計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)復(fù)習(xí)計(jì)算題.doc

1. 將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中某一功能的處理速度加快10倍，但該功能的處理時(shí)間僅為整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的40%，則采用此增強(qiáng)功能方法后，能使整個(gè)系統(tǒng)的性能提高多少？ 根據(jù)Amdahl定律可知： 系統(tǒng)加速比 由題可知： 可改進(jìn)比例 = 40% = 0.4部件加速比 = 10 系統(tǒng)加速比 = 1.56 采用此增強(qiáng)功能方法后，能使整個(gè)系統(tǒng)的性能提高1.56倍。2. 假設(shè)一臺(tái)計(jì)算機(jī)的I/O處理占10，當(dāng)其CPU性能改進(jìn)到原來(lái)的10倍時(shí)，而I/O性能僅改進(jìn)為原來(lái)的兩倍時(shí)，系統(tǒng)總體性能會(huì)有什么改進(jìn)？加速比1/（10%/2+90%/10）=7.14本題反映了Amdahl定律，要改進(jìn)一個(gè)系統(tǒng)的性能要對(duì)各方面性能都進(jìn)行改進(jìn)，不然系統(tǒng)中最慢的地方就成為新系統(tǒng)的瓶頸。3. 雙輸入端的加、乘雙功能靜態(tài)流水線有1、2、3、4四個(gè)子部件，延時(shí)分別為t, t, 2t, t，“加”由124組成，“乘”由134組成，輸出可直接返回輸入或鎖存?，F(xiàn)執(zhí)行 （1） 畫(huà)出流水時(shí)空?qǐng)D，標(biāo)出流水線輸入端數(shù)據(jù)變化情況。（2） 求運(yùn)算全部完成所需的時(shí)間和流水線效率。（3） 找出瓶頸子過(guò)程并將其細(xì)分，重新畫(huà)出時(shí)空?qǐng)D并計(jì)算流水時(shí)間和效率。（1） 部件 結(jié)果輸入a1 a2 a3 a4 a1+b1 a2+b2 a3+b3 a4+b4 b1 b2 b3 b4 c1 c2 c3 c4 t4321（2）由上圖可知，全部運(yùn)算完的時(shí)間是23t。 （3） 43-23-1 2 1輸入a1 a2 a3 a4 a1+b1 a2+b2 a3+b3 a4+b4 b1 b2 b3 b4 c1 c2 c3 c4 結(jié)果t部件 由上圖可知，流水時(shí)間為20t。 4. 有一條流水線如下所示。(1) 求連續(xù)輸入5指令，該流水線的實(shí)際吞吐率和效率； (2) 該流水線的瓶頸在哪一段？請(qǐng)采取兩種不同的措施消除此“瓶頸”。對(duì)于你所給出的新流水線，計(jì)算連續(xù)輸入5條指令時(shí)，其實(shí)際吞吐率和效率。5. 假設(shè)我們考慮條件分支指令的兩種不同設(shè)計(jì)方法如下： (a)CPUA：通過(guò)比較指令設(shè)置條件碼，然后測(cè)試條件碼進(jìn)行分支； (b)CPUB：在分支指令中包括比較過(guò)程。在兩種CPU中，條件分支指令都占用2個(gè)時(shí)鐘周期而所有其它指令占用1個(gè)時(shí)鐘周期，對(duì)于CPUA，執(zhí)行的指令中分支指令占30%；由于每個(gè)分支指令之前都需要有比較指令，因此比較指令也占30%。由于CPUA在分支時(shí)不需要比較，因此假設(shè)它的時(shí)鐘周期時(shí)間比CPUB的快1.4倍。哪一個(gè)CPU更快？如果CPUA的時(shí)鐘周期時(shí)間僅僅比CPUB的快1.15倍，哪一個(gè)CPU更快呢？我們不考慮所有系統(tǒng)問(wèn)題，所以可以用CPU性能公式。占用2個(gè)時(shí)鐘周期的分支指令占總指令的30%，剩下的指令占用1個(gè)時(shí)鐘周期。