• Cho một chương trình máy tính thực hiện 2 triệu lệnh (instructions) dùng CPU 400MHz. Chương trình gồm có bốn loại lệnh khác nhau. Các lệnh này có CPI và tỷ lệ theo bảng như sau: Trong bảng trên, thời gian xử lý được tính theo giây (seconds), với 100,000,000 lệnh được thực thi trong mỗi chương trình. Yêu cầu: tính MIPS cho mỗi máy tính với mỗi chương trình; tính giá trị trung bình arithmetic và harmonic và xếp hạng các máy tính dựa theo các giá trị trung bình trên. (1,0 điểm) • Các chức năng chính của máy tính là gì, nêu ngắn gọn từng chức năng
Điểm Câu số Trả lời Các chức máy tính gì, nêu ngắn gọn chức (1,0 điểm) - Máy tính có chức : + Xử lý liệu + Lưu trữ liệu + Di chuyển liệu + Điều khiển - Xử lý liệu: Dữ liệu có nhiều dạng phạm vi yêu cầu xử lý rộng - Lưu trữ liệu: + Chức lưu trữ ngắn hạn + Chức lưu trữ dài hạn - Di chuyển liệu : máy tính phải có khả di chuyển liệu giới bên + Tiến trình nhập xuất liệu (I/O) : thực di chuyển liệu cự ly ngắn máy tính thiết bị nối kết trực tiếp + Tiến trình truyền liệu: thực di chuyển liệu cự ly xa máy tính thiết bị nối kết từ xa - Điều khiển: bên hệ thống máy tính, đơn vị điều khiển có nhiệm vụ quản lý tài nguyên máy tính điều phối vận hành thành phần chức phù hợp với yêu cầu nhận từ người sử dụng Bộ nhớ cache gì, nêu đặc điểm cache, có loại nhớ cache máy tính.(1,0 điểm) - Bộ nhớ cache nhớ nhỏ hơn, nhanh hơn, lưu trữ liệu từ vị trí nhớ sử dụng thường xun để máy tính có thể truy cập lại liệu thay đọc lại liệu từ nguồn ban đầu, nhớ bán dẫn có tốc độ nhanh chúng đặt CPU nhớ nằm tăng tốc truy xuất CPU tới nhớ - Đặc điểm nhớ cache : + Nhiều lớp nhớ xử lý nhớ + Thời gian truy cập nhỏ + Nhỏ nhanh nhớ + Trung gian nhớ ghi CPU + Được sử dụng để tăng tốc độ truy cập nhớ cách đặt vào nhớ đệm liệu từ nhớ có khả sử dụng tương lai gần + Cải thiện hiệu suất lớn đạt cách sử dụng nhiều cấp nhớ đệm, với cấp (L1) gần lõi cấp bổ sung (L2, L3, v.v.) xa dần với lõi + Cache có khơng - Trong máy tính có tất loại nhớ cache L1, L2 L3 Tại truy xuất nhớ cache nhanh memory thông thường (1,0 điểm) - Truy xuất nhớ cache nhanh memory thông thường nằm gần CPU nên nhận bắt đầu xử lý lệnh liệu nhanh nhiều Địa từ ghi phải di chuyển khoảng cách ngắn để đến đệm - thường chu kỳ xung nhịp - liệu có khoảng chu kỳ để quay trở lại CPU, nhớ đệm lưu trữ lệnh mà xử lý yêu cầu tiếp theo, sau truy xuất nhanh so với chúng giữ RAM Câu số Trả lời Nêu giải thích kỹ thuật tăng tốc độ xử lý CPU (1,0 điểm) - Pipelining( Kĩ thuật ống dẫn ): Bộ xử lý di chuyển liệu hướng dẫn vào đường ống khái niệm với tất giai đoạn trình xử lý đường ống đồng thời - Dự đốn rẽ nhánh: Bộ xử lý nhìn trước mã lệnh tìm nạp từ nhớ dự đốn nhánh nhóm lệnh có khả xử lý - Thực thi siêu cấp (Superscalar execution) F : Đây khả đưa nhiều lệnh chu kỳ xung nhịp xử lý (Trên thực tế, nhiều đường ống song song sử dụng.) - Phân tích