计算机系统结构习题课(2012)-万继光
计算机体系结构课后习题
第1章 计算机系统结构的基本概念1.1 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。
1.2 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。
执行一个程序所需的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。
1.3 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为：部件加速比1=30； 部件加速比2=20； 部件加速比3=10（1） 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，系统加速比才可以达到10？（2） 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？解：（1）在多个部件可改进情况下，Amdahl 定理的扩展：∑∑+-=iii n S F F S )1(1已知S 1＝30，S 2＝20，S 3＝10，S n ＝10，F 1＝0.3，F 2＝0.3，得：）（）（10/20/0.330/0.30.30.3-111033F F +++++=得F 3＝0.36，即部件3的可改进比例为36%。
计算机系统结构习题课(2012)-万继光
M W B S S S S S S E X M W B S S S E X I D I F M W B E X I D I F M W B S S S S E X I D I F M W B S S S E M W X B S S S I F
CPU时间 = IC ×CPI×时钟周期时间 n = （CPIi×ICi）×时钟周期时间
i=1
n （CPIi×ICi） n ICi 时钟周期数 i=1 CPI = = = （CPIi× IC ） IC IC i=1
f MIPS速 率 CPI 10 6
▲ 2/101
习题1.7
对于一台400MHz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：
习题2.14
IEEE754
e N m rm
为便于软件的移植，浮点数的表示格式应该有统一标准 （定义）。1985年IEEE提出了IEEE754标准。 该标准规定基数为2，阶码E用移码表示，尾数M用原码表 示，根据原码的规格化方法，最高数字位总是1，该标准 将这个1缺省存储，使得尾数表示范围比实际存储的多一 位。
采用定向技术消除数据相关
习题3.11（1）
1 LOOP: LW R1 0(R2) IF ADDI R1 R1 #1 SW 0(R2) R1 ADDI R2 R2 #4 SUB R4 R3 R2 BNZ R4 LOOP 2 ID IF 3 EX ID IF 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 1 1 1 1 5 6 7 8 9
计算机系统结构-课后答案
第1章计算机系统结构的基本概念1.1 解释下列术语层次机构：按照计算机语言从低级到高级的次序，把计算机系统按功能划分成多级层次结构，每一层以一种不同的语言为特征。
这些层次依次为：微程序机器级，传统机器语言机器级，汇编语言机器级，高级语言机器级，应用语言机器级等。
虚拟机：用软件实现的机器。
翻译：先用转换程序把高一级机器上的程序转换为低一级机器上等效的程序，然后再在这低一级机器上运行，实现程序的功能。
解释：对于高一级机器上的程序中的每一条语句或指令，都是转去执行低一级机器上的一段等效程序。
执行完后，再去高一级机器取下一条语句或指令，再进行解释执行，如此反复，直到解释执行完整个程序。
计算机系统结构：传统机器程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。
在计算机技术中，把这种本来存在的事物或属性，但从某种角度看又实用文档好像不存在的概念称为透明性。
计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现，包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。
计算机实现：计算机组成的物理实现，包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，模块、插件、底板的划分与连接，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。
系统加速比：对系统中某部分进行改进时，改进后系统性能提高的倍数。