所以 CPIA = 0.3 2 + 0.70 1 = 1.3則CPU性能為：總CPU時(shí)間A = IC 1.3 時(shí)鐘周期A根據(jù)假設(shè)，有：時(shí)鐘周期B = 1.4 時(shí)鐘周期A 在CPUB中沒(méi)有獨(dú)立的比較指令，所以CPUB的程序量為CPUA的70%，分支指令的比例為： 30%/70% = 42.8% 這些分支指令占用2個(gè)時(shí)鐘周期，而剩下的57.2%的指令占用1個(gè)時(shí)鐘周期，因此：CPIB = 0.428 2 + 0.572 1 = 1.428 因?yàn)镃PUB不執(zhí)行比較，故： ICB = 0.7 ICA 因此CPUB性能為： 總CPU時(shí)間B = ICB CPIB 時(shí)鐘周期B = 0.7 ICA 1.428 (1.4 時(shí)鐘周期A) = 1.44 ICA 時(shí)鐘周期A 在這些假設(shè)之下，盡管CPUB執(zhí)行指令條數(shù)較少，CPUA因?yàn)橛兄痰臅r(shí)鐘周期，所以比CPUB快。如果CPUA的時(shí)鐘周期時(shí)間僅僅比CPUB的快1.15倍，則時(shí)鐘周期B = 1.15 時(shí)鐘周期ACPUB的性能為：總CPU時(shí)間B = ICB CPIB 時(shí)鐘周期B = 0.7 ICA 1.428 (1.15 時(shí)鐘周期A) = 1.18 ICA 時(shí)鐘周期A 因此CPUB由于執(zhí)行更少指令條數(shù)，比CPUA運(yùn)行更快。6. 假設(shè)Cache失效開(kāi)銷(xiāo)為70個(gè)時(shí)鐘周期，當(dāng)不考慮存儲(chǔ)器停頓時(shí)，所有指令的執(zhí)行時(shí)間都是2.0個(gè)時(shí)鐘周期，訪問(wèn)Cache失效率為2%，平均每條指令訪存1.2次。試分析考慮Cache的失效后，Cache對(duì)性能的影響。若不采用Cache，性能會(huì)怎樣？考慮Cache的失效后，性能為 CPU時(shí)間有cacheIC（2.0（1.22 %70）時(shí)鐘周期時(shí)間IC3.68時(shí)鐘周期時(shí)間 當(dāng)考慮了Cache的失效影響后，CPI就會(huì)增大。本例中CPI從理想計(jì)算機(jī)的2.0增加到3.68，是原來(lái)的1.84倍。 若不采用Cache，CPI將增加為2.0701.286，即超過(guò)原來(lái)的40倍。7. 我們考慮某一個(gè)機(jī)器。假設(shè)Cache讀失效開(kāi)銷(xiāo)為30個(gè)時(shí)鐘周期，寫(xiě)失效開(kāi)銷(xiāo)為60個(gè)時(shí)鐘周期，當(dāng)不考慮存儲(chǔ)器停頓時(shí)，所有指令的執(zhí)行時(shí)間都是2個(gè)時(shí)鐘周期， Cache的讀失效率和寫(xiě)失效率均為5%，平均每條指令讀存儲(chǔ)器0.8次，寫(xiě)存儲(chǔ)器0.5次。試分析考慮Cache的失效后，Cache對(duì)性能的影響。平均每條指令存儲(chǔ)器停頓時(shí)鐘周期數(shù)“讀”的次數(shù)讀失效率讀失效開(kāi)銷(xiāo) “寫(xiě)”的次數(shù)寫(xiě)失效率寫(xiě)失效開(kāi)銷(xiāo) 0.85%300.55%602.7 CPU時(shí)間=IC*(CPI執(zhí)行+存儲(chǔ)器停頓周期數(shù)/指令數(shù))*時(shí)鐘周期時(shí)間考慮Cache的失效后，性能為 CPU時(shí)間有CacheIC（2.02.7）時(shí)鐘周期時(shí)間IC4.7時(shí)鐘周期時(shí)間當(dāng)考慮了Cache的失效影響后，CPI從理想計(jì)算機(jī)的2.0增加到4.7，是原來(lái)的2.35倍。8. 假設(shè)在一臺(tái)40MHZ處理機(jī)上運(yùn)行200,000條指令的目標(biāo)代碼，程序主要由四種指令組成。根據(jù)程序跟蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果，已知指令混合比和每種指令所需的指令數(shù)如下：