清华大学电子工程系：《微机原理》第二次作业参考答案

1.什么是计算机体系结构? 计算机体系结构包括两层含义 狭义的定义为计算机体系结构是程序员所看到的系统的一些属性:概念性的结构和功能上的表 现,这些属性既不同于数据流和控制的组织,也不同于逻辑设计和物理实现。这是从程序员, 特别是汇编语言程序员的角度所看到的计算机系统的属性 广义地看,计算机体系结构是连接硬件和软件的一门学科,它研究的内容不但涉及计算机硬 件,也涉及计算机软件。 2. Pentium微处理器的整数流水线是怎样工作的? Pentium微处理器包含两条整数流水线:U流水线和V流水线 Pentium微处理器整数指令的执行要经过流水线中的五个操作步骤 PF(预取):处理器从代码 cache中预取指令 Dl(译码阶段1):处理器对指令译码确定操作码和寻址信息。在这个阶段还进行指令的成对 性检查和分支预测 D2(译码阶段2):产生访问存储器的地址 EX(执行):处理器或者访问数据 cache,或者利用ALU、筒型移位器或其他功能单元计算结 果 WB(写回):利用指令运行结果更新寄存器和标志寄存器 3. Pentium微处理器的配对规则是什么 1.两条指令都是简单指令 2.没有写后读和写后写的依赖关系 3.一条指令不能同时既包含位移量又包含立即数 4.带前缀的指令只能出现在U流水线中 5.此外,条件分支转移指令和非条件分支转移指令,只有当它们作为配对中的第二条指令出 现时才可以配对 4.分支转移预测功能的意义是什么? 由于课本对 Pentium的分支预测功能介绍的比较粗略,这里多做一些解释: 要充分理解分支预测的意义,首先要了解条件转移指令对流水线效率的影响。条件转移指 令在D阶段经过的指令译码即可被处理器所发现,但是转移的方向,则要等到其前面的指令 经过wB步骤更新了标志寄存器后才能确定,所以通常情况下一旦处理器发现条件转移指令, 则停止后续指令的预取,等到条件转移指令前面的指令执行完毕,更新了标志寄存器,确定了 转移方向以后,再重新开始流水线操作,而这时流水线已经空置,等到指令再次流到执行部 件,执行部件已经停顿了好几个周期,所以条件转移指令对流水线效率的影响很大 为了改进由于条件转移指令引起的流水线停顿现象,采取分支预测是一种有效的措施 Pentium处理器采用动态分支预测策略,它根据最近执行的分支指令的历史状况来实现预 测。BTB中保持着最近所遇到的条件转移指令的信息,每当在指令流中遇到条件转移指令指 令时,就对BIB进行检查,如果该指令的信息在BTB已经存在,那么就依据它的历史信息进 行预测,并按预测的转移方向继续预取指令,如果预测正确,则可以保证流水线不会空置,如 果预测错误,那么流水线只好刷新,重新按另一个方向读取指令,这样处理器要花费3~4个周 期的延迟 在BTB中,被缓存的条件转移指令的信息包括2位的历史信息,所以有4种状态,11为最 可能发生转移,00为最不可能发生转移。新进入BTB的指令其历史信息为11,此后出现一次 未发生转移的情况,则将其减1,直到减为00,而发生一次转移,则将其加1,直到为1