Amdahl定律：当对一个系统中的某个部件进行改进后，所能获得的整个系统性能的提高，受限于该部件的执行时间占总执行时间的百分比。
程序的局部性原理：程序执行时所访问的存储器地址不是随机分布的，而是相对地簇聚。
包括时间局部性和空间局部性。
CPI：每条指令执行的平均时钟周期数。
测试程序套件：由各种不同的真实应用程序构成的一组测试程序，用实用文档来测试计算机在各个方面的处理性能。
存储程序计算机：冯·诺依曼结构计算机。
其基本点是指令驱动。
程序预先存放在计算机存储器中，机器一旦启动，就能按照程序指定的逻辑顺序执行这些程序，自动完成由程序所描述的处理工作。
计算机系统结构课后答案
第1章计算机系统结构的基本概念解释下列术语层次机构：按照计算机语言从低级到高级的次序，把计算机系统按功能划分成多级层次结构，每一层以一种不同的语言为特征。
这些层次依次为：微程序机器级，传统机器语言机器级，汇编语言机器级，高级语言机器级，应用语言机器级等。
虚拟机：用软件实现的机器。
翻译：先用转换程序把高一级机器上的程序转换为低一级机器上等效的程序，然后再在这低一级机器上运行，实现程序的功能。
解释：对于高一级机器上的程序中的每一条语句或指令，都是转去执行低一级机器上的一段等效程序。
执行完后，再去高一级机器取下一条语句或指令，再进行解释执行，如此反复，直到解释执行完整个程序。
计算机系统结构：传统机器程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。
在计算机技术中，把这种本来存在的事物或属性，但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性。
计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现，包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。
计算机实现：计算机组成的物理实现，包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，模块、插件、底板的划分与连接，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。
系统加速比：对系统中某部分进行改进时，改进后系统性能提高的倍数。
Amdahl定律：当对一个系统中的某个部件进行改进后，所能获得的整个系统性能的提高，受限于该部件的执行时间占总执行时间的百分比。
程序的局部性原理：程序执行时所访问的存储器地址不是随机分布的，而是相对地簇聚。
包括时间局部性和空间局部性。
CPI：每条指令执行的平均时钟周期数。
测试程序套件：由各种不同的真实应用程序构成的一组测试程序，用来测试计算机在各个方面的处理性能。
存储程序计算机：冯·诺依曼结构计算机。
其基本点是指令驱动。
程序预先存放在计算机存储器中，机器一旦启动，就能按照程序指定的逻辑顺序执行这些程序，自动完成由程序所描述的处理工作。
系列机：由同一厂家生产的具有相同系统结构、但具有不同组成和实现的一系列不同型号的计算机。
计算机体系结构课后答案
计算机体系结构课后答案【篇一：计算机体系结构习题(含答案)】1、尾数用补码、小数表示，阶码用移码、整数表示，尾数字长p=6（不包括符号位），阶码字长q=6（不包括符号位），为数基值rm=16，阶码基值re=2。
对于规格化浮点数，用十进制表达式写出如下数据（对于前11项，还要写出16进值编码）。
（1）最大尾数（8）最小正数（2）最小正尾数（9）最大负数（3）最小尾数（10）最小负数（4）最大负尾数（11）浮点零（5）最大阶码（12）表数精度（6）最小阶码（13）表数效率（7）最大正数（14）能表示的规格化浮点数个数2．一台计算机系统要求浮点数的精度不低于10-7.2，表数范围正数不小于1038，且正、负数对称。
尾数用原码、纯小数表示，阶码用移码、整数表示。
(1) 设计这种浮点数的格式(2) 计算（1）所设计浮点数格式实际上能够表示的最大正数、最大负数、表数精度和表数效率。
3．某处理机要求浮点数在正数区的积累误差不大于2-p-1 ，其中，p是浮点数的尾数长度。
(1) 选择合适的舍入方法。
(2) 确定警戒位位数。
(3) 计算在正数区的误差范围。
4．假设有a和b两种不同类型的处理机，a处理机中的数据不带标志符，其指令字长和数据字长均为32位。
b处理机的数据带有标志符，每个数据的字长增加至36位，其中有4位是标志符，它的指令数由最多256条减少到不到64条。
如果每执行一条指令平均要访问两个操作数，每个存放在存储器中的操作数平均要被访问8次。
对于一个由1000条指令组成的程序，分别计算这个程序在a处理机和b处理机中所占用的存储空间大小（包括指令和数据），从中得到什么启发？5．一台模型机共有7条指令，各指令的使用频率分别为35%，25%，20%，10%，5%，3%和2%，有8个通用数据寄存器，2个变址寄存器。
