12系统结构答案.ppt

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1、11.模模拟a.用用软件方法在一台件方法在一台现有的有的计算机上算机上实现另一台另一台计算机的指算机的指令系令系统b.指在一个厂家内生指在一个厂家内生产的具有相同的系的具有相同的系统结构，但具有不构，但具有不同同组成和成和实现的一系列不同型号的机器的一系列不同型号的机器2.仿真仿真a.用微程序直接解用微程序直接解释另一种机器指令系另一种机器指令系统的方法的方法b.每条指令的平均每条指令的平均时钟周期数周期数3.MIPSa.它表示每秒百万指令条数它表示每秒百万指令条数b.每秒百万次浮点操作次数每秒百万次浮点操作次数4.MFLOPSa.每秒百万次浮点操作次数每秒百万次浮点操作次数b.计算机算机组成

2、是成是计算机系算机系统结构的构的逻辑实现课课堂堂作作业（一）单选题业（一）单选题21.想在系列机中发展一种新型号机器，你想在系列机中发展一种新型号机器，你认为将认为将CPU与主存之间的数据通路宽度与主存之间的数据通路宽度由由16位扩到位扩到32位，以加快主机内部信息位，以加快主机内部信息的传送。可以考虑的，还是不行的？为的传送。可以考虑的，还是不行的？为什么？什么？可以。只是提高了数据传输的速度。可以。只是提高了数据传输的速度。课课堂堂作作业（二）业（二）31.假定我们将某一执行部件改进后速度假定我们将某一执行部件改进后速度提高提高10倍。倍。改进后改进后被改进部件执行时被改进部件执行时间占系

3、统总运行时间的间占系统总运行时间的50%。则改进。则改进后，获得的加速比后，获得的加速比Sp是多少？是多少？解：解：Se=10，Fe=0.5Sp=1/（1-0.5）+0.5/10=1.82答：获得的加速比答：获得的加速比Sp是是1.82。课课堂堂作作业（三）业（三）41.假定我们将某一执行部件改进后速度提高假定我们将某一执行部件改进后速度提高10倍。倍。改进后改进后被改进部件执行时间占系统被改进部件执行时间占系统总运行时间的总运行时间的50%。则改进后，获得的加。则改进后，获得的加速比速比Sp是多少？是多少？解：解：改进后改进后被改进部件执行时间为被改进部件执行时间为t1,则则改改进后不能进后

4、不能被改进部件执行时间为被改进部件执行时间为t2=t1/(50%)-t1=t1.T0=t1+10t1=11t1Tn=t1+t1=2t1Sp=T0/Tn=11t1/2t1=5.5答：获得的加速比答：获得的加速比Sp是是5.5。课课堂堂作作业（三）业（三）5在尾数采用补码、小数表示且在尾数采用补码、小数表示且p=6，阶码采用移码、整数表，阶码采用移码、整数表示且示且q=6，尾数基，尾数基rm为为16，阶码基，阶码基re为为2的情况下：的情况下：(1)最大尾数为：最大尾数为：1rm-p116-6，0.FFFFFF(2)最小正尾数为：最小正尾数为：1/rm1/16，0.100000(3)最小尾数为：最

5、小尾数为：-1，1.000000(4)最大负尾数为：最大负尾数为：-(rm-1+rm-p)(16-1+16-6)，1.EFFFFF(5)最大阶码为：最大阶码为：req126163，7F，包括符号位共，包括符号位共7个个1(6)最小阶码为：最小阶码为：-req-26-64，00，包括符号位共，包括符号位共7个个0(7)最大正数为：最大正数为：(116-6)1663，7FFFFFFF(8)最小正数为：最小正数为：16-65，00100000(9)最大负数为：最大负数为：-(16-1+16-6)16-64，80EFFFFF(10)最小负数为：最小负数为：-1663，FF000000(11)浮点零为：

6、浮点零为：00000000(12)表数精度为：表数精度为：16-5/22-21(13)表数效率为：表数效率为：15/1693.75(14)能表示的规格化浮点数个数为：能表示的规格化浮点数个数为：21516527+1课课堂堂作作业（四、五、六）业（四、五、六）6证明：在浮点数的字长和表数范围一定时，尾数基值证明：在浮点数的字长和表数范围一定时，尾数基值rm取取2或或4具有最高的表精度。具有最高的表精度。(见教案见教案）假设有两种表示方式假设有两种表示方式F1和和F2，它们二进制字长相同，尾数，它们二进制字长相同，尾数都用原码或补码、小数表示，阶码都移码、整数表示，都用原码或补码、小数表示，阶码都

