计算机系统结构第一章作业及答案

1.2 试用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。答：如在设计主存系统时，确定主存容量、编址方式、寻址范围等属于计算机系统结构。确定主存周期、逻辑上是否采用并行主存、逻辑设计等属于计算机组成。选择存储芯片类型、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的逻辑实现。计算机实现是计算机组成的物理实现。一种体系结构可以有多种组成。一种组成可以有多种实现。

1.3 计算机系统结构的 Flynn 分类法是按什么来分类的？共分为哪几类？答：Flynn 分类法是按照指令流和数据流的多倍性进行分类。分为：（1） 单指令流单数据流 SISD（2） 单指令流多数据流 SIMD（3） 多指令流单数据流 MISD （4） 多指令流多数据流 MIMD 1,5实现软件可移植性的常用方法有哪几种？并简述其含义1,采用系列机:由同一厂家生产的具有相同的系统结构，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。2,模拟与仿真:要使软件能在具有不同系统结构的机器之间相互移植，就要求：能在一种系统结构上实现另一种系统结构。从指令集的角度来看，就是要在一种机器上实现另一种机器的指令集。

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 指令执行数量 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

1.9 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： 程序中的数量 改进前的执行时间 改进后的执行时间 操作类型 （百万条指令） （周期） （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 操作2 操作3 操作4 各类操作的指令条数在程序中所占的比例Fi 11.1% 33.3% 38.9% 16.7% 各类操作的加速比Si 2 1.33 3.33 4

各类操作单独改进后，程序获得的加速比 1.06 1.09 1.37 1.14 1Fe(1?Fe)?Se可得

4类操作均改进后，整个程序的加速比：

Sn?(1?1?Fi)??FiSi?2.16

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 302010 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：

0.2T?0.82

0.245T1.7 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 根据Amdahl定律可知：

1系统加速比??1.5625

0.4?1?0.4??10? 假设浮点数指令FP指令的比例为30%，其中浮点数平方根FPSQR占全部指令的

比例为4%，FP操作的CPI为5，FPSQR操作的CPI为20，其他指令的平均CPI为1.25。

? 利用原始CPI的唯一性，先使用已知条件求出原始CPI，再求出除去FPSQR指

令外其他指令的平均CPI，最后比较改进后的CPI大小。 ? 原始CPI = 5 × 30% + 1.25 × (1 - 30%) = 2.375 ? 设除FPSQR外其余指令的平均CPI为X

? 则 2.375 = 20 × 4% + (1 - 4%)X ，解出X = 1.640625 ? 方案1： CPI1 = 3 × 4% + 1.640625 × (1 - 4%) = 1.695 ? 方案2： CPI2 = 3 × 30% + 1.25 × (1 - 30%) = 1.775