luồng liệu: Bộ xử lý phân tích cấu trúc phụ thuộc vào kết liệu để tạo lịch trình hướng dẫn tối ưu hóa - Thực thi suy đoán: Sử dụng dự đoán nhánh phân tích luồng liệu, số xử lý thực thi lệnh cách đoán trước xuất thực tế trình thực thi chương trình, giữ kết vị trí tạm thời, giữ cho cơng cụ thực thi bận rộn Theo định luật Amdahl, số lượng CPU lớn tăng tốc độ xử lý lên cao (1,0 điểm) - Vì chương trình ln có phần phải xử lý Tăng số lượng CPU làm giảm thời gian xử lý phần chạy song song, nhiên thời gian xử lý phần yêu cầu không giảm => tốc độ xử lý tăng tối đa đến mức (điểm giới hạn vị trí mà tất phần xử lý song song hoàn thành chu trình xử lý) Cho chương trình máy tính thực triệu lệnh (instructions) dùng CPU 400-MHz Chương trình gồm có bốn loại lệnh khác Các lệnh có CPI tỷ lệ theo bảng sau: Lệnh CPI Tỷ lệ (%) Toán học (Arithmetic and logic) 50 18 Load/store with cache hit 22 10 Branch Memory reference Yêu cầu: tính CPI trung bình, MIPS (1,0 điểm) - CPI trung bình = ( 0,5 ) + (2 0,18 ) + (4 0,22 ) + ( 0,1 ) = 2,54 - MIPS = = 157 So sánh hiệu suất ba máy tính A, B, C theo bảng sau: Máy tính A Máy tính B Máy tính C 20 Chương trình 1 10 Chương trình 1000 100 20 Chương trình 500 1000 50 Chương trình 100 800 100 Trong bảng trên, thời gian xử lý tính theo giây (seconds), với 100,000,000 lệnh thực thi chương trình u cầu: tính MIPS cho máy tính với chương trình; tính giá trị trung bình arithmetic harmonic xếp hạng máy tính dựa theo giá trị trung bình (1,0 điểm) - Áp dụng công thức : MIPS = = = MIPS máy tính A : MIPS máy tính B : MIPS máy tính C : MIPSA1 = = 100 ; MIPSB1 = = 10 ; MIPSC1 = = MIPSA2 = = 0,1 ; MIPSB2 = = ; MIPSC2 = = MIPSA3 = = 0,2 ; MIPSB3 = = 0,1 ; MIPSC3 = = MIPSA4 = = ; MIPSB4 = = 0,125 ; MIPSC4 = = Chương trình Máy tính A Máy tính B Máy tính C Chương trình 100 10 Chương trình 0.1 Chương trình 0.2 0.1 0.125 - Áp dụng công thức : AM mean = = Giá trị trung bình arithmetic máy A : AMA = = 25,325 Giá trị trung bình arithmetic máy B : AMB = = 2,8 Giá trị trung bình arithmetic máy C : AMC = = 3,25 Máy tính A Arithmetic Xếp hạng Máy tính B Máy tính C mean 25.325 2.8 3.25 - Áp dụng công thức : HM n 1 n n1 xi ( ) ( ) ( ) x1 xn i1 xi Harmonic máy A : HMA = = 0,25 Harmonic máy B : HMB = = 0,21 Harmonic máy C : HMC = = 2,1 Máy tính A Harmonic Xếp hạng Máy tính B mean Máy tính C 0.25 0.21 2.1 Câu số Trả lời Giải thích chu kỳ lệnh bản, giải thích ví dụ minh họa cách thực thi lệnh máy tính (có thể dùng hình 3.5) (1,0 điểm) - Thực thi chương trình lặp lại trình thực chu kì lệnh , chu kì lệnh có hai bước ( Fetch Cycle ) chu kì lấy thị ( lấy thị khoảng thời gian gọi chu kì lấy thị ) ( Execute Cycle ) chu thi( thực thi khoảng thời gian gọi chu thi ) , ta cộng hai chu kì lại thành chu kì thị Sư thực thi chương trình bị kết thúc máy bị tắt, có lỗi khơng thể phục hồi xuất hiện, hay chương trình đến