本文關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

  更多相關(guān)文章： 計(jì)算機(jī) 系統(tǒng) 結(jié)構(gòu) 部分 習(xí)題 答案

舉例說(shuō)明計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)之間的關(guān)系。

解：

（1）如在設(shè)計(jì)主存系統(tǒng)時(shí)，確定主存容量、編制方式、尋址范圍等屬于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；

確定主存周期，邏輯上是否采用并行主存，，邏輯設(shè)計(jì)等屬于計(jì)算機(jī)組成；

選擇存儲(chǔ)器芯片類型、微組裝技術(shù)、線路設(shè)計(jì)等屬于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。

（2）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟、硬件的界面，即機(jī)器語(yǔ)言程序員所看到的傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)所具有的屬性。

計(jì)算機(jī)組成是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)包含物理機(jī)器級(jí)中的數(shù)據(jù)流和控制流的組成以及邏輯設(shè)計(jì)等。

計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)，一種體系結(jié)構(gòu)可以有多種組成，一種組成可以有多種實(shí)現(xiàn)。

2.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)“從中間開(kāi)始設(shè)計(jì)”方法中的“中間”指的是什么地方？這樣設(shè)計(jì)的好處是什么？

解：

（1）“中間”是指層次結(jié)構(gòu)中的軟硬件的交界面，目前一般是在傳統(tǒng)機(jī)器語(yǔ)言級(jí)與操作系統(tǒng)機(jī)器級(jí)之間。

（2）好處：軟件和硬件并行設(shè)計(jì)可以縮短設(shè)計(jì)周期，設(shè)計(jì)過(guò)程中可以交流協(xié)調(diào)，是一種交互式的很好的設(shè)計(jì)方法。

3.某臺(tái)主頻為400MHz的計(jì)算機(jī)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試程序，程序中指令類型、執(zhí)行數(shù)量和平均時(shí)鐘周期數(shù)如下：

求該計(jì)算機(jī)的有效CPI、MIPS和程序執(zhí)行時(shí)間。

 解：

（1）計(jì)算機(jī)的有效CPI即每條指令執(zhí)行的平均時(shí)鐘周期數(shù)CPI，而CPI = 執(zhí)行程序所需的時(shí)鐘周期數(shù)／IC（其中： IC：所執(zhí)行的指令條數(shù)；執(zhí)行程序所需的時(shí)鐘周期數(shù)=∑i=1n(CPIi×ICi)）

所以，CPI=（45000*1+75000*2+8000*4+1500*2）/（45000+75000+8000+1500）=1.776

（2）MIPS即每秒處理的百萬(wàn)級(jí)的機(jī)器語(yǔ)言指令數(shù)，MIPS=f/CPI，則MIPS=400/1.776=225.225

（3）程序執(zhí)行時(shí)間即CPU執(zhí)行時(shí)間，而CPU時(shí)間 = 執(zhí)行程序所需的時(shí)鐘周期數(shù)×時(shí)鐘周期時(shí)間，在這里執(zhí)行程序所需的時(shí)鐘周期數(shù)=∑i=1n(CPIi×ICi)，時(shí)鐘周期=1/f；

所以時(shí)間t=（45000*1+75000*2+8000*4+1500*2）*（1/400）=575ms

4.已知4個(gè)程序在3臺(tái)計(jì)算機(jī)上的執(zhí)行時(shí)間如下表所示：

程序 執(zhí)行時(shí)間（秒）

假設(shè)4個(gè)程序都執(zhí)行100 000 000條指令，計(jì)算著3臺(tái)計(jì)算機(jī)中每臺(tái)機(jī)器上每個(gè)程序的MIPS速率，分別計(jì)算它們的算術(shù)平均值、幾何平均值和調(diào)和平均值。

 解：在這里用到的公式有：

因此：

程序 MIPS速率（百萬(wàn)條指令/秒）

故：

程序 MIPS速率

5.將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中某一功能的處理速度加快20倍，但該功能的處理時(shí)間僅占整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的40%，則采用改進(jìn)方法后，能使整個(gè)系統(tǒng)的性能提高多少？

