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- 计算机系统结构
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- 试题
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create time: 2026-06-15 10:00
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# 试题 1 — 武汉科技大学《计算机系统结构》A卷
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## 概述
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- **课程**：计算机系统结构
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- **学校**：武汉科技大学
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- **题型**：选择题, 分析与设计题, 论述题
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- **知识点**：Cache, 流水线, RISC, Amdahl定律, 总线, 存储层次, 指令系统, Flynn分类
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> [!tip] 学习建议
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> 本套试题重点考察 Cache 优化、流水线调度和 Amdahl 定律的应用。建议先掌握选择题中的基础概念（Flynn 分类、RISC 原则），再深入分析题中的 Cache 命中率计算与流水线时空图绘制。论述题侧重理论阐述，需理解存储一致性协议和 Cache 优化的系统性分类。
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## 正文
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### 一、选择题（每题 2 分，共 20 分）
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1. 流水线计算机中，把指令 Cache 和数据 Cache 分开，主要是为了（ ）。
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A. 提高存储系统的速度
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B. 增加存储系统的容量
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C. 解决访存部件冲突
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D. 解决访存冲突
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> [!abstract]- 答案
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> **D**
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> [!note] 知识点补充
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> 指令 Cache 和数据 Cache 分离的核心目的是避免**结构冲突**——当 CPU 同一周期需要同时读取指令和数据时，统一 Cache 只能串行服务，分离后可并行访问。
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2. 计算机系统中，某个功能的处理时间占整个系统运行时间的 30%，如果将该功能部件的处理速度提升至原来的 15 倍，改进后整个系统的加速比是（ ）。
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A. 1/0.72
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B. 0.72
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C. 1/0.45
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D. 0.45
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> [!abstract]- 答案
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> **A**
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> Amdahl 定律：$S = \frac{1}{(1-f) + \frac{f}{n}} = \frac{1}{0.7 + 0.3/15} = \frac{1}{0.72}$，即 $S = 1/0.72$。
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> [!note] 知识点补充
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> 这是经典的 **Amdahl 定律**：$S = \frac{1}{(1-f) + \frac{f}{n}}$，其中 $f=0.3$，$n=15$，代入得 $S = \frac{1}{0.7 + 0.3/15} = \frac{1}{0.72}$。注意此题 $f \times n = 0.3 \times 15 = 4.5$，即使无限提升该部件速度（$n \to \infty$），加速比上限仅为 $\frac{1}{1-f} = \frac{1}{0.7} \approx 1.43$，体现了瓶颈效应。
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3. 某计算机的主频为 600MHz，执行 2000 条指令的测试程序，每条指令的平均时钟周期数为 4，则该计算机的 MIPS 为（ ）百万条/秒。
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A. 15
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B. 150
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C. 3000
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D. 300000
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> [!abstract]- 答案
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> **B**
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>
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> $MIPS = \frac{f}{CPI \times 10^6} = \frac{600 \times 10^6}{4 \times 10^6} = 150$
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> [!note] 知识点补充
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> $MIPS = \frac{f}{CPI \times 10^6} = \frac{600 \times 10^6}{4 \times 10^6} = 150$。MIPS 是衡量处理器运算速度的常用指标。
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4. Flymn 分类法是按照指令流和数据流的多倍性进行分类的，其中（ ）只是人为的划分，并没有实际的计算机。
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A. SISD
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B. SIMD
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C. MISD
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D. MIMD
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> [!abstract]- 答案
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> **C**
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> [!note] 知识点补充
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> **MISD**（多指令流单数据流）在实际中几乎不存在——同一个数据同时被多条不同指令处理的场景在冯·诺依曼架构下没有实际意义，故为理论分类。
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5. 以下各项中，（ ）不是设计 RISC 机器应当遵循的原则。
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A. 指令数少，指令功能简单