thị kết thúc - ( Fetch Cycle ) Chu kì lấy thị : + Vào đầu chu kỳ lệnh, xử lý truy xuất lệnh từ nhớ + Thanh ghi đếm chương trình (PC) chứa địa lệnh truy xuất + Bộ xử lý sau lần truy xuất lệnh 7ang đếm lên truy xuất lệnh vào lần sau + Lệnh vừa truy xuất tải vào ghi lệnh + Bộ xử lý biên dịch lệnh thi hành hành động cần thiết - ( Execute Cycle ) Chu thi : + Bộ xử lý–bộ nhớ : Dữ liệu truyền từ xử lý đến nhớ ngược lại + Bộ xử lý–I/O : Dữ liệu truyền đến/đi từ thiết bị ngoại vi cách truyền thông tin xử lý module I/O + Xử lý liệu : Bộ xử lý thực số phép toán số học logic liệu + Điều khiển : Đưa lệnh rõ thứ tự thực lệnh bị thay đổi - Ví dụ minh họa cách thực thi lệnh máy tính : + Ở đoạn địa 300 , 301, 302 Instruction + Ở đoạn địa 940 , 941 Data - Gồm có ghi: PC, IR, AC(accumulator): ghi tạm - Chỉ thị cất giữ từ vị trí 0x300 nhớ - Trình bày hoạt động cộng nội dung từ nhớ địa 0x940 với nội dung địa 0x941, lưu kết địa 0x941 - Bước : ghi PC lưu 300 , lưu đoạn lệnh 1940 ( lệnh nạp nội dung từ 940 vào AC ) vào ghi IR - Bước : thực lệnh nạp nội dung 940 vào ghi AC , PC tăng lên thời điểm thực lệnh (301) - Bước : lưu lệnh 5941 ( lệnh cộng nội dung từ 941 với nội dung AC) vào ghi IR - Bước : thực lệnh cộng 0003 0002 thành 0005 lưu AC , PC tăng lên thời điểm thực lệnh (302) - Bước : lưu lệnh 2941(ghi nội dung AC vào 941 ) vào ghi IR - Bước : thực lệnh ghi 0005 từ AC vào 941 , PC tăng lên thời điểm thực lệnh (303) - Chương trình : + Nạp nội dung từ 0x940 vào AC + Cộng nội dung 0x941 với AC + Ghi nội dung AC vào 0x941 - Như có chu kỳ nạp chu thi Giải thích ngắt hình 3.7(b) 3.7(c ) (1,0 điểm) - Hình 3.7 (b) : 1, ,3 đoạn lệnh chương trình cpu ; 3,4 đoạn lệnh I/O commad Đầu tiên sau chạy đoạn lệnh gặp lệnh write nên chuyển sang đoạn lệnh (I/O command) để chạy ( lúc CPU khơng làm ) không để CPU phải đợi nên chuyển lại đoạn lệnh để tiếp tục thực thi đoạn lệnh 2a chương trình, sau đoạn lệnh 4(I/O command) hồn thành CPU bị ngắt để chuyển qua đoạn lệnh 5(Interrupt Handler) để kết thúc lệnh write sau lại chuyển đoạn lệnh 2b để tiếp tục chương trình , sau lại gặp lệnh write số nên lại chuyển sang đoạn lệnh (I/O command) để chạy ( lúc CPU khơng làm ) khơng để CPU phải đợi nên chuyển lại đoạn lệnh 3a để tiếp tục thực thi đoạn chương trình chưa xong sau đoạn lệnh 4(I/O command) hồn thành CPU bị ngắt để chuyển qua đoạn lệnh 5(Interrupt Handler) để kết thúc lệnh write số sau lại chuyển đoạn lệnh 3b vừa nảy để tiếp tục chương trình gặp lệnh write số tiếp tục lặp lại - Hình 3.7 (c) : sau chạy đoạn lệnh gặp lệnh write nên chuyển sang đoạn lệnh (I/O command) để chạy ( lúc CPU khơng làm ) khơng để CPU phải đợi nên chuyển lại đoạn lệnh để tiếp tục , sau chạy đoạn lệnh xong gặp lệnh write lúc CPU phải đợi ( chưa hoàn thành ) đoạn lệnh 4(I/O command) hồn thành chuyển qua đoạn lệnh 5(Interrupt Handler) để kết thúc lệnh write , sau thực lệnh write số 2, tiếp tục chuyển sang đoạn lệnh số (I/O command) để chạy không để CPU phải đợi nên chuyển lại đoạn lệnh để tiếp tục , sau chạy đoạn lệnh xong CPU phải đợi( chưa hồn thành ) đoạn lệnh 4(I/O command) hồn thành chuyển qua đoạn lệnh (Interrupt Handler) để kết thúc lệnh write số gặp lệnh write số tiếp tục lặp lại Trong hệ thống máy tính multicore, QPI dùng để làm gì, giải thích (1,0 điểm) - Multicore : + Việc sử dụng nhiều xử lý chip cung cấp tiềm tăng hiệu suất cho máy mà không làm tăng tốc độ đồng hồ + Tăng gấp đôi số lượng vi xử lý, tăng gấp đôi hiệu suất + Chiến lược: sử dụng hai xử lý đơn giản chip thay xử lý phức tạp + Với xử lý có nhớ cache lớn + Bộ nhớ cache lớn cần phải chia làm hai ba cấp cache chip + Làm tăng hiệu suất máy tính cách chạy nhiều ứng dụng đồng thời Khoảng cách giảm lõi chip tích hợp cho phép độ trễ truy cập tài nguyên ngắn tốc độ nhớ cache cao so sánh với việc sử dụng vi xử lý máy tính riêng biệt + Làm tăng khả hỗ trợ nội cho trình xử lý song song thực tế (trái ngược với ảo) ứng dụng phần mềm riêng lẻ nhiều ứng dụng + Khắc phục gia tăng sinh nhiệt Định luật Moore (tức là, mạch nhỏ làm tăng điện trở, tạo nhiều nhiệt hơn), làm giảm nhu cầu làm mát Việc sử dụng xử lý đa lõi giúp giảm tiêu thụ điện (ít hao phí lượng dạng nhiệt hơn), giúp tăng tuổi thọ pin + Thực đồng thời nhiều lệnh core riêng biệt Nó có độ trễ thấp, cores giao tiếp nhanh hơn, tất chúng tích hợp chip, làm tăng tốc độ tổng thể thực tính tốn song song + Làm tăng tốc độ xử lý chung hệ thống mà liệu phân thành nhiều gói nhỏ phân cho core xử lý song song lúc QPI : - QPI Kết nối đường dẫn nhanh : + Nhiều kết nối trực tiếp :Các kết nối cặp trực tiếp tới thành phần khác giúp loại bỏ việc phân xử thường thấy hệ thống truyền dẫn chia sẻ + Kiến trúc giao thức phân lớp: Các kết nối xử lý sử dụng kiến trúc giao thức phân lớp khơng đơn giản sử dụng tín hiệu điều khiển thường thấy xếp bus chia sẻ + Truyền liệu đóng gói : Dữ liệu gửi thành chuỗi gói chúa tiêu đề điều khiển (header) mã kiểm soát lỗi - Lớp vật lý QPI : + Bao gồm dây thực tế mang tín hiệu, mạch logic để hỗ trợ tính phụ trợ cần thiết trình truyền nhận 1s 0s Đơn vị truyền lớp lật lý 20 bit, gọi Phit (đơn vị vật lý) - Lớp liên kết QPI : + Chức điều khiển luồng : cần thiết để đảm bảo thực thể OPI gửi không áp đảo thực thể QPI nhận cách gửi liệu nhanh khả xử lý liệu xoá đệm để nhiều liệu đến phía nhận + Chức điều khiển lỗi: Phát khắc phục lỗi bit, tránh cho lớp cao gặp lỗi bit - Lớp định tuyến QPI : + Được sử dụng để xác định đường mà gói qua kết nối hệ thống có sẵn + Xác định phần sụn mô tả đường dẫn mà gói tin theo - Lớp giao thức QPI : + Gói (packet) đơn vị truyền + Một chức quan trọng thực lớp giao thức liên kết nhớ cache đảm bảo giá trị - nhớ giữ nhiều cache phù hợp + Một tải gói liệu điển hình khối liệu gửi đến từ nhớ cache