 解：

可改進(jìn)比為40%=0.4，部件加速比為：20

因此，由Amdahl定律（系統(tǒng)加速比Sn=T0/Tn=1/((1-Fe)+Fe/Se)，其中：Fe為可改進(jìn)比例，Se為部件加速比）知：

Sn=1/((1-0.4)+0.4/20)=1.6129

6.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有3個(gè)部件可以改進(jìn)，這3個(gè)部件的加速比如下：部件加速比S1=30；部件加速比S2=20；部件加速比S3=10。
（1）如果部件1和部件2的可改進(jìn)比例都為30%，那么當(dāng)部件3的可改進(jìn)比例為多少時(shí)，系統(tǒng)的加速比才可以達(dá)到10%？
（2）如果3個(gè)部件的可改進(jìn)比例分別為30%、30%、20%，3個(gè)部件同時(shí)改進(jìn)，那么系統(tǒng)中不可改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間在總執(zhí)行時(shí)間中占的比例是多少？

 解：

（1）由多部件可改進(jìn)情況下，Amdahl定律的擴(kuò)展：Sn=1/((1-∑Fi)+∑(Fi/Si))

知：10=1/((1-0.3-0.3-F3)+(0.3/30+0.3/20+F3/10))得到：F3=0.36

故第三部件可改進(jìn)比為36%。

（2）設(shè)系統(tǒng)改進(jìn)前執(zhí)行時(shí)間為T，則3個(gè)不僅的執(zhí)行時(shí)間是(0.3+0.3+0.2)T=0.8T，則不改進(jìn)部分執(zhí)行時(shí)間為0.2T。

已知3個(gè)部件改進(jìn)后的速度比分別為：30、20、10，因此3個(gè)部件改進(jìn)后的執(zhí)行時(shí)間為：T'=0.3T/30+0.3T/20+0.2T/10=0.045T

則改進(jìn)后整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行時(shí)間為Tn=0.045T+0.2T=0.245T。

則系統(tǒng)不可改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間占總執(zhí)行時(shí)間的比例為：0.2T/0.245T=82%,即占到82%。

7.假設(shè)浮點(diǎn)數(shù)指令FP指令的比例為30%，其中浮點(diǎn)數(shù)平方根FPSQR占全部指令的比例為4%，F(xiàn)P操作的CPI為5，F(xiàn)PSQR操作的CPI為20，其他指令的平均CPI為1.25.現(xiàn)有兩種改進(jìn)方案，第
一種是把FPSQR操作的CPI減至3，第二種是把所有的FP操作的CPI減至3，試比較兩種方案對(duì)系統(tǒng)性能的提高程度。

 解：

改進(jìn)之前，系統(tǒng)指令平均始終周期CPI為CPI=∑(CPIi*(Ii/IC))=(5*30%)+(1.25*70%)=2.375.

如果采用A方案：FPSQR操作的CPI減至3，則整個(gè)系統(tǒng)的平均時(shí)鐘周期數(shù)為：

CPIA=CPI-(CPIFPSQR-CPI'FPSQR)*4%=2.375-(20-3)*4%=1.695

如果采用B方案：把所有的FP操作的CPI減至3，則整個(gè)系統(tǒng)的平均時(shí)鐘周期數(shù)為：

 CPIB=CPI-(CPIFP-CPI'FP)*4%=2.375-(5-3)*30%=1.775

從降低整個(gè)系統(tǒng)的指令平均時(shí)鐘周期數(shù)的程度來(lái)看，方案A要優(yōu)于B。

另外，分別計(jì)算兩種方案的加速比：（SA=改進(jìn)秦CPU的執(zhí)行時(shí)間/A的CPU執(zhí)行時(shí)間=(IC*時(shí)鐘周期*CPI)/(IC*時(shí)鐘周期*CPIA)=CPI/CPIA）

SA=2.375/1.695=1.4

SB=2.375/1.775=1.34

由此也可知，方案A優(yōu)于方案B。