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B. 采用寄存器到寄存器的寻址方式
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C. 指令格式力求统一，寻址方式尽可能少
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D. 采用 load-store 结构，只有 load 和 store 指令才能访问存储器
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> [!abstract]- 答案
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> **C**
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> [!note] 知识点补充
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> RISC 的核心原则包括：指令精简、寻址方式简单、load-store 架构、指令格式统一等。B 选项"采用寄存器到寄存器的寻址方式"表述不够准确，RISC 的 ALU 操作在寄存器间进行，但 load/store 仍需访问内存，所以 B 不是 RISC 的典型原则描述。
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6. 流水线计算机的实际 CPU 时间等于理想流水线的 CPU 加上各种停顿的时钟周期数，其中各种停顿周期数大致不包括（ ）。
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A. 由结构冲突引起的停顿
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B. 由 Cache 不命中中引起的停顿
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C. 由数据冲突引起的停顿
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D. 由控制冲突引起的停顿
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> [!abstract]- 答案
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> **B**
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> [!note] 知识点补充
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> 流水线停顿主要来自三类冲突：**结构冲突**、**数据冲突**、**控制冲突**。Cache 不命中引起的停顿属于存储访问延迟，通常归入结构冲突或单独讨论，但不作为流水线冲突的标准分类。
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7. Amdahl 定律告诉我们，计算机系统的性能受限于（ ）。
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A. 系统中最慢的部分
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B. 主存储器的速度
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C. 系统的响应时间
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D. 外部存储器的速度
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> [!abstract]- 答案
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> **A**
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> [!note] 知识点补充
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> **Amdahl 定律**的核心思想：系统整体性能受限于最慢的部件（瓶颈）。改进非瓶颈部件对整体性能提升有限。
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8. 分离事务总线的基本思想是：将总线事务分成请求和响应两部分，在请求和响应之间的空闲时间空间内，总线可以供给其他 I/O 使用，下面的选项中，（ ）不是分离事务总线的另一种名称。
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A. 流水总线
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B. 分离协议总线
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C. 交叉互连总线
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D. 独占总线
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> [!abstract]- 答案
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> **D**
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> [!note] 知识点补充
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> 分离事务总线通过将事务分成请求和响应阶段，在空闲时间允许其他设备使用总线，提高总线利用率。**交叉互连总线**是一种不同的总线拓扑结构，不属于分离事务总线的别称。
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9. 计算/通信比是反映并行程序性能的一个重要指标。通常情况下，计算/通信比值随着处理的数据规模的增加而（ ），随着处理器数目的增加而（ ）。
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A. 减少，增加
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B. 减少，减少
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C. 增加，减少
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D. 增加，增加
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> [!abstract]- 答案
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> **C**
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> [!note] 知识点补充
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> 随数据规模增加，计算量增长快于通信量（如 $O(n^2)$ vs $O(n)$），比值增大；随处理器增多，每个处理器分到的数据减少，但通信开销相对增加，比值减小。
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10. 在计算机层次结构的各个级上都有自己固有的系统结构，计算机系统结构的经典定义是：Amdahl 提出的，它是（ ）所见到的计算机属性。
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A. 应用语言程序员
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B. 高级语言程序员
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C. 机器语言程序员
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D. 汇编语言程序员
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> [!abstract]- 答案
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> **C**
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> [!note] 知识点补充
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> Amdahl 定义的计算机系统结构是**机器语言程序员**所见到的计算机属性，即指令集架构（ISA）层面。这是系统结构的核心定义。
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### 二、分析与设计题（共 56 分）
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1.（16分）假设计算机系统指令字长固定为 12 位，每个地址字段都是 3 位，试提出一种指令设计方案，使该指令系统具有 4 条三地址指令，八条二地址指令和 190 条单地址指令，要求针对这三种指令，分别画出各自的指令格式，并说明操作码字段和地址码字段的分配，并给出各段的组合编码。
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> [!abstract]- 答案
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> 采用**扩展操作码**技术：
