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文檔簡(jiǎn)介
1、例題1.1 假設(shè)將某一部件的處理速度加快到10倍,該部件的原處理時(shí)間僅為整個(gè)運(yùn)行時(shí)間的40%,則采用加快措施后能使整個(gè)系統(tǒng)的性能提高多少?解答 由題意可知:Fe=0.4, Se=10,根據(jù)Amdahl定律,加速比為:Sn=1/(0.6+0.4/10)=1.56例題1.2 采用哪種實(shí)現(xiàn)技術(shù)來(lái)求浮點(diǎn)數(shù)平方根FPSQR的操作對(duì)系統(tǒng)的性能影響較大。假設(shè)FPSQR操作占整個(gè)測(cè)試程序執(zhí)行時(shí)間的20%。一種實(shí)現(xiàn)方法是采用FPSQR硬件,使FPSQR操作的速度加快到10倍。另一種實(shí)現(xiàn)方法是使所有浮點(diǎn)數(shù)據(jù)指令的速度加快,使FP指令的速度加快到2倍,還假設(shè)FP指令占整個(gè)執(zhí)行時(shí)間的50%。請(qǐng)比較這兩種設(shè)計(jì)方案。解答
2、 分別計(jì)算出這兩種設(shè)計(jì)方案所能得到的加速比:例題1.2解答 =(4*25%)+(1.33*75%)=2.0方案1:CPI1=CPI原-2%*(CPI老1-CPI新1)=2.0-2%*(20-2)=1.64方案2:CPI2=CPI原-25%*(CPI老2-CPI新2)=2.0-25%*(4-2)=1.5方案2的加速比=CPU時(shí)間原/CPU時(shí)間2=IC*時(shí)鐘周期*CPI原 / IC*時(shí)鐘周期*CPI2=2/1.5=1.33習(xí)題1.17 假設(shè)高速緩存Cache工作速度為主存的5倍,且Cache被訪問(wèn)命中的概率為90%,則采用Cache后,能使整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)獲得多高的加速比Sp?解答 我們首先對(duì)新的存儲(chǔ)
3、系統(tǒng)的性能做以下的假設(shè):在Cache不命中的情況下,對(duì)Cache的訪問(wèn)不會(huì)額外損失時(shí)間,即:首先,決定Cache是否命中所用的時(shí)間可以忽略;其次,在從主存向Cache傳輸?shù)耐瑫r(shí),數(shù)據(jù)也被傳輸給使用部件(不需要再?gòu)腃ache中讀取)。這樣,新的存儲(chǔ)系統(tǒng)中,平均存取時(shí)間分為兩個(gè)部分:其中,R表示各種情況所占的比例。根據(jù)加速比的計(jì)算公式,習(xí)題1.19 解答 CPICPIiIi/Ic45000/105(320002)/105(150002)/105(80002)/1051.55 MIPS (40 106)/(1.55 106) 25.8MIPS Te 105/(25.8 106) 3.88ms習(xí)題1.
4、20 某工作站采用時(shí)鐘頻率為15MHz、處理速率為10MIPS的處理機(jī)來(lái)執(zhí)行一個(gè)已知混合程序。假定每次存儲(chǔ)器存取為1周期延遲、試問(wèn):(1)此計(jì)算機(jī)的有效CPI是多少?(2) 假定將處理機(jī)的時(shí)鐘提高到30MHz,但存儲(chǔ)器子系統(tǒng)速率不變。這樣,每次存儲(chǔ)器存取需要兩個(gè)時(shí)鐘周期。如果30%指令每條只需要一次存儲(chǔ)存取,而另外5%每條需要兩次存儲(chǔ)存取,還假定已知混合程序的指令數(shù)不變,并與原工作站兼容,試求改進(jìn)后的處理機(jī)性能。解答(1)由MIPS = 時(shí)鐘頻率/(CPI106), 則有:CPIA =時(shí)鐘頻率/(MIPS106)= 1.5。(2)當(dāng)時(shí)鐘頻率為15MHZ時(shí),假設(shè)不進(jìn)行存儲(chǔ)操作指令的CPI為x,則
