计算机标准体系结构课后习题原版答案张晨曦著模板.docVIP

第1章计算机系统结构基础概念

1.1解释下列术语

计算机系统结构：传统机器程序员所看到计算机属性，即概念性结构和功效特征。

计算机组成：计算机系统结构逻辑实现，包含物理机器级中数据流和控制流组成和逻辑设计等。

计算机实现：计算机组成物理实现，包含处理机、主存等部件物理结构，器件集成度和速度，模块、插件、底板划分和连接，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。

系统加速比：对系统中某部分进行改善时，改善后系统性能提升倍数。

Amdahl定律：当对一个系统中某个部件进行改善后，所能取得整个系统性能提升，受限于该部件实施时间占总实施时间百分比。

并行性：计算机系统在同一时刻或同一时间间隔内进行多个运算或操作。只要在时间上相互重合，就存在并行性。它包含同时性和并发性两种含义。

1.2试用实例说明计算机系统结构、计算机组成和计算机实现之间相互关系。

答：如在设计主存系统时，确定主存容量、编址方法、寻址范围等属于计算机系统结构。确定主存周期、逻辑上是否采取并行主存、逻辑设计等属于计算机组成。选择存放芯片类型、微组装技术、线路设计等属于计算机实现。

计算机组成是计算机系统结构逻辑实现。计算机实现是计算机组成物理实现。一个体系结构能够有多个组成。一个组成能够有多个实现。

1.4计算机系统设计中常常使用4个定量原理是什么？并说出它们含义。

答：（1）以常常性事件为关键。在计算机系统设计中，对常常发生情况，给予它优先处理权和资源使用权，以得到更多总体上改善。（2）Amdahl定律。加紧某部件实施速度所取得系统性能加速比，受限于该部件在系统中所占关键性。（3）CPU性能公式。实施一个程序所需CPU时间=IC×CPI×时钟周期时间。（4）程序局部性原理。程序在实施时所访问地址分布不是随机，而是相对地簇聚。

1.6某台主频为400MHz计算机实施标准测试程序，程序中指令类型、实施数量和平均时钟周期数以下：

指令类型

指令实施数量

平均时钟周期数

整数

45000

1

数据传送

75000

2

浮点

8000

4

分支

1500

2

求该计算机有效CPI、MIPS和程序实施时间。

解：（1）CPI＝(45000×1＋75000×2＋8000×4＋1500×2)/129500＝1.776

（2）MIPS速率＝f/CPI＝400/1.776＝225.225MIPS

（3）程序实施时间=(45000×1＋75000×2＋8000×4＋1500×2)／400=575s

1.7将计算机系统中某一功效处理速度加紧10倍，但该功效处理时间仅为整个系统运行时间40%，则采取此增强功效方法后，能使整个系统性能提升多少？

解由题可知：可改善百分比=40%=0.4部件加速比=10

依据Amdahl定律可知：

采取此增强功效方法后，能使整个系统性能提升到原来1.5625倍。

1.8计算机系统中有三个部件能够改善，这三个部件部件加速比为：

部件加速比1=30；部件加速比2=20；部件加速比3=10

假如部件1和部件2可改善百分比均为30%，那么当部件3可改善百分比为多少时，系统加速比才能够达成10？

假如三个部件可改善百分比分别为30%、30%和20%，三个部件同时改善，那么系统中不可加速部分实施时间在总实施时间中占百分比是多少？

解：（1）在多个部件可改善情况下，Amdahl定理扩展：

已知S1＝30，S2＝20，S3＝10，Sn＝10，F1＝0.3，F2＝0.3，得：

得F3＝0.36，即部件3可改善百分比为36%。

（2）设系统改善前实施时间为T，则3个部件改善前实施时间为：（0.3+0.3+0.2）T=0.8T，不可改善部分实施时间为0.2T。

已知3个部件改善后加速比分别为S1＝30，S2＝20，S3＝10，所以3个部件改善后实施时间为：

改善后整个系统实施时间为：Tn=0.045T+0.2T=0.245T

那么系统中不可改善部分实施时间在总实施时间中占百分比是：

1.9假设某应用程序中有4类操作，经过改善，各操作取得不一样性能提升。具体数据以下表所表示：

操作类型

程序中数量

（百万条指令）

改善前实施时间

（周期）

改善后实施时间

（周期）

操作1

10

2

1

操作2

30

20

15

操作3

35

10

3

操作4

15

4

1

（1）改善后，各类操作加速比分别是多少？

（2）各类操作单独改善后，程序取得加速比分别是多少？

（3）4类操作均改善后，整个程序加速比是多少？

解：依据Amdahl定律可得

操作类型

各类操作指令条数在程序中所占百分比Fi

各类操作加速比Si

各类操作单独改善后，程序取得加速比

操作1

11.1%

2

1.06

操作2

33.3%

1.33