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> **三地址指令**（操作码 3 位 + 地址×3 = 12位）：操作码 000~011（4条）。
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>
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> **二地址指令**（操作码 6 位 + 地址×2 = 12位）：操作码高3位 100，低3位 000~111（8条）。
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>
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> **单地址指令**（操作码 9 位 + 地址 = 12位）：利用 101~111 共 7 组高位编码，低 6 位扩展，$3 \times 2^3 \times 8 + ... = 190$ 条。
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> [!note] 解题思路
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> 采用**扩展操作码**技术：操作码字段位数不固定，通过高位码区分不同类型的指令。三地址指令用最少操作码位，二地址和单地址指令逐步扩展操作码位数。
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>
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> **三地址指令格式**（操作码 3 位 + 地址1 3位 + 地址2 3位 + 地址3 3位 = 12位）：
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>
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> | 操作码(3位) | 地址1(3位) | 地址2(3位) | 地址3(3位) |
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> |:-----------:|:----------:|:----------:|:----------:|
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> | 0~2 | 3~5 | 6~8 | 9~11 |
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>
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> **二地址指令格式**（操作码 6 位 + 地址1 3位 + 地址2 3位 = 12位）：
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>
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> | 操作码(6位) | 地址1(3位) | 地址2(3位) |
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> |:-----------:|:----------:|:----------:|
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> | 0~5 | 6~8 | 9~11 |
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>
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> **单地址指令格式**（操作码 9 位 + 地址1 3位 = 12位）：
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>
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> | 操作码(9位) | 地址1(3位) |
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> |:-----------:|:----------:|
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> | 0~8 | 9~11 |
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2.（24分）有一个 4 段线性流水线，各段执行时间均为 $\Delta t$，其预约表如下所示：
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| 时间 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
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|:----:|:-:|:-:|:-:|:-:|:-:|:-:|:-:|
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| $S_1$ | $\checkmark$ | | | | $\checkmark$ | | |
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| $S_2$ | | $\checkmark$ | | | | $\checkmark$ | |
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| $S_3$ | | | $\checkmark$ | | | | $\checkmark$ |
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| $S_4$ | | | | $\checkmark$ | | | |
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（1）画出流水线任务调度的状态转移图（10 分）
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（2）求流水线的最优调度策略（4 分）
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（3）按最优调度策略连续输入 4 个任务，画出完成这 4 个任务的流水线时空图，并计算流水线的实际吞吐率。
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> [!abstract]- 答案
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> **（1）** 禁止表 $F=\{1, 3, 4, 6\}$，初始冲突向量 $C_0 = \langle 101101 \rangle$。$j=2$ 时新向量为 $C_1 = 101111$；$j=5$ 时新向量为 $C_0$。状态转移图：$C_0 \xrightarrow{j=2} C_1$，$C_1 \xrightarrow{j=2} C_1$，$C_0 \xrightarrow{j=5} C_0$，$C_1 \xrightarrow{j=5} C_0$。
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>
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> **（2）** 最优调度策略为 **(2, 5)**，平均延迟 **3.5 拍**。
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>
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> **（3）** 连续 4 个任务用时 $= 7\Delta t + (2+5)\Delta t = 16\Delta t$，吞吐率 $TP = \frac{4}{16\Delta t} = \frac{1}{4\Delta t}$。
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> [!note] 解题思路
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>
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> **（1）状态转移图**
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>
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> 由预约表可写出禁止表 $F=\{1, 3, 4, 6\}$；初始冲突向量 $C_0 = \langle 101101 \rangle$。
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>
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> 即一个任务进入流水线之后，间隔 1、3、4、6 个时钟周期（$\Delta t$）不可以进入下一个任务。可取 $j$ 的值只能是 2 和 5。
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>
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> - $j=2$，新的冲突向量 $= SHR^{(2)}(C_0) \lor C_0 = 001011 \lor 101101 = 101111$，记为 $C_1$；
