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计算机系统结构教程课后答案.doc
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计算机系统结构教程课后答案 本资源摘要信息主要涉及计算机系统结构的相关知识点,涵盖了计算机系统的性能指标、系统加速比、Amdahl定理、指令系统、流水线技术等内容。通过对给定文件的分析,我们可以获得以下知识点: 1. 计算机系统的性能指标:CPI(Clock Per Instruction)、MIPS(Million Instructions Per Second)等。 在题目1.7中,我们学习了如何计算CPI和MIPS。CPI是计算机系统执行指令的平均时钟周期数,而MIPS是计算机系统的执行速度,单位为百万条指令每秒。 2. 系统加速比:Amdahl定理 在题目1.9中,我们学习了Amdahl定理,该定理描述了系统加速比与可改进比例之间的关系。在多个部件可改进的情况下,Amdahl定理的扩展公式可以用于计算系统加速比。 3. 指令系统:指令类型、执行数量、平均时钟周期数等 在题目1.7和1.11中,我们学习了指令系统的相关知识点,包括指令类型、执行数量、平均时钟周期数等。我们还学习了如何计算CPI和MIPS,以及如何分析指令系统的性能。 4. 流水线技术:流水线时空图、指令执行过程等 在题目3.5中,我们学习了流水线技术的相关知识点,包括流水线时空图、指令执行过程等。我们还学习了如何画出指令执行过程的流水线时空图,并计算完成指令执行所需的时钟周期数。 通过本资源摘要信息,我们可以获得计算机系统结构的相关知识点,并且能够更好地理解计算机系统的性能指标、系统加速比、指令系统和流水线技术等内容。
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1.7
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+1
500×2)/400=575s
1.9 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 Fe=40% = 0.4 部件加速比 Se = 10
根据
1.10 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:
已知 S1=30,S2=20,S3=10,Sn=10,F1=0.3,F2=0.3,得:
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
1 / 19
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=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:
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:
0.2/0.245=81.6%
1.11 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。
解:
改进前: 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
2.11
解:
2 / 19
1
1
1
1
1 0
0
0
0
0
0.35
0.22
0.09
0.04
0.02
0.13
0.01 0.01 0.02 0.130.070.060.05
0.22 043
0.57
1
1
1
0
0
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L=
=0.4 3x1+
0.22 x2+0
.13x 3+0.
07x 5+0.
06x 5+0.
05x5+0.02x6+0.01x7+0.01x7
=2.42
2.12.
解:
二地址指令的结构是 (4 位操作码 OP),(6 位地址码 A1),(6 位地址码
A2)。
一地址指令的结构是 (10 位操作码 OP),(6 位地址码 A)。
二地址指令,最多共 16 条二地址指令。
每少一条二地址指令,则多 2
6
条一地址指令,
所以一地址指令最多有(16-A)*2
6
条
3.5 在一台单流水线多操作部件的处理机上执行下面的程序,每条指令的取指
令、指令译码需要一个时钟周期,MOVE、ADD 和 MUL 操作分别需要 2 个、
3 个和 4 个时钟周期,每个操作都在第一个时钟周期从通用寄存器中读操作数,
在最后一个时钟周期把运算结果写到通用寄存器中。
k: MOVE R1,R0 ;R1← (R0)
k+1: MUL R0,R2,R1 ;R0← (R2)×(R1)
k+2: ADD R0,R2,R3 ;R0← (R2)+(R3)
画出指令执行过程的流水线时空图,并计算完成这 3 条指令共需要多少个
时钟周期?
解:
在程序实际执行过程中,二种数据相关会引起流水线停顿。一是“先写后读”
相关,k 指令对 R1 的写在程序执行开始后的第四个时钟;k+1 指令对 R1 的
读对指令本身是第三个时钟,但 k+1 指令比 k 指令晚一个时钟进入流水线,
则在程序执行开始后的第四个时钟要读 R1。不能在同一时钟周期读写同一寄
存器,因此 k+1 指令应推迟一个时钟进入流水线,产生了流水线停顿。二是
“写—写”相关,k+1 指令对 R0 的写对指令本身是第六个时钟,而要求该指令
进入流水线应在程序执行开始后的第三个时钟,所以对 R0 的写是在程序执行
开始后的第八个时钟。k+2 指令对 R0 的写对指令本身是第五个时钟,而
k+2 指令比 k+1 指令晚一个时钟进入流水线,则在程序执行开始后的第四个
时钟,所以对 R0 的写是在程序执行开始后的第八个时钟。不能在同一时钟周
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指令 频度 p
i
操作码使用哈夫曼编码
操作码长度
l
i
ADD 0.43 0 1
CLA 0.22 10 2
SUB 0.13 1 1 0 3
JMP 0.07 1 1 1 0 0 5
JOM 0.06 1 1 1 0 1 5
STO 0.05 1 1 1 1 0 5
CIL 0.02 1 1 1 1 1 0 6
SHR 0.01 1 1 1 1 1 1 0 7
STP 0.01 1 1 1 1 1 1 1 7
1
SHR STP CIL STO JOM JMP SUB
0
CLA
ADD
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期写写同一寄存器,因此 k+2 指令应推迟一个时钟进入流水线,产生了流水线
停顿。另外,可分析“先读后写”相关不会产生流水线的停顿。
该指令流水线由六个功能段取指、译码、取数、运一、运二和存数等组成,
则程序指令执行过程的流水线时空图如下图所示。若 3 条指令顺序流动,共需
要 9 个时钟周期。
空间
存数 K 存数 K+1 存数 K+2 存数
运二 K+1 运二
运一 K+1 运一 K+2 运一
取数 K 取数 K+1 取数 K+2 取数
译码 K 译码 K+1 译码 K+2 译码
取指 K 取指 K+1 取指 K+2 取指 时间
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
3.6 有一指令流水线如下所示
(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)
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