5、要進(jìn)行一次存儲(chǔ)操作指令的CPI為1+ x,要進(jìn)行二次存儲(chǔ)操作指令的CPI為2+ x,因此有:1.5 = x65% + (1+ x)30% + (2+ x)5%解得x = 1.1當(dāng)時(shí)鐘頻率為30MHZ時(shí),不進(jìn)行存儲(chǔ)操作指令的CPI不變?yōu)?.1,要進(jìn)行一次存儲(chǔ)操作指令的CPI為2+ x = 3.1,要進(jìn)行二次存儲(chǔ)操作指令的CPI為4+ x = 5.1,因此平均CPI為:CPIB = 1.165% + 3.130% + 5.15% = 1.9所以 MIPSB = 時(shí)鐘頻率/(CPIB106)=(30106)/(1.9106)= 15.8習(xí)題2.13 一個(gè)處理機(jī)共有10條指令,各指令在程序中出現(xiàn)的概率
6、如下表:指令信號(hào) 出現(xiàn)概率 Huffman編砝碼 2/8擴(kuò)展編砝碼 3/7擴(kuò)展編砝碼 1 0.25 0.20 3 0.15 4 0.10 5一個(gè)處理機(jī)共有10條指令,各指令在程序中出現(xiàn)的概率如下表:指令信號(hào) 出現(xiàn)概率 Huffman編砝碼 2/8擴(kuò)展編砝碼 3/7擴(kuò)展編砝碼1 0.252 0.203 0.154 0.105 0.086 0.0870.058 0.049 0.03100.02(1) 采用最優(yōu)Huffman編碼法(信息熵)計(jì)算這10條指令的操作碼最短平均長(zhǎng)度。(2) 采用Huffman編碼法編寫(xiě)這10條指令的操作碼,并計(jì)算操作碼的平均長(zhǎng)度,計(jì)算與最優(yōu)Huffman編碼法(信息熵)相
7、比的操作碼信息冗余量。將得到的操作碼編碼和計(jì)算的結(jié)果填入上面的表中。(3) 采用2/8擴(kuò)展編碼法編寫(xiě)這10條指令的操作碼,并計(jì)算操作碼的平均長(zhǎng)度,計(jì)算與最優(yōu)Huffman編碼法相比的操作碼信息冗余量。把得到的操作碼編碼和計(jì)算的結(jié)果填入上面的表中。(4) 采用3/7擴(kuò)展編碼法編寫(xiě)這10條指令的操作碼,并計(jì)算操作碼的平均長(zhǎng)度,計(jì)算與最優(yōu)Huffman編碼法相比的操作碼信息冗余量。把得到的操作碼編碼和計(jì)算的結(jié)果填入上面的表中。解答習(xí)題2.14一臺(tái)模型機(jī)共有7條指令,各指令的使用頻度分別是35、25、20、10、5、3、2,有8個(gè)通用數(shù)據(jù)寄存器,2個(gè)變址寄存器。(1)要求操作碼的平均長(zhǎng)度最短,請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)操
8、作碼的編碼,并計(jì)算所設(shè)計(jì)操作碼的平均長(zhǎng)度。(2)設(shè)計(jì)8位字長(zhǎng)的寄存器寄存器型指令3條,16位字長(zhǎng)的寄存器存儲(chǔ)器型變址尋址方式指令4條,變址范圍不小于正、負(fù)127。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)指令格式,并給出各字段的長(zhǎng)度和操作碼的編碼。解答習(xí)題2.15某處理機(jī)的指令字長(zhǎng)為16位,有雙地址指令、單地址指令和零地址指令三類(lèi),并假設(shè)每個(gè)地址字段的長(zhǎng)度均為6位。(1)如果雙地址指令有15條,單地址指令和零地址指令的條數(shù)基本相同,問(wèn)單地址指令和零地址指令各有多少條?并且為這三類(lèi)指令分配操作碼。(2)如果要求三類(lèi)指令的比例大致為1:9:9,問(wèn)雙地址指令、單地址指令和零地址指令各有多少條?并且為這三類(lèi)指令分配操作碼。解答(1) 雙
9、地址指令格式為:466操作碼地址碼1地址碼2單地址指令格式為:106操作碼地址碼零地址指令格式為:16操作碼雙地址指令15條,操作碼為:00001110;單地址指令26-1=63條,操作碼為:11110000001111111110零地址指令26=64條,操作碼為:11111111110000001111111111111111(2)雙地址指令14條,地址碼:00001101;單地址指令26*2-2 = 126條,1110 0000001110 111110,1111 0000001111 111110;零地址指令128條1111 111111 0000001111 111111 111111