7、移码、整数表示，阶码的基值均为阶码的基值均为2，尾数基值不同。，尾数基值不同。浮点数表示方式浮点数表示方式F1：rm1=2,p1,q1,二进制字长：二进制字长：L1=p1+q1+2浮点数表示方式浮点数表示方式F2：rm1=2k,p2,q2,二进制字长：二进制字长：L2=kp2+q2+2由于由于F1和和F2二进制字长相同，即二进制字长相同，即L1=L2，得，得p1+q1=kp2+q2（1）F1的表数范围是：的表数范围是：F2的表数范围是：的表数范围是：课课堂堂作作业（六业（六*）7课课堂堂作作业（六业（六*）两边取以两边取以2为底的对数得为底的对数得:q1=q2+log2k(2)(2.2)代入代

8、入(2.1)得：得：p1+q2+log2k=kp2+q2化简得到：化简得到：p1=kp2-log2k(2.3)F1的表示数精度是：的表示数精度是：(2.4)把把(2.3)代入代入(2.4)得到：得到：F2的表示数精度是：的表示数精度是：取取F2与与F1表示数精度的比值：表示数精度的比值：(2.5)只有只有k=1(rm=2)或或k=2(rm=4)时，比值时，比值T=1结论结论1：在字长和表数范围一定时，尾数基值：在字长和表数范围一定时，尾数基值rm取取2或或4，浮点数具有最高的表精度。浮点数具有最高的表精度。8操作码：00，01，10，110，1110，11110，11111平均长度：H=2.3

9、50.350.250.200.100.050.020.030.050.100.200.401.000000001111110.60课课堂堂作作业（七）业（七）9寄存器-寄存器：每个R为3位，共8位00RR;01RR10RR寄存器-存储器:R为为3位，位，X为为1位，位，A变址变址量为量为8(127)，共，共16位。位。1100RXA（变址寄存器两个只要1位）1101RXA（变址量127需要8位）1110RXA1111RXA课课堂堂作作业（八）业（八）10课课堂堂作作业（十）业（十）1、2-4-6扩展编码方法的最短码长是（扩展编码方法的最短码长是（2）位，最长码长是（）位，最长码长是（6）位。最

10、多）位。最多可编码的码点数为（可编码的码点数为（46）个。）个。同学们的答案有：同学们的答案有：276、10、84、82（5人）人）、32、21、62、66、40、41、44、63（6人）人）、60、16、81、36、22、64（8人）、人）、61、46（3人）人）2008年年10月月4日日11Pentium5CPU主频为主频为3G，假设满负荷，假设满负荷情况下，输出输入设备需要输入输出情况下，输出输入设备需要输入输出1GW/s，一条指令平均需要两个数据，内存频率为，一条指令平均需要两个数据，内存频率为1333MHz，请你计算，请你计算CPU与存储器提供数据与存储器提供数据和指令速度平衡吗？相

11、差多少倍？和指令速度平衡吗？相差多少倍？解：CPU主频为主频为3G，即每秒需要，即每秒需要3*5=15GW指令，那么数据需要指令，那么数据需要15G*2=30GW，输入输，输入输出数据出数据1GW，三项和为，三项和为46GW。相差倍数相差倍数=46*1000/1333=34倍。倍。CPU与与存储器提供数据和指令速度是不平衡的。存储器提供数据和指令速度是不平衡的。课课堂堂作作业（十）业（十）121、请回答下列问题:在许多早期处理机中,为什么采用微程序设计方法?为什么现代处理机较少采用该方法?答:早期主要是微程序设计方法允许少量硬件实现较复杂指令。现代可用硬件增多，CISC指令减少，这样在硬件中直

