理的数据类型） (2) 寻址规则 （包括最小寻址单元、寻址方式及其表示） (3) 寄存器定义 （包括各种寄存器的定义、数量和使用方式） (4) 指令集 （包括机器指令的操作类型和格式、指令间的排序和控制机构等） (5) 中断系统 （中断的类型和中断响应硬件的功能等） (6) 机器工作状态的定义和切换 （如管态和目态等） (7) 存储系统 （主存容量、程序员可用的最大存储容量等） (8) 信息保护 （包括信息保护方式和硬件对信息保护的支持） (9) I/O 结构（包括I/O 连接方式、处理机/存储器与I/O 设备间数据传送的方式和格式以及I/O 操作的状态等） 4. 计算机组成 计算机系统的逻辑实现。 5. 计算机实现 计算机系统的物理实现。 (两者的区别 第5页) 6. 系列机 在一个厂家内生产的具有相同的体系结构，但具有不同组成和实现的一系列 不同型号的机器。 7. 冯氏分类法 用系统的最大并行度对计算机进行分类。 最大并行度：计算机系统在单位时间内能够处理 8. Flynn 分类法 按照指令流和数据流的多倍性进行分类。 9. 4个定量原理：（有理解，有简答） 第6级 第5级 第4级 第3级 第2级 第1级
以经常性事件为重点=大概率事件优先规则 10.CPU性能公式： CPU时间= 执行程序所需的时钟周期数×时钟周期时间= IC ×CPI ×时钟周期时间 其中，时钟周期时间是系统时钟频率的倒数。 每条指令执行的平均时钟周期数CPI CPI = 执行程序所需的时钟周期数／IC IC：所执行的指令条数 11.程序的局部性原理（构成存储层次的理论依据） 包括程序的时间局部性，程序的空间局部性 12.冯·诺依曼结构的主要特点 以运算器为中心。 在存储器中，指令和数据同等对待。 存储器是按地址访问、按顺序线性编址的一维结构，每个单元的位数是固定的。 指令的执行是顺序的。 指令由操作码和地址码组成。 指令和数据均以二进制编码表示，采用二进制运算。 13.实现可移植性的常用方法 采用系列机，模拟与仿真，统一高级语言。 14.软件兼容方式： 向前（后）兼容,向上（下）兼容四种。 向后兼容一定要保证，他是系列机的根本特征（填空） 15.模拟：用软件的方法在一台现有的机器（称为宿主机）上实现另一台机器（称为虚拟机） 的指令集。 16.仿真：用一台现有机器（宿主机）上的微程序去解释实现另一台机器（目标机）的指令 集。 17.并行性：计算机系统在同一时刻或者同一时间间隔内进行多种运算或操作。 同时性和并发性（填空） 18.从执行程序的角度来看，并行性等级从低到高可分为： 指令内部并行 指令级并行 线程级并行 任务级或过程级并行 作业或程序级并行 19.提高并行性的技术途径： 时间重叠，资源重复，资源共享 20.耦合度分为：（了解区别） 紧密耦合系统（直接耦合系统）：在这种系统中，计算机之间的物理连接的频带较高，一般是通过总线或高速开关互连，可以共享主存。 松散耦合系统（间接耦合系统）：一般是通过通道或通信线路实现计算机之间的互连，可以共享外存设备（磁盘、磁带等）。机器之间的相互作用是在文件或数据集一级上进行的。 21.CISC指令集结构存在的问题： 各种指令的使用频度相差悬殊 指令集庞大，指令条数很多，许多指令的功能又很复杂， 许多指令由于操作繁杂，其CPI值比较大，执行速度慢。
华科专升本计算机系统结构-作业全
第一章作业 简答题 1、简述什么是计算机系统结构。 2、答：计算机系统结构是程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能性结构。 3、 4、计算机系统的层次从下到上包括哪些？ 5、答：计算机系统的层次从上到下包括微程序机器级、机器语言、操作系统虚拟机、汇编 语言虚拟机、高级语言虚拟机、应用语言虚拟机。 6、 7、Flynn分类法是以什么对计算机系统进行分类分成哪几类？ 8、答：Flynn分类法是以指令流和数据流的多倍性对计算机系统进行分类。Flynn分类法 把计算机系统的结构分为以下4类：单指令流单数据流、单指令多数据流、多指令流单数据流、多指令流多数据流。 9、 10、简述Amdahl定律及加速比计算公式。 答：Amdahl定律指出加快某部件执行速度所能获取得系统性加速比，受限于该部件的执行时间占系统中总执行时间的百分比。 加速比计算公式=系统性能（改进后）/系统性能（改进前）=总执行时间（改进前）/总执行时间（改进后） 计算题 5、如果某一些计算任务用向量方式求解比用标量方式求解快20倍。为达到加速比2，可用向量方式求解所花费时间占总的时间的百分比为多少 解：由题可知，系统加速比=2，部件加速比=20，通过向量方式求解可改进比例未知，可设为X。 根据Amdahl定律可知 系统加速比=1/[(1-X)+X/20]=2 求解得X=10/19 由此可得，可用向量方式求解所花费时间占总的时间的百分比魏53% 第二章作业 1、简述指令集结构设计的基本原则。 完整性、规整性、高效性和兼容性 2、简述RISC结构的设计原则。 1）选取使用频率最高的指令，并补充一些最有用的指令； 2）每条指令的功能应尽可能简单，并在一个机器周期内完成； 3）所有指令长度均相同； 4）只有Load和Store操作指令才访问存储器，其它指令操作均在寄存器之间进行； 5）以简单有效的方式支持高级语言。 3
