計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課后題

1、例題假設(shè)將某一部件的處理速度加快到10倍，該部件的原處理時間僅為整個運行時間 的40%，則采用加快措施后能使整個系統(tǒng)的性能提高多少解答由題意可知：Fe=, Se=10，根據(jù)Amdahl定律，加速比為：Sn=1/+10）=采用哪種實現(xiàn)技術(shù)來求浮點數(shù)平方根FPSQR的操作對系統(tǒng)的性能影響較大。假設(shè)例題采用哪種實現(xiàn)技術(shù)來求浮點數(shù)平方根FPSQR的操作對系統(tǒng)的性能影響較大。假設(shè)FPSQR操作占整個測試程序執(zhí)行時間的20%。一種實現(xiàn)方法是采用FPSQR硬件，使FPSQR 操作的速度加快到10倍。另一種實現(xiàn)方法是使所有浮點數(shù)據(jù)指令的速度加快，使FP指令的 速度加快到2倍，還假設(shè)FP指令占整個執(zhí)行時間的50

2、%。請比較這兩種設(shè)計方案。解答分別計算出這兩種設(shè)計方案所能得到的加速比:例題如果FP操傳的比例為25%. FF操作的平均CPI-z. 0；其它指令的平均CPI為L路FPSQR 操作的比例為% EPSQ舶CPI為20.假設(shè)有兩種設(shè)計方案，分別把FPSQR操作的CPI和 所有FP操作的CPI誠為八 試利用CPU性能公式比較這兩種設(shè)計方案哪一個更好（只改變 CPI而時鐘頻率和指令條敷保持不變）o解答一 =（4*25%）+*75%）=方案 1： CPI1=CPI 原-2%*（CPI 老 1-CPI 新 1）=%*（20-2）=方案 2： CPI2=CPI 原-25%*（CPI 老2-CPI 新2）=%

3、*（4-2）=方案2的加速比=CPU時間原/CPU時間2=IC*時鐘周期*CPI原/ IC*時鐘周期*CPI2=2/=習題假設(shè)高速緩存Cache工作速度為主存的5倍，且Cache被訪問命中的概率為90%， 則采用Cache后，能使整個存儲系統(tǒng)獲得多高的加速比Sp解答我們首先對新的存儲系統(tǒng)的性能做以下的假設(shè):在Cache不命中的情況下，對Cache 的訪問不會額外損失時間，即：首先，決定Cache是否命中所用的時間可以忽略；其次，在 從主存向Cache傳輸?shù)耐瑫r，數(shù)據(jù)也被傳輸給使用部件（不需要再從Cache中讀?。?。這樣， 新的存儲系統(tǒng)中，平均存取時間分為兩個部分：T = T x R + T x

4、 R = T x R + T x Rnew _ averagemissmisshithitmainmissCachehit其中，R表示各種情況所占的比例。根據(jù)加速比的計算公式，S = Ld _ average =Tmain1=3.57p TT x R + T x R 1 x 0.1 + 5 x 0.9new _ averagemain miss Cache hit，習題用一臺40MHz處理機執(zhí)行標準測試程序，它含的混合指 令數(shù)和相應(yīng)所需的時鐘周期數(shù)如下，指令類型指令數(shù)時鐘周期數(shù)整數(shù)運算45 0001數(shù)據(jù)傳送32 0002浮舟，15 0002控制傳送8 0002解答CPI = 】CPIiXIi/

5、Ic=45000/1C5+(32000X2) /1Cs+(15000X2) /1C5+(8000X2) /105 =MIPS = (40 X 106)/ X 106)=Te = 105/ X 106)=習題某工作站采用時鐘頻率為15MHz、處理速率為10MIPS的處理機來執(zhí)行一個已知混合 程序。假定每次存儲器存取為1周期延遲、試問：(1)此計算機的有效CPI是多少假定將處理機的時鐘提高到30MHz，但存儲器子系統(tǒng)速率不變。這樣，每次存儲器存 取需要兩個時鐘周期。如果30%指令每條只需要一次存儲存取，而另外5%每條需要兩次存 儲存取，還假定已知混合程序的指令數(shù)不變，并與原工作站兼容，試求改進后的

6、處理機性能。 解答(1)由 MIPS =時鐘頻率/ (CPIX106)，則有：CPIA =時鐘頻率/ (MIPSX106)=。(2)當時鐘頻率為15MHZ時，假設(shè)不進行存儲操作指令的CPI為x，則要進行一次存儲操 作指令的CPI為1+ x，要進行二次存儲操作指令的CPI為2+ x，因此有：=xx65% + (1+ x) x30% + (2+ x) x5%解得x =當時鐘頻率為30MHZ時，不進行存儲操作指令的CPI不變?yōu)?，要進行一次存儲操作指令的CPI為2+ x =，要進行二次存儲操作指令的CPI為4+ x =，因此平均CPI為：CPIB = x65% + x30% + x5% =所以 MIP

