计算机系统结构 知识点总结 华北电力大学

计算题：

1.6 某台主频为400MHz的计算机执行标准测试程序，程序中指令类型、执行数量和平均时钟周期数如下：

指令类型 整数 数据传送 浮点 分支 指令执行数量 45000 75000 8000 1500 平均时钟周期数 1 2 4 2 求该计算机的有效CPI、MIPS和程序执行时间。 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）程序执行时间= (45000×1＋75000×2＋8000×4＋1500×2)／400=575s

1.7 将计算机系统中某一功能的处理速度加快10倍，但该功能的处理时间仅为整个系统运行时间的40%，则采用此增强功能方法后，能使整个系统的性能提高多少？

解 由题可知： 可改进比例 = 40% = 0.4 部件加速比 = 10

1根据Amdahl定律可知：系统加速比??1.5625

0.4?1?0.4??10采用此增强功能方法后，能使整个系统的性能提高到原来的1.5625倍。

1.8 计算机系统中有三个部件可以改进，这三个部件的部件加速比为：

部件加速比1=30； 部件加速比2=20； 部件加速比3=10

（1） 如果部件1和部件2的可改进比例均为30%，那么当部件3的可改进比例为多少时，系统加速比才可以达到10？ （2） 如果三个部件的可改进比例分别为30%、30%和20%，三个部件同时改进，那么系统中不可加速部分的执行时间在总执行时间中占的比例是多少？

解：（1）在多个部件可改进情况下，Amdahl定理的扩展：Sn?(1?1?Fi)??FiSi

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

10?1

1（-0.3?0.3?F3）?（0.3/30?0.3/20?F3/10）得F3＝0.36，即部件3的可改进比例为36%。

（2）设系统改进前的执行时间为T，则3个部件改进前的执行时间为：（0.3+0.3+0.2）T = 0.8T，不可改进部分的执行时间为0.2T。

已知3个部件改进后的加速比分别为S1＝30，S2＝20，S3＝10，因此3个部件改进后的执行时间为：

'Tn?0.3T0.3T0.2T???0.045T 3020100.2T?0.82

0.245T改进后的执行时间 （周期） 1 15 3 1 改进后整个系统的执行时间为：Tn = 0.045T+0.2T = 0.245T

那么系统中不可改进部分的执行时间在总执行时间中占的比例是：

1.9 假设某应用程序中有4类操作，通过改进，各操作获得不同的性能提高。具体数据如下表所示：

操作类型 操作1 操作2 操作3 操作4 程序中的数量 （百万条指令） 10 30 35 15 改进前的执行时间 （周期） 2 20 10 4 （1）改进后，各类操作的加速比分别是多少？

（2）各类操作单独改进后，程序获得的加速比分别是多少？ （3）4类操作均改进后，整个程序的加速比是多少？ 解：根据Amdahl定律Sn?

操作类型 操作1 各类操作的指令条数在程序中所占的比例Fi 1.9% 各类操作的加速比Si 2 各类操作单独改进后，程序获得的加速比 1.01 1Fe(1?Fe)?Se可得

操作2 操作3 操作4 58.3% 34.0% 5.8% 1.33 3.33 4 1.17 1.31 1.04

4类操作均改进后，整个程序的加速比：Sn?1F(1??Fi)??iSi?1.77

3.12 有一指令流水线如下所示

入 1 2 3 4 出 50ns 50ns 100ns 200ns

（1） 求连续输入10条指令，该流水线的实际吞吐率和效率； （2） 该流水线的“瓶颈”在哪一段？请采取两种不同的措施消除此“瓶颈”。对于你所给出的两种新的流水线，连续输入10条

指令时，其实际吞吐率和效率各是多少？

解：（1）

T流水???ti?(n?1)?tmaxi?1m?(50?50?100?200)?9?200；TP?nT流水?1220(ns)；E?TP??2200(ns)?1??ti?1mim?TP?4005??45.45% 411（2）瓶颈在3、4段。

? 变成八级流水线（细分）

è?

