計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)(系統(tǒng)結(jié)構(gòu))考試?yán)}大題

1、25例1.1將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中某一功能的處理速度加快15倍，但該功能的處理時(shí)間僅占整個(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？解由題可知：F=40%=0.4根據(jù)定律可知：11S1.6nFe0.4(1Fe)(10.4)-Se15采用此增強(qiáng)功能方法后，能使整個(gè)系統(tǒng)的性能提高到原來的1.倍6。例1.2某計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用浮點(diǎn)運(yùn)算部件后，使浮點(diǎn)運(yùn)算速度提高到原來的25倍，而系統(tǒng)運(yùn)行某一程序的整體性能提高到原來的4倍試計(jì)算該程序中浮點(diǎn)操作所占的比例。解由題可知：S=25=4S根據(jù)定律可知：14FeFe由此可得：Fe即程序中浮點(diǎn)操作所占的比例為78.例1.3假設(shè)FP指令的比例為2

2、5%，其中，F(xiàn)PSQR占全部指令的比例為2%,FP操作的CPI為4,FPSQR操作的CPI為20，其他指令的平均CPI為133?，F(xiàn)有兩種改進(jìn)方案，第一種是把FPSQR操作的CPI減至2，第二種是把所有的FP操作的CPI減至2，試比較兩種方案對(duì)系統(tǒng)性能的提高程度。解沒有改進(jìn)之前，每條指令的平均時(shí)鐘周期CPI為：CPIi!jPI25%.3375%2iIC1）采用第一種方案FPSQR操作的CPI由CPI=20減至為=2,則整個(gè)系FPSQRFPSQR統(tǒng)的指令平均時(shí)鐘周期數(shù)為：CPI=CPI（CPICPI）X2%FPSQRFPSQR=2222%=1.64（2）采用第二種方案所有FP操作的CPI由CPIF

3、P=4減至CPI=2，則整個(gè)系統(tǒng)的指令平均FP時(shí)鐘周期數(shù)為：CPI=CPI（CPICPI）X25%FPFP=24225%=1.5從降低整個(gè)系統(tǒng)的指令平均時(shí)鐘周期數(shù)的程度來看，第二種方案優(yōu)于第一種方案。例21假設(shè)某模型機(jī)有7條指令，這些指令的使用頻度如表左邊所示。（計(jì)1算）這7條指令的操作碼編碼的最短平均碼長；（畫2出）哈夫曼樹，寫出這7條指令的哈夫曼編碼，并計(jì)算該編碼的平均碼長和信息冗余量。指令頻度Pi操作碼使用哈夫曼編碼操作碼長度li利用哈夫曼概念的擴(kuò)展操作碼操作碼長度liI10.4001002I20.30102012I30.151103102I40.0511100511004I50.041

4、1101511014I60.0311110511104I?0.0311111511114解7Hplogp2.17i2ii（2）其哈夫曼樹如圖所示，該樹的每個(gè)葉結(jié)點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)于一條指令。在該樹中，對(duì)每個(gè)結(jié)點(diǎn)向下的兩個(gè)分支，分別用二進(jìn)制“1”和“0”來表示。從該哈夫曼樹可以很容易地寫出哈夫曼編碼。具體方法：對(duì)于任意一條指令I(lǐng)i(i=1,2,7)，從哈夫曼樹根結(jié)點(diǎn)出發(fā)、沿一條路徑連接到葉結(jié)點(diǎn)I，i把途中所經(jīng)過的各分支的“0”和“1”按從左到右的順序記錄下來，便是該指令的哈夫曼編碼。上表中列出了所有指令的哈夫曼編碼。7654321該哈夫曼編碼的平均碼長是25257Lpl2.20iii其信息冗余量為252