(1) 要求操作码的平均长度最短，请设计操作码的编码，并计算所设计操作码的平均长度。
6．某处理机的指令字长为16位，有双地址指令、单地址指令和零地址指令3类，并假设每个地址字段的长度均为6位。
第一章计算机系统结构习题PPT
计算机系统结构习题
【例3】假设高速缓存Cache的工作速度为主存的5倍，且
Cache被访问命中的概率为90%，那么，采用Cache后能使整
假设4个程序都分别执行100*106条指令，计算这4个程序 分别在计算机A、B、C上执行的MIPS。根据这些速率值，你 能否直接评价这3台计算机相对性能的优劣？如果不能，你能 否找到一种方法对3台计算机的相对性能进行排序？
计算机系统结构习题分析
• 1-6 【分析】 所谓透明就是看不到，不属于其管理的部分 。对计算机系统结构是否是透明，首先要弄清楚教材有关 计算机系统结构的定义和所包含的属性内容。简单来说， 凡是编写机器语言和汇编语言程序要用到的数据表示、指 令系统、寻址方式、寄存器组织、机器级I/O结构、存贮 容量及其编址方式、中断机构、系统管态和目态间的切换 、信息保护方式和机构等对计算机系统结构都是不透明的 。而全部由硬件实现，或是在机器语言、汇编语言编程中 不会出现和不需要了解的部分，以及只影响机器的速度和 价格的逻辑实现（计算机组成）和物理实现（计算机实现 ）的那些部分，对计算机系统结构都是透明的。
概论
• 2.目的 • 通过对本课程的学习，使我们能进一步树立和 加深对计算机系统的整体概念，特别着眼于正确 掌握有关计算机系统结构的基本概念、基本原理 ，了解目前采用的比较成熟的基本结构，掌握结 构设计的基本思想和方法，提高分析问题和解决 问题的能力。同时，通过对本课程的学习，了解 到近20年里，在并行处理和系统结构技术上的一 些重要进展及今后可能的发展趋势。
计算机系统结构习题课()-万继光
第一种：把FPSQR操作的CPI减至3
第二种：把所有的FP操作的CPI减至3
试比较两种方案对系统性能的提高程度。
❖ 解法1：
❖ 利用原始CPI的唯一性，先使用已知条件求出原始CPI，再求出除去 FPSQR指令外其他指令的平均CPI，最后比较改进后的CPI大小。
❖ 原始CPI = 5 × 30% + 1.25 × (1 - 30%) = 2.375
❖双精度浮点数
0.5的二进制表示：0.1=1.0*(10)^-1 尾数：(1).000…0 阶码：-1+1023=0x3fe 0x3fe00
❖ 设除FPSQR外其余指令的平均CPI为X
❖ 则 2.375 = 20 × 4% + (1 - 4%)X ，解出X = 1.640625
❖ 方案1： ❖ 方案2： ❖ 结论：
CPI1 = 3 × 4% + 1.640625 × (1 - 4%) = 1.695 CPI2 = 3 × 30% + 1.25 × (1 - 30%) = 1.775 方案1导致的新CPI更小，性能更好
第一章
Amdahl定律：
Sn
T0 Tn
1
1Fe
Fe
Se
CPU时间 = IC ×CPI×时钟周期时间 n
= i=1（CPIi×ICi）×时钟周期时间
n
CPI
=
时钟周期数
IC
=
i=（1 CPIICi×ICi）=
n i=（1 CPIi×
IICCi）
MIP 速 S率 CPf1 I 0 6
习题1.7
❖ 对于一台400MHz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：
计算机体系结构课后答案
第五章存储层次5.1名词解释1．存储层次——采用不同的技术实现的存储器，处在离CPU不同距离的层次上，目标是达到离CPU 最近的存储器的速度，最远的存储器的容量。
2．全相联映象——主存中的任一块可以被放置到Cache中任意一个地方。
3．直接映象——主存中的每一块只能被放置到Cache中唯一的一个地方。
4．组相联映象——主存中的每一块可以放置到Cache中唯一的一组中任何一个地方（Cache分成若干组，每组由若干块构成）。
5．替换算法——由于主存中的块比Cache中的块多，所以当要从主存中调一个块到Cache中时，会出现该块所映象到的一组（或一个）Cache块已全部被占用的情况。
这时，需要被迫腾出其中的某一块，以接纳新调入的块。
6．L RU——选择最近最少被访问的块作为被替换的块。
实际实现都是选择最久没有被访问的块作为被替换的块。
7．写直达法——在执行写操作时，不仅把信息写入Cache中相应的块，而且也写入下一级存储器中相应的块。
8．写回法——只把信息写入Cache中相应块，该块只有被替换时，才被写回主存。
9．按写分配法——写失效时，先把所写单元所在的块调入Cache，然后再进行写入。
