计算机系统结构——课后答案

习题五
1、解释下列术语：
超长指令字机： （VLIW：Very Long Instruction Word）以一条长指令（或一组指 令形式） 来实现每个时钟周期发动多个操作的并行执行， 以减少对存储器的访问。 超标量机：借助对硬件资源重复设置来实现空间的并行操作。 超级流水机：通过提高流水线的运行速度来增强机器的性能，加深流水深度。
方面加以比较。 答：向量的加工方法有三种：(1)横向加工(2)垂直加工(3)纵横向加工或称为 分组加工。 横向加工用到一个暂存单元，出现 N 次相关和 2N 次功能转换。 垂直加工一次相关一次切换，但要一个中间暂存向量。 横向加工各组有一次数据相关，2 次切换，n 个中间向量寄存器单元。
5、
6、某模型机有
8 条指令，使用频率分别为：
0.3、0.3、0.2、0.1、0.05、0.02、0.02、0.01 试分别用霍夫曼编码和扩展码对其操作码进行编码，限定扩展编 码只有两种长度， 则它们的平均编码长度各比定长操作码的平均编码 长度减少多少？ 答：编码如下表：
指令 1 2 3 4 5 6 7 8 平均指令长度 频率 0.3 0.3 0.2 0.1 0.05 0.02 0.02 0.01 霍夫曼编码 00 01 10 110 1110 11110 111110 111111 2.38 霍夫曼扩展编码 00 01 10 11000 11001 11010 11011 11100 2.6 定长编码 000 001 010 011 100 101 110 111 3
T tm ，其中 tm=5tc，代入公式， = T ' tc × 90% + (tm + tc) × 10%
得到加速比 S=3.33。 11、Flynn 分类法的依据是什么，它与按“并行级”和“流水级”的分类方法有 什么不同？ 答：Flynn 分类法的依据是指令流和数据流多倍性概念进行分类的。而“并行级” 和“流水级”的分类方法是根据子系统的并行程度及流水线处理程度进行分类的 方法。
4、 9、将下列的 IEEE754 单精度数由二进制数转换成十进制数。
(1)1 1000 0011 1100 0000 0000 0000 0000 000 十进制数为： -7； (2)0 0111 1110 1010 0000 0000 0000 0000 000 十进制数为：0.8125 (3)0 1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 000 十进制数为：1
2、 3、假设一条指令的解释分为取指、分析和执行 3 个阶段，每个阶段所需的时间
为 t 取指、t 分析、和 t 执行。 写出用下列几种方式执行 100 条指令所需的时间通式： （1）写出用下列几种方式执行 100 条指令所需的时间通式： �顺序执行。 T=100（t 取指+t 分析+t 执行） �仅“执行 k” 、与“取指 k+1”重叠。
k =1
（2）当 t 取指=t 分析=2，t 执行=3 以及 t 取指=t 执行=4，t 分析=2 时，用上述通式计算所需 的时间。 答： （1） � T=100*7=700 � T=2+100*3+99*3=599 � T=2+3+2+3+98*3=304 （2） � T=10*100=1000 � T=4+2*100+99*4=600 � T=4+4+4+4+98*4=408
习题二
1、解释下列术语 CPI MIPS MFLOPS 基准测试程序 性能算术平均值 性能几何平均值
2、衡量计算机性能的主要标准是什么？为什么它是最可靠的衡量标准？
答：衡量计算机系统性能可采用各种尺度，最常用的是时间和速率，但最为可靠 的衡量尺度是时间。例如响应时间、CPU 时间等。由于系统 CPU 时间很难精确 统计，误差较大，故采用用户 CPU 时间作为衡量时间比较妥当。但在衡量无负 载系统时， 采用响应时间比较合适。 用时间来作为计算机的衡量标准直观、 准确， 适用于各种情况的衡量，所以时间是最可靠的衡量标准。
99
T=t 取指 1+100t 分析+ ∑ [max{t执行k，t取指k + 1}]
k =1
�仅“执行 k” 、 “分析 k+1”和“取指 k+2”重叠。 T=t 取指 1+t 执行 100+max{t 取指 2，t 分析 1}+max{t 分析 100+t 执行
98
99}+ ∑ [ max{t执行k，t分析k + 1，t取指k + 2}]
习题六
1、解释下列术语：
向量流水处理： 允许流水线具有较深的流水深度， 每条指令相当于一个标量循环， 可以交叉访问的处理结构。 屏蔽向量： 通过向量测试得到的， 采用屏蔽控制技术来控制那些向量元素参加运 算，使循环能够向量化。 半性能向量长度：为达到向量流水线最大性能值一半时所需要的向量长度。