5、52.202.171.36%2.2025例i假設(shè)=5,在命中率為1和0.9兩9種情況下，分別計(jì)算存儲(chǔ)系統(tǒng)的訪問效率。解：TT11ei1f(H,THT1(IH):2H(IH)當(dāng)=時(shí),.當(dāng)=時(shí),9例：在一個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)中，當(dāng)?shù)膲K大小為一個(gè)字時(shí)，命中率=;假設(shè)數(shù)據(jù)的重復(fù)利用率為5=。計(jì)25算塊大小為4個(gè)字時(shí)，存儲(chǔ)系統(tǒng)的命中率？并分別計(jì)算訪問效率。解:=X=，采用預(yù)取技術(shù)之后，命中率提高到：H2.旦0.82010.992n20當(dāng)Cache塊大小為1/(0.8+5(1一個(gè)字時(shí)-0.8)0.8,訪問效率為：11.80.55當(dāng)Cache塊大小為e1/(0.99+5(4個(gè)字時(shí)1-0.99)0.99,訪問效率為：1

6、1.040.9例.1用一個(gè)和ha類似的機(jī)器作為第一個(gè)例子。假設(shè)Cache不命中開銷為50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Cache不命中率為平均每條指令訪存1.次。試分析Cache對(duì)性能的影響。解CPU時(shí)間=ICX(CPIexecution+每條指令的平均訪存次數(shù)X不命中率X不命中開銷)X時(shí)鐘周期有Cache時(shí)間=ICx(2.0+1.33x2%x50)X時(shí)鐘周期時(shí)間25=ICx333x時(shí)鐘周期時(shí)間考慮Cache的不命中后，性能為：CPU時(shí)間有cache=ICX(2.0+l.33X2%X50)X時(shí)鐘周期時(shí)間=ICX3.33X時(shí)鐘周期時(shí)間實(shí)際CPI：3

7、.333.33/2.0=1.67(倍)CPU時(shí)間也增加為原來的1.67倍。但若不采用Cache,則：CPI=2.0+50X1.33=68.5例7.2考慮兩種不同組織結(jié)構(gòu)的Cache：直接映象Cache和兩路組相聯(lián)Cache,試問它們對(duì)CPU的性能有何影響？先求平均訪存時(shí)間，然后再計(jì)算CPU性能。分析時(shí)請(qǐng)用以下假設(shè)：理想Cache(命中率為100%)情況下的CPI為2.0,時(shí)鐘周期為2ns,平均每條指令訪存1.3次。兩種Cache容量均為64KB,塊大小都是32字節(jié)。在組相聯(lián)Cache中，由于多路選擇器的存在而使CPU的時(shí)鐘周期增加到原來的1.10倍。這是因?yàn)閷?duì)Cache的訪問總是處于關(guān)鍵路徑上

8、，對(duì)CPU的時(shí)鐘周期有直接的影響。這兩種結(jié)構(gòu)Cache的不命中開銷都是70ns。(在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)取整為整數(shù)個(gè)時(shí)鐘周期)(5)命中時(shí)間為1個(gè)時(shí)鐘周期，64KB直接映象Cache的不命中率為1.4%，相同容量的兩路組相聯(lián)Cache的不命中率為1.0%。例7.3考慮某一兩級(jí)Cache：第一級(jí)Cache為L1,第二級(jí)Cache為L2。假設(shè)在1000次訪存中，L1的不命中是40次，L2的不命中是20次。求各種局部不命中率和全局不命中率。假設(shè)L2的命中時(shí)間是10個(gè)時(shí)鐘周期，L2的不命中開銷是100時(shí)鐘周期，L1的命中時(shí)間是1個(gè)時(shí)鐘周期，平均每條指令訪存1.5次，不考慮寫操作的影響。問：平均訪存時(shí)間是多少？每條指令的平均停頓時(shí)間是多少個(gè)時(shí)鐘周期？解(1)第一級(jí)Cache的不命中率(全局和局部)是40/1000,即4%；第二級(jí)Cache的局部不命中率是20/40,即50%；第二級(jí)Cache的全局不命中率是20/1000,即2%。(2)平均訪存時(shí)間=命中時(shí)間L1+不命