10．不按写分配法——写失效时，直接写入下一级存储器中，而不把相应的块调入Cache。
11．写合并——在往缓冲器写入地址和数据时，如果缓冲器中存在被修改过的块，就检查其地址，看看本次写入数据的地址是否和缓冲器内某个有效块的地址匹配。
如果匹配，就将新数据与该块合并。
12．命中时间——访问Cache命中时所用的时间。
13．失效率——CPU访存时，在一级存储器中找不到所需信息的概率。
14．失效开销——CPU向二级存储器发出访问请求到把这个数据调入一级存储器所需的时间。
15．强制性失效——当第一次访问一个块时，该块不在Cache中，需要从下一级存储器中调入Cache，这就是强制性失效。
16．容量失效——如果程序在执行时，所需要的块不能全部调入Cache中，则当某些块被替换后又重新被访问，就会产生失效，这种失效就称作容量失效。
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习题3.8（时空图，性能指标）
加法 2∆t ∆t ∆t
1 ∆t
2 ∆t
3
4
5
乘法
习题3.8
5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
如图，在18个∆t时间中，给出了7个结果，所以TP=7/18 ∆t如 果不用流水线，一次求积3 ∆t，一次求和5∆t，则 T=(4*5+3*3) ∆t=29 ∆t, 因此S=29 ∆t/18 ∆t=1.61 E=(4*5+3*3)/5*18=0.322 考虑改为动态，怎么计算
(5)
4.5∆t
5∆t
由上可知，允许不等时间间隔调度的最优调度策 略是(2,2,5)，流水线最大吞吐率为： 1/3∆t。 等时间间隔的调度的最优调度策略是(4)，流水线 最大吞吐率为：1/4∆t。
习题3.10
习题3.11（相关，定向，指令调度）
在改进的DLX流水线(按照图3.12)上运行如下代码序列： LOOP: LW R1, 0(R2) ADDI R1, R1, #1 SW 0(R2), R1 ADDI R2, R2, #4 SUB R4, R3, R2 BNZ R4, LOOP 其中，R3的初始值是R2＋396。假设：在整个代码序列的运行过程中， 所有的存储器访问都是命中的，并且在一个时钟周期中对同一个寄存器 的读操作和写操作可以通过寄存器“定向”。问： （1）在没有任何其它定向硬件的支持下，请画出该指令序列执行的流水 线时空图。假设采用排空流水线的策略处理分支指令，且所有的存储器 访问都可以命中Cache，那么执行上述循环需要多少个时钟周期？ （2）假设该DLX流水线有正常的定向路径，请画出该指令序列执行的流 水线时空图。假设采用预测分支失败的策略处理分支指令，且所有的存 储器访问都可以命中Cache，那么执行上述循环需要多少个时钟周期？ （3）假设该DLX流水线有正常的定向路径，请对该循环中的指令进行调 度。注意可以重新组织指令的顺序，也可以修改指令的操作数，但是不 能增加指令的条数。请画出该指令序列执行的流水线时空图，并计算执 行上述循环需要的时钟周期数？
习题3.10
5 100101 5 2 4 5 2 101111 5
101101
100111
4
习题3.10
（2）由状态转移图可得不发生段争用冲突的调度策略以及 平均延迟时间如下所示。
调度策略 平均延迟时间 调度策略 平均延迟时间
(2,2,5)
(2,5) (4)
3∆t
3.5∆t 4∆t
(4,5)
1
0.3 0.3 f 3 10 [1 (0.3 0.3 f 3 )] 30 20 30
65 f3 0.36 180
p
1
[1 (0.3 0.3 0.2)]T 0.3T 0.3T 0.2T 0.2T 30 20 10 0.2 0.3 0.3 0.2 0.2 30 20 10 0.2 0.6 0.9 1.2 12 60 60 60 60 12 0.82 14.7
指令类型 整数 数据传送 浮点 分支 指令执行数量 45000 75000 8000 1500 平均时钟周期数 1 2 4 2
求该计算机的有效CPI、MIPS和程序执行时间。
解：
CPI ( ICi CPIi ) / IC
CPI 45000 1 75000 2 8000 4 1500 2 1.776 129500
fe Te To (1 f e ) Se
S
1 (1 f e ) fe Se
S
1 (1
i
fi fi ) i Si
习题1.10
f f f S [1 ( f1 f 2 f 3 )] 1 2 3 S1 S 2 S3
HALT
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
结果寄存器 R1 F0 R2 F11 F2 F2 R1 无 F2 R1 无 F2 R1 无