计算机系统结构发展历程及未来展望
计算机系统结构发展历程及未来展望 一、计算机体系结构 什么是体系结构 经典的关于“计算机体系结构（computer A 按照计算机系统的多级层次结构，不同级程序员所看到的计算机具有不同的属性。一般来说，低级机器的属性对于高层机器程序员基本是透明的，通常所说的计算机体 系结构主要指机器语言级机器的系统结构。计算机体系结构就是适当地组织在一起的 一系列系统元素的集合，这些系统元素互相配合、相互协作，通过对信息的处理而完 成预先定义的目标。通常包含的系统元素有：计算机软件、计算机硬件、人员、数据库、文档和过程。其中，软件是程序、数据库和相关文档的集合，用于实现所需要的 逻辑方法、过程或控制；硬件是提供计算能力的电子设备和提供外部世界功能的电子 机械设备(例如传感器、马达、水泵等)；人员是硬件和软件的用户和操作者；数据库 是通过软件访问的大型的、有组织的信息集合；文档是描述系统使用方法的手册、表格、图形及其他描述性信息；过程是一系列步骤，它们定义了每个系统元素的特定使 用方法或系统驻留的过程性语境。 体系结构原理 计算机体系结构解决的是计算机系统在总体上、功能上需要解决的问题，它和计 算机组成、计算机实现是不同的概念。一种体系结构可能有多种组成，一种组成也可 能有多种物理实现。 计算机系统结构的逻辑实现，包括机器内部数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。其目标是合理地把各种部件、设备组成计算机，以实现特定的系统结构，同时满足所 希望达到的性能价格比。一般而言，计算机组成研究的范围包括：确定数据通路的宽度、确定各种操作对功能部件的共享程度、确定专用的功能部件、确定功能部件的并 行度、设计缓冲和排队策略、设计控制机构和确定采用何种可靠技术等。计算机组成 的物理实现。包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，器件、模块、插件、底板的划分与连接，专用器件的设计，信号传输技术，电源、冷却及装配 等技术以及相关的制造工艺和技术。 主要研究内容 1·机内数据表示：硬件能直接辨识和操作的数据类型和格式 2·寻址方式：最小可寻址单位、寻址方式的种类、地址运算 3·寄存器组织：操作寄存器、变址寄存器、及专用寄存器的定义、数量和使用规则 4·：指令的操作类型、格式、指令间排序和控制机构 5·：最小编址单位、编址方式、容量、最大可编址空间 6·中断机构：中断类型、中断级别，以及中断响应方式等
吉大14秋学期《计算机系统结构》在线作业二答案
吉大14秋学期《计算机系统结构》在线作业二 单选题判断题 一、单选题（共15 道试题，共60 分。） 1. 关于非专用总线三种控制方式中，下列叙述错误的是（）。 A. 集中式定时查询，所有部件共用同一条“总线忙”线 B. 集中式定时查询，所有部件都用同一条“总线请求”线 C. 集中式独立请求，所有部件都用同一条“总线请求”线 D. 集中式串行链接，所有部件都用同一条“总线请求”线 -----------------选择：C 2. 汇编语言源程序变换成机器语言目标程序是经( ) 来实现的。 A. 编译程序解释 B. 汇编程序解释 C. 编译程序翻译 D. 汇编程序翻译 -----------------选择：D 3. 计算机使用的语言是( )。 A. 专属软件范畴，与计算机体系结构无关 B. 分属于计算机系统各个层次 C. 属于用以建立一个用户的应用环境 D. 属于符号化的机器指令 -----------------选择：B 4. 多端口存储器适合于连接（）。 A. 紧耦合多处理机 B. 松耦合多处理机 C. 机数很多的处理机 D. 机数可变的多处理机 -----------------选择：A 5. 在系统结构设计中，提高软件功能实现的比例会( )。 A. 提高解题速度 B. 减少需要的存贮容量 C. 提高系统的灵活性 D. 提高系统的性能价格比 -----------------选择：C 6. 用户高级语言源程序中出现的读写(I/O) 语句，到读写操作全部完成，需要通过( )共同完成。 A. 编译系统和操作系统 B. I/O 总线、设备控制器和设备 C. 操作系统和I/O 设备硬件 D. 编译系统、操作系统软件和I/O 总线，设备控制器、设备硬件等 -----------------选择：D