2、 3、 4、向量的加工方法有哪几种，各有什么特点？试从加工速度、需用中间变量等
（3）调和性能平均值 Hm
Hm =
n
1 ∑ i =1 Ri
n
=
n
n
=
i
n T 1 + T 2 + ... + Tn
∑T
i =1
以上 3 个公式中 Ri 表示由 n 个程序组成的工作负荷中执行第 i 个程序的速率， Ti 表示执行第 i 个程序所需的时间，这里 Ri=1/Ti。 三种方法中 Am 计算最简单，但不能精确地衡量性能。Gm 运算量大，但它有一 个良好的性能，即它的几何平均比和比的几何平均是相等的。在进行比较时是很 方便的。Hm 值是真正与运行所有典型测试程序所需时间总和成反比的，从时间 是衡量性能唯一标准来看，用 Hm 值来衡量计算机系统性能是比较精确的。
10、 11、IEEE745 浮点数标准中，为什么要设置非规格化数？
答：对于绝对值较小的数，为了避免下溢而损失精度，IEEE754 标准允许采用比 最小规格化数还要小的那些数，称为非规格化数（Denormal Number）来表示， 这是因为使用非规格化数后， 就可以表示那些处于 0 和最小可表示的规格化数之 间的数。
2、 3、将下列数转换成 IEEE 单精度浮点格式，以 8 位十六进制数表示。
（a）9 IEEE 单精度浮点格式为 0x41100000 （b）5/32 IEEE 单精度浮点格式为 0x3E200000 （c）-5/32 IEEE 单精度浮点格式为 0xBE200000 （d）6.125 IEEE 单精度浮点格式为 0x40C40000
13、计算机系统按功能划分，通常分为那几个层次，这种划分方法有什么意义？
答：计算机系统按功能可划分成多层次结构，在传统机器级上是操作系统级、 汇 编语言级、高级语言级和应用语言级，在下面的是微程序机器级以及扩展级电子 线路。这种划分方法的意义是：有助于理解各级语言的实质及实现，分层后， 处 在某一级虚拟机的程序员只需知道这一级的语言及虚拟机， 至于这一级语言如何 层次地经翻译或解释直到下面的实际机器级，则无需知道。
另一种方法的加速比 Sp 2 = 方法更好些。
1 = 1.176 ，经计算可知 Sp1>Sp2 第一种 (1 − 0.3) + 0.3 / 2
9、假设高速缓存 Cache 的工作速度为主存的 5 倍，且 Cache 被访问命中的概率
为 90%，则采用 Cache 能使整个存储系统获得多高的加速比？ 答：加速比 S =
用霍夫曼编码要比定长编码平均长度减少 0.62， 用霍夫曼扩展 编码要比定长编码平均长度减少 0.4。
7、 8、试叙述比较-转移指令的功能特点，为什么在有的
RISC 机中要设
置这样的指令？ 答：将比较指令和转移指令合成一条指令后，该指令将直接对两个对 象进行相等或不等的比较，然后根据比较结果判别是否执行转移， 这 样就可以省去一条指令，且不用受条件码的约束。所以许多典型的 RISC 机中都采用这样的复合指令。
6、 17、比较阻塞、交叉和同时多线程三者各自的优缺点。
答： 在阻塞多线程超标量处理器中，长的阻塞可借助切换到另一线程而得到部分
隐藏。 虽然这种方式在每个时钟周期能减少完全闲置的时钟周期的数目，但由于 有限的指令级并行性仍将导致闲置周期。 对于交叉多线程的超标量处理器，由于各线程的交叉运行，从而可消除完全 空闲的指令发射槽。但因为在指定的时钟周期中，仅有一个线程发射指令，所以 悠闲地指令级并行性仍将导致在各个时钟周期内会有一定数量的闲置发射槽。 在同时多线程的超标量处理器中，线程级并行性和指令级并行性被同时开 发， 因此在单个时钟周期中， 各个指令发射槽可被多个线程使用。 在理想情况下， 指令发射槽的闲置数主要受多线程间所需的资源及可用资源间的不平衡约束。
1.
答：经编码后的霍夫曼树如图：
0.
0.
0.
0.
0.
0.
0.
0.
0.
0.
0.
(111110)
0.
(11110)
0.
(1110)
0.
(110)
0.
(10)
0.
(011)
0.
(010)
10)
其平均编码长度 =7*0.01+7*0.01+6*0.02+5*0.03+4*0.04+3*0.07+2*0.24+3*0.12+3*0.1 6+2*0.3=2.7
1 n 1 n 1 1⎛ 1 1 1⎞ Am = ∑ Ri = ∑ = ⎜ + + ... + ⎟ n i =1 n i =1 Ti n ⎝ T 1 T 2 Tn ⎠
（2）几何性能平均值 Gm
⎛ n ⎞ ⎛ n 1⎞ Gm = n ⎜ ⎜ ∏ Ri ⎟ ⎟ =n ⎜ ⎜ ∏ Ti ⎟ ⎟ ⎝ i =1 ⎠ ⎝ i =1 ⎠