系统结构习题

第一章(P33)

1.7-1.9（透明性概念），1.12-1.18（Amdahl定律），1.19、1.21、1.24（CPI/MIPS）

第二章(P124)

2.3、2.5、2.6（浮点数性能），2.13、2.15（指令编码）

第三章(P202)

3.3（存储层次性能），3.5（并行主存系统），3.15-3.15加1题（堆栈模拟），3.19中(3)(4)(6)(8)问（地址映象/替换算法--实存状况图）

第五章(P343)

5.9（流水线性能/时空图），5.15（2种调度算法）

第六章(P391)

6.6（向量流水时间计算），6.10（Amdahl定律/MFLOPS）

第七章(P446)

7.3、7.29（互连函数计算），7.6-7.14（互连网性质），7.4、7.5、7.26（多级网寻径算法），7.27（寻径/选播算法）

第八章(P498)

8.12（SISD/SIMD算法）

第九章(P562)

9.18（SISD/多功能部件/SIMD/MIMD算法）

例, 习题

第一章(P33)

1.6

试以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与相互影响。

系统结构、组成和实现是三个不同的概念，它们各自包含不同的内容，但又有紧密的关系。

以存储系统为例，主存储器容量和寻址方式的确定属计算机系统结构，主存的速度应多高，在逻辑结构上采用什么措施属计算机组成，而主存的物理实现，如存储器采用什么样器件，逻辑电路设计和微组装技术则属计算机实现。

1.7

什么是透明性概念？对计算机系统结构，下列哪些是透明的？哪些是不透明的？

⏹存贮器的模m交叉存取；透明（组成）

⏹浮点数据表示；不透明（系统结构）

⏹I/O系统是采用通道方式还是I/O处理机方式；不透明

⏹数据总线宽度；透明（组成）

⏹阵列运算部件；透明（组成）

⏹通道是采用结合型的还是独立型的；透明（组成）

⏹PDP-11系列中的单总线结构；不透明（系统结构）

⏹访问方式保护；不透明（系统结构）

⏹程序性中断；不透明（系统结构）

⏹串行、重叠还是流水控制方式；透明（组成）

⏹堆栈指令；存贮最小编址单位；不透明（系统结构）

⏹Cache存贮器。透明（组成）

1.12

如果某一计算任务用向量方式求解比用标量方式求解要快20倍，称可用向量方式求解部分所花费时间占总

的时间的百分比为可向量化百分比。请画出加速比与可向量化比例两者关系的曲线。 解：可向量化百分比为Fe, Se=20，根据Amdahl 定律

Se

Fe Fe T To S n

n +

-=

=

)1(1

将Se 代入Amdahl 定律得

e

n F S 20

1911-=

1.13

在题1.12中，为达到加速比2， 可向量化的百分比应为多少？

e

n F S 20

1911-=

=2

则可向量化的百分比Fe=0.526 1.14

在题1.12中，为获得采用向量方式最大加速比的半值（即10）时，所需可向量化的百分比为多少。

e

n F S 20

1911-=

=10

则可向量化的百分比Fe=0.947 1.15

在题1.12中，如果某程序可向量化部分为70%，硬件设计组认为可以通过加大工程投资，使向量处理速度加倍来进一步增加性能；而编译程序编写组认为只需设法增加向量工作方式的百分比就同样可使性能得到相同的提高，问：此时需使可向量化成分再增加多少百分比就可实现。你认为上述硬、软件两种方法中，哪一种方法更好？

(1)用硬件组方法，已知Se=2 X 20 =40，Fe=0.7 解出Sn=40/12.7≈3.1496

(2)用软件组方法，已知Se=20，得到硬件组方法的相同性能Sn=40/12.7 解出Fe=27.3/38≈0.7184

(3)结论：软件组方法更好。因为硬件组需要将Se 再提高100%（20→40），而软件组只需将Fe 再提高1.84%（0.7→0.7184）。 1.17

假设高速缓存Cache 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 后，能使

Sn 20 1

整个存储系统获得多高的加速比？ 解：

Se

Fe Fe T To S n

n +

-=

=

)1(1

57.34

.15

59.09.011≈=+

-=n S

1.19用一台40MHz 处理机执行标准测试程序，它含的混合指令数和相应所需的时钟周期数如下：

指令类型 指令数 时钟周期数 整数运算 45000 1 数据传送 32000 2 浮点 15000 2 控制传送 8000 2 求有效CPI 、MIPS 速率和程序的执行时间。

55.1100000

2

8000215000232000145000/100000

800015000320004500010

404

1

4

1

6

=⨯+⨯+⨯+⨯=

⋅==+++==⨯=∑∑==i i IC Ii CPIi CPI Ii IC f 有效

806.2555.140

1055.1104010666≈=⨯⨯=⨯=CPI f MIPS

（秒）003875.01055.140101065

6

=⨯=⨯=MIPS IC T s IC CPI T 003875.010

401

10000055.16

=⨯⨯

⨯=⋅⋅=τ 1.20

某工作站采用时钟频率为15MHz 、处理速率为10MIPS 的处理机来执行一个已知混合程序。假定每次存储器存取为1周期延迟、试问： (a) 此计算机的有效CPI 是多少？

(b) 假定将处理机的时钟提高到30MHz ，但存储器子系统速率不变。这样，每次存储器存取需要两个时钟周期。如果30%指令每条只需要一次存储存取，而另外5%每条需要两次存储存取，还假定已知混合程序的指令数不变，并与原工作站兼容，试求改进后的处理机性能。 解：(a) f==15MHz , MIPS=10, 每次存取时间为2个时钟周期

5.110

101015106

6

6=⨯⨯=⨯=MIPS f CPI 有效 (b)

个时钟周期但每次存取为存储系统的速率不变，2,30MHz f =