计算机体系结构试题及答案版本
计算机体系结构试题及答案 1、计算机高性能发展受益于：(1) 电路技术的发展；(2) 计算机体系结构技术的发展。 2、层次结构：计算机系统可以按语言的功能划分为多级层次结构，每一层以不同的语言为特征。第六级：应用语言虚拟机-> 第五级：高级语言虚拟机-> 第四级：汇编语言虚拟机-> 第三级：操作系统虚拟机->第二级：机器语言(传统机器级) -> 第一级：微程序机器级。 3、计算机体系结构：程序员所看到的计算机的属性，即概括性结构与功能特性。 4、透明性：在计算机技术中，对本来存在的事物或属性，从某一角度来看又好像不存在的概念称为透明性。 5、Amdahl 提出的体系结构是指机器语言级程序员所看见的计算机属性。 6、经典计算机体系结构概念的实质3是计算机系统中软、硬件界面的确定，也就是指令集的设计，该界面之上由软件的功能实现，界面之下由硬件和固件的功能来实现。 7、计算机组织是计算机系统的逻辑实现；计算机实现是计算机系统的物理实现。
8、计算机体系结构、计算机组织、计算机实现的区别和联系？ 答：一种体系结构可以有多种组成，一种组成可以有多种物理实现，体系结构包括对组织与实现的研究。 9、系列机：是指具有相同的体系结构但具有不同组织和实现的一系列不同型号的机器。 10、软件兼容：即同一个软件可以不加修改地运行于系统结构相同的 各机器，而且它们所获得的结果一样，差别只在于运行时间的不同。 11、兼容机：不同厂家生产的、具有相同体系结构的计算机。 12、向后兼容是软件兼容的根本特征，也是系列机的根本特征。 13、当今计算机领域市场可划分为：服务器、桌面系统、嵌入式计算三大领域。 14、摩尔定律：集成电路密度大约每两年翻一番。 15、定量分析技术基础（1）性能的评测：（a）响应时间：从事件开始到结束之间的时间；计算机完成某一任务所花费的全部时间。（b）流量：单位时间内所完成的工作量。（c ）假定两台计算机x 、y；x 比y 快意思为：对于给定任务，x 的响应时间比y少。x的性能是y的几倍是指：响应时间x / 响应时间y = n ，响应时间与性能成反比。
计算机系统结构复习(个人总结)
第一章： 计算机系统的层次结构：（按照计算机语言从低级到高级） 微程序机器，传统机器语言机器，操作系统机器，汇编语言机器，高级语言机器和应用语言机器。 计算机系统结构： 传统机器程序员所看到的计算机属性，即概念属性和功能特性。 计算机组成： 计算机系统结构的逻辑实现，包括物理机器级中的数据流和控制流的组成和逻辑设计等。计算机实现： 计算机组成的物理实现，包括处理机，主存等物理结构及整机装配技术。（器件技术和微组装技术） 透明性： 在计算机技术中，把这种本来存在的事物和属性，但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性。 Flynn分类法是依旧：指令流和数据流的多倍性进行分类的。 冯氏分类发：是按照计算机系统的最大并行度来分类的。 计算机系统设计的定量原则： 1，以经常性事件为重点：在计算机系统中对于经常发生的事件，赋予它优先的处理权和系统使用权。 2，Amdahl定律：加快某部件的执行速度所获得的系统性能的加速比。S n=1 1?F e+F e e （注： Fe=可改进时间比例，Se=性能提高倍数） 3，CPU性能公式：执行一个程序所需要的CPU时间=IC*CPI*时钟周期时间（CPI指令平均时 钟周期=执行程序所需要的时钟周期数/所执行的指令数）CPI=（CPI i?IC i IC ） n i=1 4，程序的局部属性：程序执行时，所访问的存储器地址不是随机分布的，而是相对簇聚的。 包括时间局部性和空间局部性。 计算机系统设计者的主要任务： 1，确定用户对计算机系统的功能，价格和性能的要求。 2，软硬件功能的分配。 3，设计出生命周期长的系统结构。 软件兼容： 一台计算机上的程序不加修改或只需要少量的修改就可以由一台计算机一直到另一台计算机上运行，差别只是执行时间的不同 从中间开始设计：
北邮计算机系统结构实验报告-实验一到五-WINDLX模拟器
北京邮电大学 实验报告 课程名称计算机系统结构 计算机学院03班 王陈(11)