1. 什么是计算机体系结构？ 计算机体系结构包括两层含义。 狭义的定义为计算机体系结构是程序员所看到的系统的一些属性：概念性的结构和功能上的表 现，这些属性既不同于数据流和控制的组织，也不同于逻辑设计和物理实现。这是从程序员， 特别是汇编语言程序员的角度所看到的计算机系统的属性。 广义地看，计算机体系结构是连接硬件和软件的一门学科，它研究的内容不但涉及计算机硬 件，也涉及计算机软件。 2. Pentium 微处理器的整数流水线是怎样工作的？ Pentium 微处理器包含两条整数流水线：U 流水线和 V 流水线。 Pentium 微处理器整数指令的执行要经过流水线中的五个操作步骤： PF(预取)：处理器从代码 cache 中预取指令 D1(译码阶段 1)：处理器对指令译码确定操作码和寻址信息。在这个阶段还进行指令的成对 性检查和分支预测 D2(译码阶段 2)：产生访问存储器的地址 EX(执行)：处理器或者访问数据 cache，或者利用 ALU、筒型移位器或其他功能单元计算结 果 WB(写回)：利用指令运行结果更新寄存器和标志寄存器 3. Pentium 微处理器的配对规则是什么 1. 两条指令都是简单指令 2. 没有写后读和写后写的依赖关系 3. 一条指令不能同时既包含位移量又包含立即数 4. 带前缀的指令只能出现在 U 流水线中 5. 此外，条件分支转移指令和非条件分支转移指令，只有当它们作为配对中的第二条指令出 现时才可以配对。 4. 分支转移预测功能的意义是什么？ 由于课本对 Pentium 的分支预测功能介绍的比较粗略，这里多做一些解释： 要充分理解分支预测的意义，首先要了解条件转移指令对流水线效率的影响。条件转移指 令在 D1 阶段经过的指令译码即可被处理器所发现，但是转移的方向，则要等到其前面的指令 经过 WB 步骤更新了标志寄存器后才能确定，所以通常情况下一旦处理器发现条件转移指令， 则停止后续指令的预取，等到条件转移指令前面的指令执行完毕，更新了标志寄存器，确定了 转移方向以后，再重新开始流水线操作，而这时流水线已经空置，等到指令再次流到执行部 件，执行部件已经停顿了好几个周期，所以条件转移指令对流水线效率的影响很大。 为了改进由于条件转移指令引起的流水线停顿现象，采取分支预测是一种有效的措施。 Pentium 处理器采用动态分支预测策略，它根据最近执行的分支指令的历史状况来实现预 测。BTB 中保持着最近所遇到的条件转移指令的信息，每当在指令流中遇到条件转移指令指 令时，就对 BTB 进行检查，如果该指令的信息在 BTB 已经存在，那么就依据它的历史信息进 行预测，并按预测的转移方向继续预取指令，如果预测正确，则可以保证流水线不会空置，如 果预测错误，那么流水线只好刷新，重新按另一个方向读取指令，这样处理器要花费 3~4 个周 期的延迟。 在 BTB 中，被缓存的条件转移指令的信息包括 2 位的历史信息，所以有 4 种状态，11 为最 可能发生转移，00 为最不可能发生转移。新进入 BTB 的指令其历史信息为 11，此后出现一次 未发生转移的情况，则将其减 1，直到减为 00，而发生一次转移，则将其加 1，直到为 11

分支预测对循环的意义最为显著,只有在进入和退出循环时才会发生预测错误,而在循环 中间过程中进行的分支预测都是正确的。据统计,采用动态分支预测策略,预测的正确率可以 达到85%95% 5.实模式下 Pentium微处理器的堆栈操作是怎样进行的,试举例说明 参考课本的第65页,需要指出的是书上图3.15中间的那个图中,栈顶所指是错误的,应该指 向3412。 6.字ABCD(H)存放地址为0A002(H)的存储器中,如何存放,是对准字还是非对准字? 0A0O3AB 0A002 CD 0A002能够被2整除,所以是对准字 7.计算下列物理地址 1000:123 物理地址为11234H 0100: ABCD 物理地址为 OBBCDH

分支预测对循环的意义最为显著，只有在进入和退出循环时才会发生预测错误，而在循环 中间过程中进行的分支预测都是正确的。据统计，采用动态分支预测策略，预测的正确率可以 达到 85%~95%。 5. 实模式下 Pentium 微处理器的堆栈操作是怎样进行的，试举例说明 参考课本的第 65 页，需要指出的是书上图 3.15 中间的那个图中，栈顶所指是错误的，应该指 向 3412。 6. 字 ABCD(H)存放地址为 0A002 (H)的存储器中，如何存放，是对准字还是非对准字？ CD AB 0A002 0A003 ~ ~ ~ ~ 0A002 能够被 2 整除，所以是对准字 7. 计算下列物理地址： 1000：1234 物理地址为 11234H 0100：ABCD 物理地址为 0BBCDH