计算机系统结构习题解答-1.pdf

计算机系统结构是计算机科学的核心领域，它探讨了计算机硬件、软件和它们之间的交互。透明性概念是其中一个重要概念，指的是用户或程序员无需关心系统内部的实现细节，即可正常工作。透明性有助于简化系统的使用和设计，提高效率。例如，Cache存储器的透明性意味着程序员在编写程序时不必考虑数据何时被缓存或如何缓存，而总线宽度的透明性则意味着数据传输速率不受用户直接影响。 Amdahl定律是评估系统性能改进的一个关键工具。例如，Se表示串行部分的执行时间占比，Fe是并行部分的加速因子。若Se=20，意味着20%的任务不能并行化。根据Amdahl定律，当Sn并行度增加时，理论上的最大加速因子Fe可以通过公式Fe=1/(Se+Sn)计算。如1.12题所示，我们可以根据给定的Se值绘制Fe-Sn关系曲线，以理解性能提升的可能性。 在选择性能优化策略时，有时软件方法可能优于硬件方法。例如，题1.15中，通过对比硬件和软件方法提高性能所需的代价，我们发现软件方法只需要较小的性能提升（1.84%）就能达到与硬件方法相同的性能增益，而硬件方法则需要将Se提高100%。 计算机系统中的各种组件和操作也对性能产生影响。如浮点数据处理、I/O处理、通道设计、总线宽度、指令控制方式等都是影响性能的因素。比如，浮点数据的处理可能不透明，因为它涉及复杂的数值计算和格式转换；而总线宽度的增加可以显著提升数据传输速率，对用户来说是透明的。 时钟频率（f）、时钟周期（T）、带宽（B）等是衡量处理器性能的重要参数。在1.18题中，方案一和方案二的性能可以通过这些参数的组合来比较。通常，更高的时钟频率和带宽能带来更快的数据处理速度。 CPI（Cycle Per Instruction）和MIPS（Millions of Instructions Per Second）是评估指令执行效率和处理器性能的指标。CPI越低，表示每条指令平均需要的时钟周期数越少，性能越好；而MIPS越高，表明处理器每秒能执行的指令数量越多，性能更强大。通过计算CPI和MIPS，我们可以比较不同设计方案的优劣，如1.21题所示。 在浮点运算性能方面，如2.3题所述，浮点数格式的不同（包括阶码和尾数的位数、规格化要求等）会直接影响其表示范围和精度，进而影响浮点运算的速度和准确性。例如，更大的阶码位数和尾数位数可以表示更大范围和更高精度的数字，但也会增加计算复杂性。 总结起来，计算机系统结构习题涵盖了从基本概念到高级性能分析的多个层面，包括透明性、性能优化、硬件与软件方法的权衡、处理器参数的影响以及浮点运算的特性。理解和掌握这些知识点对于深入学习计算机系统设计至关重要。