7、SB =時鐘頻率/ (CPIBx106) = (30 x106) / (x106)=?習題一個處理機共有10條指令，各指令在程序中出現(xiàn)的概率如下表:指令信號出現(xiàn)概率 Huffman編砝碼2/8擴展編砝碼)7擴展編砝碼13 4 5一個處理機共有10條指令，各指令在程序中出現(xiàn)的概率如下表：指令信號 出現(xiàn)概率Huffman編砝碼2/8擴展編砝碼3/7擴展編砝碼12345678910采用最優(yōu)Huffman編碼法(信息熵)計算這10條指令的操作碼最短平均長度。采用Huffman編碼法編寫這10條指令的操作碼，并計算操作碼的平均長度，計算與最 優(yōu)Huffman編碼法(信息熵)相比的操作碼信息冗余量。將得到

8、的操作碼編碼和計算的結(jié) 果填入上面的表中。采用2/8擴展編碼法編寫這10條指令的操作碼，并計算操作碼的平均長度，計算與最優(yōu) Huffman編碼法相比的操作碼信息冗余量。把得到的操作碼編碼和計算的結(jié)果填入上面的表 中。采用3/7擴展編碼法編寫這10條指令的操作碼，并計算操作碼的平均長度，計算與最優(yōu) Huffman編碼法相比的操作碼信息冗余量。把得到的操作碼編碼和計算的結(jié)果填入上面的表 中。解答采用Huffman編碼法信思崎、采用Huffman編碼法信思崎、的操作碼登吏平均長度為;指令序號出現(xiàn)的概率Huffman編用駢2/8擴展編用駢3/7擴展編碼法L0.S50000I；0.20100101L0.

9n. 10110100111000L0.；0110：10101W01Is0.081110101111Q1QIt0.05111111 |11011Ie0.0401110110111100Is0.03oiiiim1110111010.：02011111111111110操作蝸的平均長度2:993. 2操作碼的信息冗余量1.1%4.6%7.6%習題一臺模型機共有7條指令，各指令的使用頻度分別是35%、25%、20%、10%、5%、3%、2%,有8個通用數(shù)據(jù)寄存器，2個變址寄存器。(1)要求操作碼的平均長度最短，請設(shè)計操作碼的編碼，并計算所設(shè)計操作碼 的平均長度。|(2)設(shè)計8

10、位字長的寄存器一寄存器型指令3條，16位字長的寄存器一存儲器型變址尋址方 式指令4條，變址范圍不小于正、負127。請設(shè)計指令格式，并給出各字段的長度和操作碼 的編碼。解答r票匠夸乳的操作瑪長度最& 應(yīng)采耳解答r票匠夸乳的操作瑪長度最& 應(yīng)采耳H訪】函我性Huffman用杓造坷下,三明以霰噲融但趣糊折：融號出現(xiàn)瞞率期135%00725%01320%10410%1105%J11063%111102%11J：這樣、Huffhi血編瑪法得到的操作戰(zhàn)的平均長度為：1 =2x(0.35+0.25-020) 一3湖.1。一 4 *。,。5 -1.6-K).3+02+025-2.35設(shè)計8位M長的寄孕器寄存器

11、型指合如因為只有&個道用商存器，所以音存器地七葦3位操作要只有兩位設(shè)甘 悟式如=：23噪作碼OF |裹慕器-1 |目晶存器商二條拒令的案作碼分別為?？?、01. 10.設(shè)計琵.位宇長的寄存器.存俺器型斐址尋二方式指令於下：4318操作碼DF通用苛存器變址寄存器諭移地址四條指令的操作碼分別為：1。，U0K 1110. 1111習題某處理機的指令字長為16位，有雙地址指令、單地址指令和零地址指令三類，并假設(shè)每個 地址字段的長度均為6位。如果雙地址指令有15條，單地址指令和零地址指令的條數(shù)基本相同，問單地址指令和零 地址指令各有多少條并且為這三類指令分配操作碼。如果要求三類指令的比例大致為1： 9：

12、9，問雙地址指令、單地址指令和零地址指令各 有多少條并且為這三類指令分配操作碼。解答雙地址指令格式為：466操作碼地址碼1地址碼2單地址指令格式為：106操作碼地址碼零地址指令格式為：16操作碼雙地址指令15條，操作碼為：00001110；單地址指令26-1=63條，操作碼為：1111 0000001111 111110零地址指令 26=64 條，操作碼為：1111 111111 0000001111 111111 111111(2)雙地址指令14條，地址碼：00001101；單地址指令 26*2-2 = 126 條，1110 0000001110 111110，1111 0000001111

13、 111110； 零地址指令 128 條 1111 111111 0000001111 111111 111111。習題什么是存儲系統(tǒng)對于一個由兩個存儲器M1和M2構(gòu)成的存儲系統(tǒng)，假設(shè)M1的命中率為h，兩個存儲器的存儲容量分別為s1和s2,存取時間分別為t1和t2,每千 字節(jié)的成本分別為c1和c2。在什么條件下，整個存儲系統(tǒng)的每千字節(jié)平均成本會接近于c2該存儲系統(tǒng)的等效存取時間ta是多少假設(shè)兩層存儲器的速度比r=t2/t1，并令e=t1/ta為存儲系統(tǒng)的訪問效率。試以r和命中率h來表示訪問效率e。如果r=100，為使訪問效率e，要求命中率h是多少 對于中的命中率實際上很難達到，假設(shè)實際的命中率