目录 实验一WINDLX模拟器安装及使用......................................... 错误!未定义书签。 ·实验准备................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验环境................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验步骤................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验内容及要求.................................................................... 错误!未定义书签。 ·实验过程............................................................................. 错误!未定义书签。 ·实验总结............................................................................. 错误!未定义书签。实验二指令流水线相关性分析 ............................................... 错误!未定义书签。 ·实验目的............................................................................. 错误!未定义书签。 ·实验环境................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验步骤................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验过程............................................................................. 错误!未定义书签。 ·实验总结............................................................................. 错误!未定义书签。实验三DLX处理器程序设计 .................................................... 错误!未定义书签。 ·实验目的............................................................................. 错误!未定义书签。 ·实验环境................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验步骤................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验过程............................................................................. 错误!未定义书签。 A.向量加法代码及性能分析 ................................................... 错误!未定义书签。 B.双精度浮点加法求和代码及结果分析 .............................. 错误!未定义书签。 ·实验总结............................................................................. 错误!未定义书签。实验四代码优化 ....................................................................... 错误!未定义书签。 ·实验目的............................................................................. 错误!未定义书签。 ·实验环境................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验原理................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验步骤................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验过程............................................................................. 错误!未定义书签。 ·实验总结+实习体会........................................................... 错误!未定义书签。实验五循环展开 ....................................................................... 错误!未定义书签。 ·实验目的............................................................................. 错误!未定义书签。 ·实验环境................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验原理................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验步骤................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验过程............................................................................. 错误!未定义书签。 矩阵乘程序代码清单及注释说明........................................... 错误!未定义书签。 相关性分析结果........................................................................... 错误!未定义书签。 增加浮点运算部件对性能的影响........................................... 错误!未定义书签。 增加forward部件对性能的影响 ............................................ 错误!未定义书签。 转移指令在转移成功和转移不成功时候的流水线开销 .. 错误!未定义书签。 ·实验总结+实习体会+课程建议......................................... 错误!未定义书签。
计算机系统结构三四章作业及答案
简述流水线技术的特点。（1） 流水线把一个处理过程分解为若干个子过程，每个子过程由一个专门的功能部件来实现。因此，流水线实际上是把一个大的处理功能部件分解为多个独立的功能部件，并依靠它们的并行工作来提高吞吐率。（2） 流水线中各段的时间应尽可能相等，否则将引起流水线堵塞和断流。（3） 流水线每一个功能部件的前面都要有一个缓冲寄存器，称为流水寄存器。（4） 流水技术适合于大量重复的时序过程，只有在输入端不断地提供任务，才能充分发挥流水线的效率。（5） 流水线需要有通过时间和排空时间。在这两个时间段中，流水线都不是满负荷工作。 解决流水线瓶颈问题有哪两种常用方法？答：细分瓶颈段与重复设置瓶颈段 有一条指令流水线如下所示： （1 （? ? TP = 有一个流水线由4段组成，其中每当流过第三段时，总要在该段循环一次，然后才能流到第4段。如果每段经过一次所需的时间都是△t ，问： （1）当在流水线的输入端连续地每△t 时间输入一个任务时，该流水线会发生什么情况？ （2）此流水线的最大吞吐率为多少？如果每2△t 输入一个任务，连续处理10个任务时，其实际吞吐率和效率是多少？ （3）当每段时间不变时，如何提高流水线的吞吐率？人连续处理10个任务时，其吞吐率提高多少？ 解：（1）会发生流水线阻塞情况。 （2）
