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1、1计算机系统结构(第 2 版) 郑伟明 汤志忠 编著 清华大学出版社 习题解答21 目录1.1第一章(P33)1.7-1.9（透明性概念） ，1.12-1.18（Amdahl 定律） ，1.19、1.21、1.24（CPI/MIPS）1.2第二章(P124)2.3、2.5、2.6（浮点数性能） ，2.13、2.15（指令编码）1.3第三章(P202)3.3（存储层次性能） ，3.5（并行主存系统） ，3.15-3.15 加 1 题（堆栈模拟） ，3.19 中(3) (4)(6)(8)问（地址映象/替换算法-实存状况图）31.4第四章(P250)4.5（中断屏蔽字表/中断过程示意图） ，4.8（
2、通道流量计算/通道时间图）1.5第五章(P343)5.9（流水线性能/时空图） ，5.15（2 种调度算法）1.6第六章(P391)6.6（向量流水时间计算） ，6.10（Amdahl 定律/MFLOPS）1.7第七章(P446)7.3、7.29（互连函数计算） ，7.6-7.14（互连网性质） ，7.4、7.5、7.26（多级网寻径算 法） ，7.27（寻径/选播算法）41.8第八章(P498)8.12（SISD/SIMD 算法）1.9第九章(P562)9.18（SISD/多功能部件/SIMD/MIMD 算法）(注：每章可选 1-2 个主要知识点，每个知识点可只选 1 题。有下划线者为推荐的
3、主要知 识点。)52 例, 习题2.1第一章(P33)例 1.1,p10假设将某系统的某一部件的处理速度加快到10倍,但该部件的原处理时间仅为整个运行时间的40%，则采用加快措施后能使整个系统的性能提高多少？ 解：由题意可知：Fe=0.4, Se=10，根据 Amdahl 定律 SeFeFeTToS nn )1(156.164.01104.06.01 nS6例 1.2,p10采用哪种实现技术来求浮点数平方根 FPSQR 的操作对系统的性能影响较大。假设 FPSQR 操作占整个测试程序执行时间的 20%。一种实现方法是采用 FPSQR 硬件，使 FPSQR 操作 的速度加快到 10 倍。另一种实
4、现方法是使所有浮点数据指令的速度加快，使 FP 指令的速 度加快到 2 倍，还假设 FP 指令占整个执行时间的 50%。请比较这两种设计方案。 解：分别计算出这两种设计方案所能得到的加速比：SeFeFeTToS nn )1(1Fe FPSQR=0.20,Se FPSQR=10 Fe FP=0.50,Se FP=233. 175. 0125 . 0)5 . 01 (122. 182. 01102 . 0)2 . 01 (1 FPFPSQRSnSn7例 1.3,p11如果 FP 操作的比例为 25%，FP 操作的平均 CPI=4.0，其它指令的平均 CPI 为 1.33，FPSQR 操作的比例为
5、2%， FPSQR 的 CPI 为 20。假设有两种设计方案，分别把 FPSQR 操作的 CPI 和所有 FP 操作的 CPI 减为 2。试利用 CPU 性能公式比较这两种设计方案哪一个更好(只改 变 CPI 而时钟频率和指令条数保持不变)。 解： nii iICICPICPI1)(原系统的CPIFP=4.0, =25%ICIFPCPI2=1.33, =1-25%ICI2CPI原 nii iICICPI1)(= CPIFP + CPI2ICIFP ICI2=4.025% + 1.3375%8=2方案 1（使 FPSQR 操作的 CPI 为 2）系统 CPI=CPI原 - CPIFPSQR 原
6、+ CPIFPSQR 新ICIFPSQRICIFPSQR=CPI原 - （CPIFPSQR 原 - CPIFPSQR 新）ICIFPSQR=2-2%（20-2）=1.64方案 2（提高所有 FP 指令的处理速度, 使 FPSQR 操作的 CPI 为 2）CPI=CPI原 - CPIFP 原 + CPIFP 新ICIFP ICIFP=CPI原 - （CPIFP 原 - CPIFP 新）ICIFP=2-25% （4-2）=1.5 我们也可以根据以下公式计算出方案 2 系统（同求 CPI原）CPI= 75%1.33+25%2=1.59显然，提高所有 FP 指令处理速度的方案要比提高 FPSQR 处理
7、速度的方案要好。 方案 2 的加速比性能没有采用改进措施前的采用改进措施后的性能加速比 2方案原系统 时间时间 CPUCPU TToSnn2CPI ICCPI IC方案原系统 时钟周期时钟周期 2CPICPI方案原系统=2/1.5 =1.33例 1.4假设两台机器的指令系统中，执行条件转移指令需 2 个时钟周期，而其它指令只需 1 个时 钟周期。 CPUA:采用一条比较指令来设置相应的条件码，由紧随其后的一条转移指令对此条件码进行10测试，以确定是否进行转移。显然实现一次条件转移要执行比较和测试两条指令。条件转 移指令占总执行指令条数的 20%。由于每条转移指令都需要一条比较指令，所以比较指令
8、 也将占 20%。 CPUB采用比较功能和判别是否实现转移功能合在一条指令的方法，这样实现一条件转移就 只需一条指令就可以完成。由于 CPUB在转移指令中包含了比较功能，因此它的时钟周期就 比 CPUA要慢 25%。 现在要问，采用不同转移指令方案的 CPUA和 CPUB，那个工作速度会更快些？ 解：CPIA=0.22+0.81=1.2 TCPUA=ICA1.2tA = 1.2 ICAtACPUB转移指令占 20%80%=25%CPIB = 0.252+0.751=1.25 由于 CPUB中没有比较指令，因此ICB = 0.8ICA CPUB时钟周期就比 CPUA要慢 25%tB = 1.25