结果值（16进制） 0000000000000003 3fe0000000000000 0000000000000001 0000000000000001 3ff0000000000000 3fe0000000000000 0000000000000002 无 3fd0000000000000 0000000000000001 无 3fc0000000000000 0000000000000000 无
M W B S S S S S S E X M W B S S S E X I D I F M W B E X I D I F M W B S S S S E X I D I F M W B S S S E M W X B S S S I F
采用定向技术消除数据相关
习题3.11（1）
1 LOOP: LW R1 0(R2) IF ADDI R1 R1 #1 SW 0(R2) R1 ADDI R2 R2 #4 SUB R4 R3 R2 BNZ R4 LOOP 2 ID IF 3 EX ID IF 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 1 1 1 1 5 6 7 8 9
习题1.11
解法2： 用Amdahl公式求。记指令总条数=M，时钟周期长度=CYCLE。 原始总时间Told = 0.3M × 5 × CYCLE + 0.7M × 1.25 × CYCLE = M × 2.375 × CYCLE TFP = 0.3M × 5 × CYCLE = M × 1.5 × CYCLE， 所占比例为1.5/2.375 ≈ 63% TFPSQR = 0.04M × 20 × CYCLE = M × 0.8 × CYCLE， 所占比例为0.8/2.375 ≈ 34% 方案1：Se = 20/3，Fe ≈ 34%，Sn1 = 1 / [ (1 - Fe) + Fe / Se ] ≈ 1.4 方案2：Se = 5/3，Fe ≈ 63%，Sn2 = 1 / [ (1 - Fe) + Fe / Se ] ≈ 1.3 结论： 方案1导致加速比更大，性能更好
习题1.11
• 假设浮点数指令FP指令的比例为30%，其中浮点数平方根 FPSQR占全部指令的比例为4%，FP操作的CPI为5， FPSQR操作的CPI为20，其他指令的平均CPI为1.25。 • 现有两种改进方案， 第一种：把FPSQR操作的CPI减至3 第二种：把所有的FP操作的CPI减至3 试比较两种方案对系统性能的提高程度。
习题3.10（单功能非线性流水线调度）
有一个5段流水线，各段执行时间均为∆t，其预约表如下
时间 功能段
1 √
2
3
4
5
6
7 √
S1 S2 S3 S4 S5
√ √ √ √
√
√ √ √
(1)画出流水线任务调度的状态转移图。 (2)分别求出允许不等时间间隔调度和等时间间隔调度的两种 最优调度策略，以及这两种调度策略的流水线最大吞吐率。 (3)若连续输入10个任务，求这两种调度策略的流水线实际吞 吐率和加速比。
习题2.14 双精度浮点数
类型 数符 阶码 尾数 总位数 指数偏移
短实数
长实数
1位
1位
8位
11位
23位
52位
32位
64位
127
1023
0.5的二进制表示：0.1=1.0*(10)^-1 尾数：(1).000„0 阶码：-1+1023=0x3fe 0x3fe0000000000000 1的二进制表示：1.0=1.0*(10)^0 尾数(1).000„0 阶码：0+1023=0x3ff 0x3ff0000000000000
习题2.14（补充）
MIPS指令集。 人工模拟以下MIPS程序的单条指令运行方式，在表中用16进制编码记录每一步 产生的结果（不得借助模拟软件）。 .data n: .word 3 ;n和x是偏移地址 x: .double 0.5 .text LD R1, n(R0) ;R1装入双字3(64位) L.D F0, x(R0) ;F0装入双精度浮点数0.5(64位) DADDI R2, R0, 1 ; R2 ← 1 MTC1 R2, F11 ;把通用寄存器R2中的低32位传送到浮点寄存 器F11的低32位 CVT.D.L F2, F11 ;把F11中的数据转换成双精度浮点数，送给F2。 loop: MUL.D F2, F2, F0 ; F2 ← F2*F0 DADDI R1, R1, -1 ; decrement R1 by 1 BNEZ R1, loop ; if R1≠0 continue HALT ; 此条不填表 ：MIPS浮点数的格式是IEEE754
f 400106 MIPS速率 225.225MIPS CPI 106 1.776106
程序执行时间＝（CPI×IC）/频率f 程序执行时间=（ 45000 1 75000 2 8000 4 1500 2 ）／400=575ns