第 1 章 习 题 答 案

2(4)程序的CPI和哪些因素有关？

参考答案：

程序CPI由程序中指令的组成和每条指令的CPI决定

程序中指令的组成由程序设计、编译器、ISA决定

每条指令的CPI由计算机组织(微体系结构)决定

3．假定你的朋友不太懂计算机，请用简单通俗的语言给你的朋友介绍计算机系统是如何工作的。

4．你对计算机系统的哪些部分最熟悉，哪些部分最不熟悉？最想进一步了解细节的是哪些部分的内容？

6．若机器M1和M2具有相同的指令集，其时钟频率分别为1GHz和1.5GHz。在指令集中有五种不同类型的指令A~E。下表给出了在M1和M2上每类指令的平均时钟周期数CPI。

机器

A

B

C

D

E

M1

1

2

2

3

4

M2

2

2

4

5

6

请回答下列问题：

(1)M1和M2的峰值MIPS各是多少？

(2)假定某程序P的指令序列中，五类指令具有完全相同的指令条数，则程序P在M1和M2上运行时，哪台机器更快？快多少？在M1和M2上执行程序P时的平均时钟周期数CPI各是多少？

参考答案：

(1)M1上可以选择一段都是A类指令组成的程序，其峰值MIPS为1000MIPS。

M2上可以选择一段A和B类指令组成的程序，其峰值MIPS为1500/2=750MIPS。

(2)5类指令具有完全相同的指令条数，所以各占20%。

在M1和M2上执行程序P时的平均时钟周期数CPI分别为：

M1：20%×(1+2+2+3+4)= 0.2×12 = 2.4

M2：20%×(2+2+4+5+6)= 0.2×19 = 3.8

假设程序P的指令条数为N，则在M1和M2上的执行时间分别为：

M1：2.4× N×1/1G = 2.4N (ns)

M2：3.8×N×1/1.5G = 2.53 N (ns)

M1执行P的速度更快，每条指令平均快0.13ns，也即M1比M2快0.13/2.4×100%≈5%。

(问题：如果说程序P在M1上执行比M2上快 (3.8–2.4)/3.8×100% = 36.8%，那么，这个结论显然是错误的。请问错在什么地方？)

8．假设某机器M的时钟频率为4GHz，用户程序P在M上的指令条数为8×109，其CPI为1.25，则P在M上的执行时间是多少？若在机器M上从程序P开始启动到执行结束所需的时间是4秒，则P占用的CPU时间的百分比是多少？

参考答案：

程序P在M上的执行时间为：1.25×8×109×1/4G = 2.5 s，从启动P执行开始到执行结束的总时间为4秒，其中2.5秒是P在CPU上真正的执行时间，其他时间可能执行操作系统程序或其他用户程序。

程序P占用的CPU时间的百分比为：2.5/4 = 62.5%。

9．假定某编译器对某段高级语言程序编译生成两种不同的指令序列S1和S2，在时钟频率为500MHz的机器M上运行，目标指令序列中用到的指令类型有A、B、C和D四类。四类指令在M上的CPI和两个指令序列所用的各类指令条数如下表所示。

A

B

C

D

各指令的CPI

1

2

3

4

S1的指令条数

5

2

2

1

S2的指令条数

1

1

1

5

请问：S1和S2各有多少条指令？CPI各为多少？所含的时钟周期数各为多少？执行时间各为多少？

参考答案：

S1有10条指令，CPI为 (5×1+2×2+2×3+1×4)/10=1.9, 所含的时钟周期数为10×1.9=19，执行时间为19/500M = 38ns

S2有8条指令，CPI为 (1×1+1×2+1×3+5×4)/8 =3.25, 所含的时钟周期数为8×3.25=26，执行时间为26/500M = 52ns。

(注：从上述结果来看，对于同一个高级语言源程序，在同一台机器上所生成的目标程序可能不同，其执行时间也可能不同，而且，并不是指令条数少的目标程序执行时间就一定少。)

10．假定机器M的时钟频率为1.2GHz，某程序P在机器M上的执行时间为12秒钟。对P优化时，将其所有的乘4指令都换成了一条左移2位的指令，得到优化后的程序P’。已知在M上乘法指令的CPI为5，左移指令的CPI为2，P的执行时间是P’执行时间的1.2倍，则P中有多少条乘法指令被替换成了左移指令被执行？

参考答案：

显然，P’的执行时间为10秒，因此，P比P’多花了2秒钟，因此，执行时被换成左移指令的乘法指令的条数为1.2G×2/(5–2) = 800M。