14、只能達到?，F(xiàn)在采用一種緩沖技術(shù)來解決這個問題。當訪問M1不命中時，把包括被訪問數(shù)據(jù)在內(nèi)的一個數(shù) 據(jù)塊都從M2取到M1中，并假設(shè)被取到M1中的每個數(shù)據(jù)平均可以被重復訪問5次。請設(shè) 計緩沖深度(即每次從M2取到M1中的數(shù)據(jù)塊的大小)。解答整個存儲系的每干字節(jié)平均成本為:C 一:不難看出:當&1.敏非常小的時候，式的值約等于0*即： S時,整個存 怖器菸蛇的拿千字節(jié)二* 盤本會圭近=己饑存?zhèn)鶌Z折住等效存盡肘目弓.士：n = h X Ll -t- (1 - h) K t26)tlta10 = =:, 匕 一(1 -h)x t, h - (1 - ti)： r(4)將數(shù)值代人上式可認算得：h99.95%

15、通過緩沖的方法,我們需要將命中率從。斑提高。皿5,假設(shè)對存儲器的訪問次數(shù)為5,割塊的大小為嘰那么,不命中率減小到原來的1國列出呂式;瓦o.mr = 1 -51解這個方程得,m=16,即要達到函中的訪間效率,緩沖的深度應(yīng)該.至少是16 (個數(shù)據(jù)單位習題要求完成一個兩層存儲系統(tǒng)的容量設(shè)計。第一層M1是Cache,其容量有三種選擇：64KB、128KB和256KB，它們的命中率分別為、和；第二層M2是主存儲器，其容量為4MB。并設(shè)兩個存儲器的存取時間分別為t1和t2,每千字節(jié)的成本分別為cl和c2。如果 c1=20c2 和 t2=10t1。在t1=20ns的條件下，分別計算三種存儲系統(tǒng)的等效存取時間

16、。如果c2=美元/KB，分別計算三種存儲系統(tǒng)每千字節(jié)的平均成本。對三種存儲系統(tǒng)的設(shè)計作一個比較，并分別按平均成本和等效存取時間指出它們性能的排列次序。根據(jù)等效存取時間和平均成本的乘積，選擇最優(yōu)的設(shè)計。解答(1) t = ht1 + (1 - h)t2,(當 cache 為 64k 時，t = *20ns + *200ns = 74ns；當 cache=128k 時，t=38ns；當 cache=256k 時， t=(2)按照公式:c 1 s 1 +c 2 s 2s 1 +s 2cache=64k, c=美元/k 字節(jié)； cache=128k, c=美元/k 字節(jié);cache=256k，c=美元

17、/k 字節(jié)(3).按等效訪問時間由小到大排序，容量分別為:(4)256k，128k，64k按每字節(jié)平均價格由小到大排序，分別為：64k, 128k, 256k(5)ns.美元/k字節(jié)；ns.美元/k字節(jié)；ns.美元/k字節(jié)；選256k的cache最優(yōu)習題有16個存儲器模塊，每個模塊的容量為4M字節(jié)，字長為32位?，F(xiàn)在要用這16個存儲器模塊構(gòu)成一個主存儲器，有如下幾種組織方式：16個存儲器模塊采用高位交叉方式構(gòu)成存儲器。16個存儲器模塊構(gòu)成并行訪問存儲器。16個存儲器模塊采用高位交叉方式構(gòu)成存儲器。16個存儲器模塊構(gòu)成并行訪問存儲器。16個存儲器模塊采用低位交叉方式構(gòu)成存儲器。2路高位交叉8路低

18、位交叉構(gòu)成存儲器。4路高位交叉4路低位交叉構(gòu)成存儲器。4路并行訪問4路低位交叉構(gòu)成存儲器。方式2：方式3：方式4：方式5：方式6：寫出各種存儲器的地址格式。比較各種存儲器的優(yōu)缺點。不考慮訪問沖突，計算各種存儲器的頻帶寬度。畫出各種存儲器的邏輯示意圖。解答-主存地址格式：1-42)區(qū)號E區(qū)內(nèi)組號G組內(nèi)塊號B塊內(nèi)地址W1114Cache地址格式:組號組內(nèi)塊號塊內(nèi)地址114 主存與Cache中各個塊的映象對應(yīng)關(guān)系:J塊0B0/塊1B11組0塊0C0rL塊0B2塊1C1r塊1B31組1塊0C2塊0B4塊1C3X塊1B5塊0 B6塊1 B7Cache的塊地址流情況：B6B2B4B1B4B6B3B0B4B5B7B3,C2C3C0C1C0C2C3C1C0C1C2C3FIFO中Cache的塊命中率：3/12=25%LFU中Cache的塊命中率：4/12=%改為全相聯(lián)映象后：FIFO中塊命中率：4/12=%LFU中塊命中率：3/12=25