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> - $j=5$，新的冲突向量 $= SHR^{(5)}(C_0) \lor C_0 = 000001 \lor 101101 = 101101 = C_0$。
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>
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> 进一步，在状态 $C_1$ 下，$j$ 可取 2 和 5。新的冲突向量 $= SHR^{(2)}(C_1) \lor C_0 = 001011 \lor 101101 = 101111 = C_1$。
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>
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> 状态转移图：
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>
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> ```mermaid
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> stateDiagram-v2
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> direction LR
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> [*] --> C0
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> C0 --> C1: "j=2"
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> C0 --> C0: "j=5"
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> C1 --> C1: "j=2"
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> C1 --> C0: "j=5"
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> ```
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>
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> **（2）最优调度策略**
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>
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> | 调度策略 | 平均延迟拍数 |
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> |:--------:|:----------:|
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> | (5) | 5 |
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> | (2, 5) | 3.5 |
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> | (2, 7) | 4.5 |
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>
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> 最优调度策略是 (2, 5)，平均延迟 3.5 拍。
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>
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> **（3）时空图与吞吐率**
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||
>
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> | 时间 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 |
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> |:----:|:-:|:-:|:-:|:-:|:-:|:-:|:-:|:-:|:-:|:--:|:--:|:--:|:--:|:--:|:--:|:--:|
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> | $S_1$ | $X_1$ | | | | $X_2$ | | | | $X_3$ | | | | $X_4$ | | | |
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> | $S_2$ | | $X_1$ | | | | $X_2$ | | | | $X_3$ | | | | $X_4$ | | |
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> | $S_3$ | | | $X_1$ | | | | $X_2$ | | | | $X_3$ | | | | $X_4$ |
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> | $S_4$ | | | | $X_1$ | | | | $X_2$ | | | | $X_3$ | | | | $X_4$ |
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3.（16分）在给一个计算机系统设计 Cache 方案时，有两个备选方案：一个方案是指令 Cache 和数据 Cache 分离，容量各为 16KB；另一个是采用混合 Cache，容量为 32KB。
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（1）假定取指令对 Cache 的访问命中率为 78%，对数据 Cache 访问命中率为 22%；
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（2）Cache 的命中时间为 1 个时钟周期，不命中开销为 40 个时钟周期。在混合 Cache 中一次 load 或 store 操作 Cache 的命中时间都要增加 1 个时钟周期；
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（3）若采用分离 Cache，16KB 的指令 Cache 的不命中率为 1%，16KB 的数据 Cache 的不命中率为 5%；若采用 32KB 的混合 Cache，其不命中率为 1.5%。
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试问指令 Cache 和数据 Cache 总容量为 16KB 的分离 Cache 和总容量为 32KB 的混合 Cache 相比，哪种 Cache 的总体性能更好？写出计算平均访问时间的公式，计算两种情况下的平均访问时间各是多少？并详细说明你的分析过程。
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> [!abstract]- 答案
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> **混合 Cache** 不命中率 1.5%，但 load/store 命中时间 +1 周期：
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> - 平均访存时间 $= 78\% \times (1+1.5\% \times 40) + 22\% \times (2+1.5\% \times 40) = 1.782$ 周期
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>
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> **分离 Cache** 指令不命中率 1%、数据 5%：
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> - 平均访存时间 $= 78\% \times (1+1\% \times 40) + 22\% \times (1+5\% \times 40) = 1.752$ 周期
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>
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> **结论**：选择**分离 Cache**，虽然混合 Cache 不命中率更低，但额外的命中时间开销使其整体更慢。
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> [!note] 解题思路
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> **（1）总体不命中率**
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> 混合 Cache：1.5%；分离 Cache：$78\% \times 1\% + 22\% \times 5\% = 1.88\%$
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> **（2）平均访存时间 = 命中时间 + 不命中率×不命中开销**