150ns250ns3_150ns3_250ns4_150ns4_450ns3?T流水???ti?(n?1)?tmaxi?1m?50?8?9?50?850(ns)? 重复设置部件

段 4_4 4_3 4_2 4_1 3_2 3_1 2 211；TP?nT流水?185(ns?1)；E?TP???tii?1mm?TP?40010??58.82% 817432 768 1094-1 8 57 63-1 1 2 3-2 4-2 4-3 4-4 3 4 1 109 5 时间 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 850ns

TP?nTpipeline?185(ns?1)E?400?10850?8?10?58.82%

173.13有一个流水线由4段组成，其中每当流经第3段时，总要在该段循环一次，然后才能流到第4段。如果每段经过一次所需要的时间都是?t，问：

（1） 当在流水线的输入端连续地每?t时间输入任务时，该流水线会发生什么情况？ （2） 此流水线的最大吞吐率为多少？如果每2?t输入一个任务，连续处理10个任务时的实际吞吐率和效率是多少？ （3） 当每段时间不变时，如何提高该流水线的吞吐率？仍连续处理10个任务时，其吞吐率提高多少？ 解：（1）会发生流水线阻塞情况。 第1个任务 第2个任务 S1 S2 S1 S3 S2 S3 stall S4 S3 S3 S4 第3个任务 第4个任务 S1 stall S2 S1 stall stall S3 S2 S3 stall S4 S3 S3 S4

（2）

段 4 2 6 7 3 4 5 8 9 10 3 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10 2 5 1 2 3 4 6 7 8 9 10 时间 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 23 ? t 1TPmax?TpipelineTp?n12?t?23?tTpipeline?1023?t

?E?TP?5?t?50?54.35I2

Δt 3_1 1 2 4 3_2 段 4 3_2 3_1 2 1 111 24 34 46 56 68 78 8 9 10 Δt Δt Δt 1 1 2 3 245 3 56 5 67 5 78 7 89 7 9 9 1010 9 10Δt 23 34 时间 21014 ?t （3）重复设置部件

TP?n?10?5；吞吐率提高倍数＝7?t＝1.64

Tpipeline14??t7??t1023?t53.14 有一条静态多功能流水线由5段组成，加法用1、3、4、5段，乘法用1、2、5段，第3段的时间为2△t，其余各段的时间均为△t，而且流水线的输出可以直接返回输入端或 暂存于相应的流水寄存器中。现要在该流水线上计算 4 ，画出其时空图，并计算其吞吐率、加速比和效率。 解：（1）任务分析

?(A?B)iii?1 1 △t 加法 2△t △t △t 2 △t 3 乘法 4 5

（2）画时空图

1 1 1 2 1 2 3 2 3 4 3 4 4 5 5 6 5 6 6 7 7 7 2 3 4 18△t （3）计算流水线性能

n7?吞吐率：Tp?；加速比：SpT18?t?T串行T流水4?5?t?3?3t29??18?t18

效率： E?实际占用面积4?5?t?3?3t29??

时空区总面积5?18?t903.15 动态多功能流水线由6个功能段组成，如下图：

S1 S2 S3 加法 S4 乘法 S5 S6 其中，S1、S4、S5、S6组成乘法流水线，S1、S2、S3、S6组成加法流水线，各个功能段时间均为50ns，假设该流水线的输出结果可以直接返回输入端，而且设置有足够的缓冲寄存器，若以最快的方式用该流水计算：

（1） 画出时空图；

（2） 计算实际的吞吐率、加速比和效率。 解：机器一共要做10次乘法，4次加法。

?xyzii?15ii

3.18 在CRAY-1机器上，按照链接方式执行下述4条向量指令（括号中给出了相应功能部件的执行时间），如果向量寄存器和功能部件之间的数据传送需要1拍，试求此链接流水线的通过时间是多少拍？如果向量长度为64，则需多少拍才能得到全部结