1、 1 你计算机系统结构 清华第 2 版 习题解答 tiger 20070901 2 1 目录 1.1 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） 1.2 第二章 (P124) 2.3、 2.5、 2.6（ 浮点数性能 ）， 2.13、 2.15（ 指令编码 ） 1.3 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 ） 3 1.4 第
2、四章 (P250) 4.5（ 中断屏蔽字表 /中断过程示意图 ）， 4.8（ 通道流量计算 /通道时间图 ） 1.5 第五章 (P343) 5.9（ 流水线性能 /时空图 ）， 5.15（ 2 种调度算法 ） 1.6 第六章 (P391) 6.6（ 向量流水时间计算 ）， 6.10（ Amdahl 定律 /MFLOPS） 1.7 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） 4 1.8 第八章 (P498) 8.12（ SISD/SIMD 算法 ） 1.9 第九
3、章 (P562) 9.18（ SISD/多功能部件 /SIMD/MIMD 算法 ） (注：每章可选 1-2 个主要知识点，每个知识点可只选 1 题。有下划线者为推荐的主要知识点。 ) 5 2 例 , 习题 2.1 第一章 (P33) 例 1.1,p10 假设将某系统的某一部件的处理速度加快到 10倍 ,但该部件的原处理时间仅为整个运行时间的 40%，则采用加快措施后能使整个系统的性能提高多少？ 解：由题意可知： Fe=0.4, Se=10，根据 Amdahl 定律 SeFeFeTToSnn )1( 1 56.164.0 110 4.06.01 nS6 例 1.2,p10 采用哪种实现技术来求浮
4、点数平 方根 FPSQR 的操作对系统的性能影响较大。假设 FPSQR操作占整个测试程序执行时间的 20%。一种实现方法是采用 FPSQR 硬件，使 FPSQR 操作的速度加快到 10 倍。另一种实现方法是使所有浮点数据指令的速度加快，使 FP 指令的速度加快到 2 倍，还假设 FP 指令占整个执行时间的 50%。请比较这两种设计方案。 解：分别计算出这两种设计方案所能得到的加速比： SeFeFeTToSnn )1( 1 Fe FPSQR=0.20,Se FPSQR=10 Fe FP=0.50,Se FP=2 33.175.0125.0)5.01(122.182.01102.0)2.01(1F
5、PF P S Q RSnSn7 例 1.3,p11 如果 FP 操作的比例为 25%， FP 操作的平均 CPI=4.0，其它指令的平均 CPI 为 1.33， FPSQR操作的比例为 2%， FPSQR 的 CPI为 20。假设有两种设计方案，分别把 FPSQR 操作的 CPI 和所有 FP 操作的 CPI 减为 2。试利用 CPU 性能公式比较这两种设计方案哪一个更好 (只改变CPI 而时钟频率和指令条数保持不变 )。 解： ni ii ICIC P IC P I 1 )( 原系统的 CPIFP=4.0, ICIFP =25% CPI2=1.33, ICI2 =1-25% CPI 原 ni
6、ii ICICPI1 )(= CPIFP ICIFP + CPI2 ICI2 =4.0 25% + 1.33 75% 8 =2 方案 1（使 FPSQR 操作的 CPI 为 2）系统 CPI=CPI 原 - CPIFPSQR 原 ICIFPSQR + CPIFPSQR 新 ICIFPSQR =CPI 原 - ICIFPSQR （ CPIFPSQR 原 - CPIFPSQR 新 ） =2-2%（ 20-2） =1.64 方案 2（提高所有 FP 指令的处理速度 , 使 FPSQR 操作的 CPI 为 2） CPI=CPI 原 - CPIFP 原 ICIFP + CPIFP 新 ICIFP =CP
7、I 原 - ICIFP （ CPIFP 原 - CPIFP 新 ） =2-25% （ 4-2） =1.5 我们也可以根据 以下公式计算出方案 2 系统（同求 CPI 原 ） CPI= 75% 1.33+25% 2=1.5 9 显然，提高所有 FP 指令处理速度的方案要比提高 FPSQR 处理速度的方案要好。 方案 2 的加速比 性能没有采用改进措施前的 采用改进措施后的性能加速比 2方案原系统时间时间C P UC P UTToSnn 2C P I IC C P I IC 方案原系统时钟周期时钟周期 2CPICPI方案原系统 =2/1.5 =1.33 例 1.4 假设两台机器的指令系统中，执行条
8、件转移指令需 2 个时钟周期，而其它指令只需 1 个时钟周期。 CPUA:采 用一条比较指令来设置相应的条件码，由紧随其后的一条转移指令对此条件码进行10 测试，以确定是否进行转移。显然实现一次条件转移要执行比较和测试两条指令。条件转移指令占总执行指令条数的 20%。由于每条转移指令都需要一条比较指令，所以比较指令也将占 20%。 CPUB采用比较功能和判别是否实现转移功能合在一条指令的方法，这样实现一条件转移就只需一条指令就可以完成。由于 CPUB 在转移指令中包含了比较功能，因此它的时钟周期就比CPUA要慢 25%。 现在要问，采用不同转移指令方案的 CPUA和 CPUB，那个工作速度会更快些？ 解 ： CPIA=0.2 2+0.8 1=1.2 TCPUA=ICA 1.2 tA = 1.2 ICA tA CPUB转移指令占 20% 80%=25% CPIB = 0.25 2+0.75 1=1.25 由于 CPUB中没有比较指令，因此 ICB = 0.8 ICA CPUB时钟周期就比 CPUA要慢 25% tB = 1.25tA TCPUB = ICB CPIB tB = 0.8 ICA 1.25 1.25tA