9、tATCPUB = ICBCPIBtB = 0.8 ICA1.251.25tA 11= 1.25 ICAtATCPUATCPUB 所以 CPUB比 CPUA运行得更快些。12例 1.A1计算 Pentium II 450(IPC2)处理机的运算速度。 解： 由于 PentiumII 450 处理机的 IPC2 (或 CPI0.5) Fz450MHz， MIPSPentium II 450FzIPC450 MHz2900(MIPS)例 1.A2我国最早研制的小型计算机 DJS-130，定点 16 位，加法每秒 50 万次，但没有硬件乘法和 除法指令,用软件实现乘法和除法，速度低 100 倍左右。
10、求等效速度。 解：定点等效速度为：661010 CPIMIPS时钟频率执行时间指令条数等效指令速度（）MIPS1/0.80 0.50.20 0.5/1000.02MIPS即每秒 2 万次，由于乘法和除法用软件实现，等效速度降低了 25 倍。13例 1.A3假设在程序中浮点开平方操作 FPSQR 的比例为 2，它的 CPI 为 100；其他浮点操作 FP 的 比例为 23，它的 CPI 4.0；其余 75指令的 CPI1.33，计算该处理机的等效 CPI。 如果 FPSQR 操作的 CPI 也为 4.0，重新计算等效 CPI。 解： nii iICICPICPI1)(等效 CPI10024231
11、.3375 3.92 等效 CPI24251.3375 2.001.1解释下列术语 层次结构，计算机系统结构，计算机组成，计算机实现，透明性，由上而下设计，由下而 上设计，由中间向两边设计，软件兼容，向上兼容，固件，系列机，兼容机，模拟，仿真， 虚拟机，宿主机，指令流，数据流，单指令流单数据流，多指令流多数据流，Amdahl 定 律，CPI，MIPS，MFLOPS。141.2每一级为了执行一条指令需要下一级的 N 条指令解释，若执行第一级的一条指令需 kns， 那么执行第 2 级、第 3 级、第 4 级的指令需要多少时间？ 第 1 级 1 条 1 级指令 k ns 第 2 级 1 条 2 级指
12、令 N 条 1 级指令 1Nk ns = Nk ns 第 3 级 1 条 3 级指令 N 条 2 级指令 1NNk ns = N2k ns 第 4 级 1 条 4 级指令 N 条 3 级指令 1NNNk ns = N3k ns1.4每一级指令能完成下一级的 M 条指令的工作量，且每一级指令需要下一级的 N 条指令解释， 若执行第一级的一条指令需 kns，那么执行第 2 级、第 3 级、第 4 级的等效程序需要多少 时间？ 第 1 级 1 条 1 级指令 k ns 第 2 级 等效程序为 1/M 条 2 级指令 需 N/M 条 1 级指令解释 N/Mk ns 第 3 级 等效程序为 1/M/M
13、条 3 级指令 需 NN/M/M 条 1 级指令解释 N2/M2 ns 第 4 级 等效程序为 1/M/M/M 条 4 级指令 需 NNN/M/M/M 条 1 级指令解释 N3/M3 ns1.6试以实例说明计算机系统结构、计算机组成与计算机实现之间的相互关系与相互影响。15系统结构、组成和实现是三个不同的概念，它们各自包含不同的内容，但又有紧密的关系。以存储系统为例，主存储器容量和寻址方式的确定属计算机系统结构，主存的速度应多高， 在逻辑结构上采用什么措施属计算机组成，而主存的物理实现，如存储器采用什么样器件， 逻辑电路设计和微组装技术则属计算机实现。1.7什么是透明性概念？对计算机系统结构，
14、下列哪些是透明的？哪些是不透明的？ 存贮器的模 m 交叉存取；透明（组成） 浮点数据表示；不透明（系统结构） I/O 系统是采用通道方式还是 I/O 处理机方式；不透明 数据总线宽度；透明（组成） 阵列运算部件；透明（组成） 通道是采用结合型的还是独立型的；透明（组成） PDP-11 系列中的单总线结构；不透明（系统结构） 访问方式保护；不透明（系统结构） 程序性中断；不透明（系统结构）16串行、重叠还是流水控制方式；透明（组成） 堆栈指令；存贮最小编址单位；不透明（系统结构） Cache 存贮器。透明（组成）(1)从指定角度来看，不必要了解的知识称为透明性概念。 (2)见下表， “”为透明性
15、概念。1.8从机器（汇编）语言程序员看，以下哪些是透明的？ 指令地址寄存器；指令缓冲器；时标发生器；条件码寄存器；乘法器；主存地址 寄存器；磁盘外设；先行进位链；移位器；通用寄存器；中断字寄存器。见下表， “”为透明性概念模 m 交叉，浮点数据，P4通道与 I/O 处理机，P4 总线宽度，阵列运算部件，结合型与独立型通道， 单总线，访问保护，中断， 指令控制方式，堆栈指令，最小编址单位， Cache 存储器，指令地址寄存器，指令缓冲器，时标发生器， 条件码寄存器，乘法器，主存地址寄存器， 磁盘，先行进位链，移位器， 通用寄存器 ，中断字寄存器，171.9见下表， “”表示都透明， “应”表示仅对应用程序员透明， “”表示都不透明。1.12如果某一计算任务用向量方式求解比用标量方式求解要快 20 倍，称可用向量方式求解部 分所花费时间占总的时间的百分比为可向量化百分比。请画出加速比与可向量化比例两者 关系的曲线。 解：可向量化百分比为 Fe, Se=20，根据 Amdahl 定律 SeFeFeTToS nn )1(1将 Se 代入 Amdahl 定律得数据通路宽度，虚拟存储