12、接实现指令。2、按Cache地址映像的块冲突概率从高到低的顺序是().A、全相联映像、直接映像、组相联映像B、组相联映像、直接映像、全相联映像C、直接映像、组相联映像、全相联映像(OK)D、全相联映像、组相联映像、直接映像课课堂堂作作业（十）业（十）13一、对于一个采用组相联映象方式和一、对于一个采用组相联映象方式和FIFO替换算法的替换算法的Cache，发现它的等效访问时间太长；为此，提出如下改进建议：发现它的等效访问时间太长；为此，提出如下改进建议：(1)增大主存的容量。增大主存的容量。基本无关基本无关(2)提高主存的速度。提高主存的速度。能够减小等效访问时间，能够减小等效访问时间，T=T

13、CH+TM(1-H)，通过减，通过减小小TM能够减小能够减小T。(3)增大增大Cache的容量。的容量。当当Cache比较小时，增大比较小时，增大Cache对减小等效访问时间对减小等效访问时间效果明显；当效果明显；当Cache容量达到一定程度时，效果逐渐不明容量达到一定程度时，效果逐渐不明显。显。(4)Cache的总容量和块大小不变，增大组的大小。的总容量和块大小不变，增大组的大小。有一个极大值，在这个极大值点，等效访问时间最小。有一个极大值，在这个极大值点，等效访问时间最小。课课堂堂作作业（十一）业（十一）141、不属于堆栈算法的是()A、FIFO算法B、LFU算法C、OPT算法D、LRU算

14、法2、与虚拟存储器的等效访问速度无关的是（）A、访存页地址流B、页面替换算法C、主存的容量D、辅存的容量答案答案:1、A；2、D（请（请计算机四班计算机四班的同学，将本题答案写在纸条上，下课后交的同学，将本题答案写在纸条上，下课后交到讲台上，并写好班级、学号、姓名，）到讲台上，并写好班级、学号、姓名，）2005.4.15课课堂堂作作业（十二）业（十二）15一、对于一个采用组相联映象方式和一、对于一个采用组相联映象方式和FIFO替换算法的替换算法的Cache，发现它的等效访问时间太长；为此，提出如下改进建，发现它的等效访问时间太长；为此，提出如下改进建议：议：(1)Cache的总容量和组大小不变

15、，增大块的大小。的总容量和组大小不变，增大块的大小。有一个极大值，在这个极大值点，等效访问时间最小。有一个极大值，在这个极大值点，等效访问时间最小。(2)提高提高Cache的速度。的速度。能够减小等效访问时间，能够减小等效访问时间，T=TCH+TM(1-H)，效果明，效果明(3)Cache的总容量和块大小不变，增加组数。的总容量和块大小不变，增加组数。当组数不是很多时，等效访问时间的变化不大，当组当组数不是很多时，等效访问时间的变化不大，当组数超过某一值时，等效访问时间将明显增加。数超过某一值时，等效访问时间将明显增加。(4)替换算法由替换算法由FIFO改为改为LFU。能够提高命中率，因此，能

16、够减小等效访问时间。能够提高命中率，因此，能够减小等效访问时间。课课堂堂作作业（十三）业（十三）16课课堂堂作作业（十六）业（十六）解：禁止表解：禁止表F=3、冲突向量冲突向量C=（100）状态图如右图所示：状态图如右图所示：简单循环：简单循环：(4),(2),(2,4),(1,4),(1,1,4);迫切循环：迫切循环：(1,1,4),(2);最佳恒定等待时间循环最佳恒定等待时间循环:(2);最小平均等待延迟最小平均等待延迟MAL=2;因为因为MAL=2，所以该流水线的吞吐率，所以该流水线的吞吐率17课课堂堂作作业（十七）业（十七）(1)乘法操作用到的流水段有：乘法操作用到的流水段有：S1、S

17、4、S5、S6；加法操作用到的流；加法操作用到的流水段有：水段有：S1、S2、S3、S6。以最快的方式处理的流水线时空图如。以最快的方式处理的流水线时空图如图所示：图所示：(2)A部分所处理的是B部分所处理的是C部分所处理的是18整个处理过程共需22个时钟周期。而进行了14次不同的运算，所以其实际吞吐率为：这些运算串行处理所需要的时钟周期为56个时钟周期，所以其加速比和效率分别为：课课堂堂作作业（十七续）业（十七续）19试以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。计算机系统结构作为一门学科，主要是研究软件，硬件功能分配和对软件、硬件界面的确定，即哪些功能由软件完成，哪些功