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> **① 混合 Cache**：指令命中时间 1 周期，数据命中时间 2 周期（load/store +1）
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>
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> 平均访存时间 $= 78\% \times (1 + 1.5\% \times 40) + 22\% \times (2 + 1.5\% \times 40) = 1.782$ 周期
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>
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> **② 分离 Cache**：命中时间均为 1 周期
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>
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||
> 平均访存时间 $= 78\% \times (1 + 1\% \times 40) + 22\% \times (1 + 5\% \times 40) = 1.752$ 周期
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### 三、论述题（共 24 分）
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1.（10分）对于多处理器的存储器系统一致性问题，一般我们认为：如果对某个数据项的任何处理器都能得到最新的值，则称该存储系统是一致的。针对此定义，从处理器对存储单元 X 进行读/写的角度，具体分析一下存储器应该满足什么条件，才能保证该存储器是一致的。
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> [!abstract]- 答案
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> 存储一致性需满足三个条件：
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> （1）处理器 P 写 X 后又读 X，若期间无其他处理器写 X，则 P 读到的是自己写入的值。
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> （2）处理器 P 写 X 后，处理器 Q 读 X，若期间无其他写操作，则 Q 读到的是 P 写入的值。
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> （3）对 X 的两次写之间若无其他处理器写 X，则最后写入的值保留（写顺序对所有处理器可见）。
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> [!note] 参考答案要点
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> 如果一个存储器满足以下三点，则称该存储器是一致的：
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> （1）处理器 P 在对存储单元 X 进行一次写之后又对 X 进行读，并且在这个读和写之间没有其他处理器对 X 进行写，则 P 读到的值应该是该写操作的值。
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>
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> （2）处理器 P 对存储单元 X 进行写之后，另一个处理器 Q 对 X 进行读，且在这个读和这个写之间没有其他对 X 写，则 Q 读到的值应该是 P 写进去的值。
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>
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> （3）对同一存储单元 X 的两次写是进行的，但在这两个写之间没有其他处理器对 X 写，则最后写入的值应该留在 X 中。例如，对同一地址先写 1、后写 2，则任何处理器都会先读到 1、后读到 2。
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2.（14分）Cache 的优化技术一共有 17 种，其中：
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- 8 种着重于降低不命中开销，增加 Cache 块大小，增加 Cache 的容量，提高相联度，伪相联 Cache，硬件预取，编译器控制的预取，编译优化，" Victim " Cache
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- 5 种着重于减少不命中开销，采用非阻塞 Cache，让不命中先完成写存，写缓冲合并，请求字处理技术，非阻塞 Cache 技术
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- 4 种着重于减少命中时间，容量小，结构简单的 Cache，虚拟 Cache，Cache 访问流水化，路预测
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——任选 3 种简述其基本思想及其对 Cache 性能的影响情况（略）
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> [!abstract]- 答案
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> 17 种 Cache 优化技术分三类：**降低不命中率**（8种：增大块/容量、提高相联度、伪相联、预取、编译优化、Victim Cache）；**减少不命中开销**（5种：非阻塞、写合并、请求字）；**减少命中时间**（4种：小容量简单 Cache、虚拟 Cache、流水化、路预测）。
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> [!note] 解题思路
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> 此题要求从 17 种 Cache 优化技术中任选 3 种，分别阐述基本思想和性能影响。常见选择包括：
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> - **增加 Cache 块大小**：利用空间局部性，减少强制性不命中，但块过大会增加不命中开销
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> - **提高相联度**：降低冲突不命中率，但增加命中时间
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> - **非阻塞 Cache**：允许不命中时继续服务后续请求，提高流水线效率
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> - **硬件预取**：提前将可能需要的数据调入 Cache，减少等待时间
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> - **容量小、结构简单的 Cache**：缩短命中时间，适用于第一级 Cache
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3.（10分）简述计算机系统结构的四个定量原理。
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> [!abstract]- 答案
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> （1）**以经常性事件为重点**：对经常发生的情况赋予优先处理权，获得更大总体改善。
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> （2）**Amdahl 定律**：系统加速比受限于瓶颈部件的改进潜力。
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> （3）**CPU 性能公式**：$CPU时间 = IC \times CPI \times 时钟周期$。
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>
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> （4）**程序局部性原理**：程序访问在时间和空间上具有聚集性。
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> [!note] 知识点补充
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> 四个定量原理是计算机系统设计的基石。Amdahl 定律决定了优化的方向（聚焦瓶颈），CPU 性能公式提供了分析框架，局部性原理指导了 Cache 和存储层次的设计。
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## 关联笔记
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- [[计算机系统结构/复习文档/index|复习文档索引]]
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||
- [[计算机系统结构/课程笔记]]
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