清华大学1999年考研专业课试卷计算机体系结构和组成原理

一．（10分）

有三个Cache存储器，每个由4个Block组成，每个Block只有一个字，第一个Cache存储器采用全相连映象，第二个Cache存储器采用2-way组相连映象，第三个Cache存储器采用直接相连映象。下面是程序执行过程中的Block地址流。
0，8，0，6，8
请计算三种结构的缺失次数各为多少？

二．（10分）

假设我们有一个需要运行100秒的标准程序，其中有90秒是CPU时间而剩下的是I/O占用的时间。如果在以后的5年中，CPU速度每年可以提高50%且I/O时间保持不变，那么5年后我们的程序要耗费多少时间。

三．（10分）

某台计算机只有Load/Store指令能对存储器进行读/写操作，其他指令只对寄存器进行操作。根据程序跟踪实验结果，已知每种指令所占的比例及CPI数如下：
表1
指令类型指令所占比例CPI
算逻指令43%1
Load指令21%2
Store指令12%2
转移指令24%2
求上述情况下的平均CPI。

假设程序由M条指令组成。算逻运算中25%的指令的两个操作数中的一个已在寄存器中，另一个必须在算逻指令执行前用Load指令从存储器中取到寄存器中。因此有人建议增加另一种算逻指令，其特点是一个操作数取字寄存器，另一个操作数取自存储器，即寄存器——存储器类型，假枵庵种噶畹腃PI等于2。同时，转移指令的CPI变为3。求新指令系统的平均CPI。

四．（10分）

假定我们有一台计算机，如果所有的cache访问都命中的话，它的CPI是2.0。唯一的数据访问指令是store和load，它们占指令总数的40%，不命中损失是25个时钟周期，不命中率是2%。如果所有的指令访问cache都命中的话，那么机器的速度是存在cache不命中的多少倍？

五（10分）

假定在1000次内存访问中，在第一级Cache中有40次缺失，在第二级Cache中有20次缺失。两种缺失率分别为多少？

六．(10分)

运行Solaris 2.3系统的两台SPARC 10计算机可由两种不同的互连网络连接起来，通过TCP/IP通信。它们的测试结果如下(表2)：
表2
以太网ATM
Bandwidth from node to network 1.125MB/S10MB/S
Interconnect latency15us50us
HW ltency to/from network6us6us
SW overhead sending to network200us207us
SW overhead receiving from network251us360us
从一个接点传送一个250字节的信息包到另一个接点的总时延各为多少？

七．（15分）

一动态多功能流水线由6个功能段组成，如下图(图4)：
图4

其中：S1、S4、S5、S6组成乘法流水线，S1、S2、S3、S6组成加法流水线，每个功能段时间均为50ns。假定该流水线的输出结果可以直接返回流水线输入端，而且设置有足够的缓冲寄存器。若按照最快的方式用该流水线计算。

① 请画出其处理过程的时空图。

② 计算其实际吞吐率，加速比和效率。

八．（10分）

假定我们正在考虑两种条件转移指令的设计方法，这两种方法如下：
CPU A：先通过一条比较指令设置条件码A，再用一条分支指令检测条件码。
CPU B：比较操作包含在分支指令中。
在两种CPU中，条件转移指令都需要两个时钟周期，所有其它指令都需要一个时钟周期。在CPU
A中，全部指令的20%是条件转移指令，因为每次条件转移都需要一次比较，所以比较指令约占所有指令的20%，因为CPU
A不需要在转移中包含分支，所以它的时钟频率是CPU B的1.25倍。哪一种CPU更快？如果CPU A的时钟频率只是CPU
B的1.1倍，结果又是多少？

九．（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1MB，缓存容量为32KB，采用组相联方式进行地址映象与变换，主存与缓存的每一块为64B，缓存共分8组。

（1）
写出主存与缓存的地址格式。（地址码长度及各字段名称与位数）。（5分）

（2）
假定Cache的存取周期为20ns，命中率为0.95，希望采用Cache后的加速比大于10，那么要求主存储器的存取速度应大于多少？（10分)