18、能由硬件完成。计算机系统结构，计算机组成和计算机实现是三个不同的概念。计算机系统结构是计算机系统的软硬件的界面；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。20课课堂堂作作业（四）业（四）一台模型机共有7条指令，有8个通用数据寄存器，2个变址寄存器。设计8位字长的寄存器-寄存器型指令3条，16位字长的寄存器-存储器型变址寻址方式指令4条，变址范围不小于正、负127。请设计指令格式，并给出各字段的长度和操作码的编码。(请请计算机计算机1班班的同学，将本题答案写在纸的同学，将本题答案写在纸条上，下课后交到讲台上，并写好班级、条上，下课后交到讲台上，并写好班级、学号、姓名

19、）学号、姓名）2007.4.4用几bit来表示?用几bit来表示?用几bit来表示?要符合扩展编码规则21（1）D1D2D3D4D5D5D4D3D2D1（2）D1D2D3D4D5D1D2D3D5D4用户程序1234512345课堂作业课堂作业21第第1问答案问答案D1、D2、D3、D4、D5同时申同时申请，响应最高请，响应最高D1，正常屏蔽码全，正常屏蔽码全部开放，过第部开放，过第1次开门时间，响应次开门时间，响应没有响应中断最高级没有响应中断最高级D2，以后类，以后类推。推。D5执行完，返回原来中断程序执行完，返回原来中断程序D4并执行完，以后类推。并执行完，以后类推。22用户程序12345

20、12345（2）D1D2D3D4D5D1D2D3D5D4课堂作业课堂作业21第第1问答案问答案D1、D2、D3、D4、D5同时申同时申请，响应最高请，响应最高D1，改变后屏蔽码，改变后屏蔽码D1开放，其余屏蔽，没有新的开放，其余屏蔽，没有新的D1，将，将D1执行完。执行完。D2、D3以后类推。以后类推。只有只有D4、D5没有响应，没有响应，响应最高中断响应最高中断D4，屏蔽，屏蔽码码5开放，过第一次开开放，过第一次开门时间，响应门时间，响应D52312345用户程序12345错错!24响应最高中断响应最高中断D312345用户程序用户程序12345D3过过3个单位时间个单位时间,D1、D2同时

21、申请，屏蔽码同时申请，屏蔽码1、3开放，响应开放，响应D1中断中断D1执行执行,屏蔽码屏蔽码1开放，没开放，没有新有新D1中断，将中断，将D1执行完执行完D3执行完执行完,返回执行主程返回执行主程序，还有序，还有D2、D4、D5没没有执行，选择最高有执行，选择最高D2响响应，屏蔽码应，屏蔽码4、5是禁止，是禁止，将将D2执行完执行完D1执行完，返回执行执行完，返回执行D3，屏蔽码屏蔽码1、3开放，没有新开放，没有新D1、D3中断将中断将D3执行完。执行完。只有只有D4、D5没有响应，响应最高没有响应，响应最高中断中断D4，屏蔽码，屏蔽码5开放，过第一次开放，过第一次开门时间，响应开门时间，响应

22、D5课堂作业课堂作业21第第2问答案问答案25解：t=10ns=10-8秒(1)F=1，2，5，C=(10011)(2)状态转移图如下图所示。100113，4，*6(3)最小启动循环=（3）,最小平均启动距离=3t。(4)插入2个延迟，最小启动循环=（2）,最小平均启动距离=2t。26计算峰值1、10台NF190D服务器理论值：10（节点个数）*2（2个CPU/服务器）*2（双核/CPU）*2（一个时钟周期2个浮点运算）*1.6（主频）=128Gflops2、2台SP2200服务器理论值：2（节点个数）*2（2个CPU/服务器）*2（双核（双核/CPU）*4（一个时钟周期4个浮点运算）*1.4（主频）=44.8Gflops271234567s1XXs2XXs3Xs4XXDX(5)新预约表如下表所示。28(6)F=2，6，C=(100010)，状态转移图如下图所示。(7)插入前TPmax=1/3t=1/30ns，插入后TPmax=1/2t=1/20ns。(8)插入前TP=10/33t=1/33ns，插入后TP=10/25t=1/25ns。