计算机体系结构后习题原版答案_张晨曦著

2第1章 计算机系统结构的基本概念

1.1 解释下列术语把计算机系统按功能划分成多级层次结构翻译解释某部件获得的系统性能，受限于该部件。局部性原理：程序执行时所访问存储器地址不是随机分布的，而是相对地簇聚时间局部性空间局部性。冯·诺依曼结构计算机向上(下)兼容按某档计算机编制的程序，不加修改就能运行于比它高(低)档的计算机。向()兼容按某个时期投入市场的某种型号计算机编制的程序，不加修改地就能运行于在它之()投入市场的计算机。1.2 试用实例说明计算机系统结构、计算机组成与计算机实现之间的相互关系。

答：如在设计主存系统时，确定主存容量、编址方式、寻址范围等属于计算机系统结构。确定主存周期、逻辑上是否采用并行主存、逻辑设计等属于计算机组成。选择存储芯片类型、微组装技术、线路设计等属于计算机实现。

计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现。计算机实现是计算机组成的物理实现。一种体系结构可以有多种组成。一种组成可以有多种实现。

1.3 计算机系统结构的Flynn分类法是按什么来分类的？共分为哪几类？

答：Flynn分类法是按照指令流和数据流的多倍性进行分类。把计算机系统的结构分为：

单指令流单数据流SISD

单指令流多数据流SIMD

多指令流单数据流MISD

多指令流多数据流MIMD

1.4 计算机系统设计中经常使用的4个定量原理是什么？并说出它们的含义。

答：(1)以经常性事件为重点。在计算机系统的设计中，对经常发生的情况，赋予它优先的处理权和资源使用权，以得到更多的总体上的改进。(2)Amdahl定律。加快某部件执行速度所获得的系统性能加速比，受限于该部件在系统中所占的重要性。(3)CPU性能公式。执行程序的CPU时间 = IC CPI ×时钟周期时间。(4)程序的局部性原理。程序在执行时所访问地址的分布不是随机的，而是相对地簇聚。

1.5 分别从执行程序的角度和处理数据的角度来看，计算机系统中并行性等级从低到高可分为哪几级？

答：从处理数据的角度来看，并行性等级从低到高可分为：

(1)字串位串：每次只对一个字的一位进行处理。这是最基本的串行处理方式，不存在并行性；

(2)字串位并：同时对一个字的全部位进行处理，不同字之间是串行的。已开始出现并行性；

(3)字并位串：同时对许多字的同一位(称为位片)进行处理。这种方式具有较高的并行性；

(4)全并行：同时对许多字的全部位或部分位进行处理。这是最高一级的并行。

从执行程序的角度来看，并行性等级从低到高可分为：

(1)指令内部并行：单条指令中各微操作之间的并行；

(2)指令级并行：并行执行两条或两条以上的指令；

(3)线程级并行：并行执行两个或两个以上的线程，通常是以一个进程内派生的多个线程为调度单位；

(4)任务级或过程级并行：并行执行两个或两个以上的过程或任务(程序段)，以子程序或进程为调度单元；

(5)作业或程序级并行：并行执行两个或两个以上的作业或程序。

1.6 某台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450001数据传送750002浮点80004分支15002求该计算机的有效CPI、MIPS和程序执行时间。

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＋1500×2)／400=575s

1.7 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 = 40% = 0.4 部件加速比 = 10

根据Amdahl定律可知：

采用此增强功能方法后，能使整个系统的性能提高到原来的1.5625倍。

1.8 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：

部件加速比1=30部件加速比2=20部件加速比3=10

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，系统加速比可以达到10？

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？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.