（3）重复设置部件 吞吐率提高倍数＝ t t ??2310 75 有一条动态多功能流水线由5段组成，加法用1、3、4、5段，乘法用1、2、5段，第2段的时间为2△t ，其余各段的时间均为△t ，而且流水线的输出可以直接返回输入端或暂存于相应的流水线寄存器中。现在该流水线上计算 ∏=+4 1 )(i i i B A ，画出时空图，并计算其吞吐率、加速比和效率。 4＋B 4；再计算(A 由图可见，它在18个△t 时间中，给出了7个结果。所以吞吐率为： 如果不用流水线，由于一次求积需3△t ，一次求和需5△t ，则产生上述7个结果共需（4×5+3×3）△t =29△t 。所以加速比为： 该流水线的效率可由阴影区的面积和5个段总时空区的面积的比值求得： △t,需经9△t 才能完成一个任务,其预约表如下所示。 （1）画出流水线任务调度的状态转移图。 时间 入 A 1 B 1 A 2 B 2 A 3 B 3 A 4 B 4 A B C D A × B C ×D
上海大学 计算机系统结构复习题汇总
计算机系统结构复习题 一、单项选择题 1、直接执行微指令的是( C ) A．汇编程序B．编译程序 C．硬件D．微指令程序 2、对系统程序员不透明的应当是( D )。 A．Cache存贮器B．系列机各档不同的数据通路宽度C．指令缓冲寄存器D．虚拟存贮器 3、对机器语言程序员透明的是( B )。 A．中断字B．主存地址寄存器 C．通用寄存器D．条件码 4、计算机系统结构不包括( A )。 A．主存速度B．机器工作状态 C．信息保护D．数据 5、从计算机系统结构上讲，机器语言程序员所看到的机器属性是( C )。 A．计算机软件所要完成的功能B．计算机硬件的全部组成 C．编程要用到的硬件组织D．计算机各部件的硬件实现 6、计算机组成设计不考虑( B )。 A．专用部件设置B．功能部件的集成度 C．控制机构的组成D．缓冲技术 7、以下说法中，不正确的是( B )。 软硬件功能是等效的，提高硬件功能的比例会： A．提高解题速度B．提高硬件利用率 C．提高硬件成本D．减少所需要的存贮器用量 8、在系统结构设计中，提高软件功能实现的比例会( C )。 A．提高解题速度B．减少需要的存贮容量 C．提高系统的灵活性D．提高系统的性能价格比 9、下列说法中不正确的是( D )。 A．软件设计费用比软件重复生产费用高 B．硬件功能只需实现一次，而软件功能可能要多次重复实现 C．硬件的生产费用比软件的生产费用高 D．硬件的设计费用比软件的设计费用低 10、在计算机系统设计中，比较好的方法是( D )。 A．从上向下设计B．从下向上设计 C．从两头向中间设计D．从中间开始向上、向下设计11、"从中间开始"设计的"中间"目前多数是在( A )。 A．传统机器语言级与操作系统机器级之间 B．传统机器语言级与微程序机器级之间 C．微程序机器级与汇编语言机器级之间 D．操作系统机器级与汇编语言机器级之间 12、系列机软件应做到( B )。 A．向前兼容，并向上兼容 B．向后兼容，力争向上兼容
计算机系统结构实验报告
计算机系统结构实验报告 一．流水线中的相关 实验目的： 1. 熟练掌握WinDLX模拟器的操作和使用，熟悉DLX指令集结构及其特点； 2. 加深对计算机流水线基本概念的理解； 3. 进一步了解DLX基本流水线各段的功能以及基本操作； 4. 加深对数据相关、结构相关的理解，了解这两类相关对CPU性能的影响； 5. 了解解决数据相关的方法，掌握如何使用定向技术来减少数据相关带来的暂停。 实验平台： WinDLX模拟器 实验内容和步骤： 1.用WinDLX模拟器执行下列三个程序： 求阶乘程序fact.s 求最大公倍数程序gcm.s 求素数程序prim.s 分别以步进、连续、设置断点的方式运行程序，观察程序在流水线中的执行情况，观察 CPU中寄存器和存储器的内容。熟练掌握WinDLX的操作和使用。 2. 用WinDLX运行程序structure_d.s，通过模拟找出存在资源相关的指令对以及导致资源相 关的部件；记录由资源相关引起的暂停时钟周期数，计算暂停时钟周期数占总执行周期数的 百分比；论述资源相关对CPU性能的影响，讨论解决资源相关的方法。 3. 在不采用定向技术的情况下（去掉Configuration菜单中Enable Forwarding选项前的勾选符），用WinDLX运行程序data_d.s。记录数据相关引起的暂停时钟周期数以及程序执行的 总时钟周期数，计算暂停时钟周期数占总执行周期数的百分比。 在采用定向技术的情况下（勾选Enable Forwarding），用WinDLX再次运行程序data_d.s。重复上述3中的工作，并计算采用定向技术后性能提高的倍数。 1. 求阶乘程序 用WinDLX模拟器执行求阶乘程序fact.s。这个程序说明浮点指令的使用。该程序从标准 输入读入一个整数，求其阶乘，然后将结果输出。 该程序中调用了input.s中的输入子程序，这个子程序用于读入正整数。 实验结果： 在载入fact.s和input.s之后，不设置任何断点运行。 a.不采用重新定向技术，我们得到的结果