10、。習(xí)題3.1 什么是存儲(chǔ)系統(tǒng)?對(duì)于一個(gè)由兩個(gè)存儲(chǔ)器M1和M2構(gòu)成的存儲(chǔ)系統(tǒng),假設(shè)M1的命中率為h,兩個(gè)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量分別為s1和s2,存取時(shí)間分別為t1和t2,每千字節(jié)的成本分別為c1和c2。在什么條件下,整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)的每千字節(jié)平均成本會(huì)接近于c2?該存儲(chǔ)系統(tǒng)的等效存取時(shí)間ta是多少?假設(shè)兩層存儲(chǔ)器的速度比r=t2/t1,并令e=t1/ta為存儲(chǔ)系統(tǒng)的訪問(wèn)效率。試以r和命中率h來(lái)表示訪問(wèn)效率e。如果r=100,為使訪問(wèn)效率e0.95,要求命中率h是多少?對(duì)于中的命中率實(shí)際上很難達(dá)到,假設(shè)實(shí)際的命中率只能達(dá)到0.96?,F(xiàn)在采用一種緩沖技術(shù)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。當(dāng)訪問(wèn)M1不命中時(shí),把包括被訪問(wèn)數(shù)據(jù)在內(nèi)
11、的一個(gè)數(shù)據(jù)塊都從M2取到M1中,并假設(shè)被取到M1中的每個(gè)數(shù)據(jù)平均可以被重復(fù)訪問(wèn)5次。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)緩沖深度(即每次從M2取到M1中的數(shù)據(jù)塊的大小)。解答習(xí)題3.3 要求完成一個(gè)兩層存儲(chǔ)系統(tǒng)的容量設(shè)計(jì)。第一層M1是Cache,其容量有三種選擇:64KB、128KB和256KB,它們的命中率分別為0.7、0.9和0.98;第二層M2是主存儲(chǔ)器,其容量為4MB。并設(shè)兩個(gè)存儲(chǔ)器的存取時(shí)間分別為t1和t2,每千字節(jié)的成本分別為c1和c2。如果c1=20c2和t2=10t1。在t1=20ns的條件下,分別計(jì)算三種存儲(chǔ)系統(tǒng)的等效存取時(shí)間。如果c2=0.2美元/KB,分別計(jì)算三種存儲(chǔ)系統(tǒng)每千字節(jié)的平均成本。對(duì)三種存儲(chǔ)
12、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)作一個(gè)比較,并分別按平均成本和等效存取時(shí)間指出它們性能的排列次序。根據(jù)等效存取時(shí)間和平均成本的乘積,選擇最優(yōu)的設(shè)計(jì)。解答(1) t = ht1 + (1 h)t2, 當(dāng)cache為64k時(shí), t = 0.7*20ns + (1-0.7)*200ns = 74ns;當(dāng)cache=128k 時(shí), t=38ns;當(dāng)cache=256k時(shí), t=23.6ns(2) 按照公式: cache=64k, c=0.2585美元/k字節(jié); cache=128k, c=0.3152美元/k字節(jié);cache=256k,c=0.4235美元/k字節(jié)(3) 按等效訪問(wèn)時(shí)間由小到大排序,容量分別為:256k,1
13、28k,64k按每字節(jié)平均價(jià)格由小到大排序,分別為:64k, 128k, 256k(4) 19.129 ns.美元/k字節(jié) ;11.9776 ns.美元/k字節(jié); 9.9946 ns.美元/k字節(jié);選256k的cache最優(yōu)習(xí)題3.7 有16個(gè)存儲(chǔ)器模塊,每個(gè)模塊的容量為4M字節(jié),字長(zhǎng)為32位。現(xiàn)在要用這16個(gè)存儲(chǔ)器模塊構(gòu)成一個(gè)主存儲(chǔ)器,有如下幾種組織方式:方式1:16個(gè)存儲(chǔ)器模塊采用高位交叉方式構(gòu)成存儲(chǔ)器。方式2:16個(gè)存儲(chǔ)器模塊構(gòu)成并行訪問(wèn)存儲(chǔ)器。方式3:16個(gè)存儲(chǔ)器模塊采用低位交叉方式構(gòu)成存儲(chǔ)器。方式4:2路高位交叉8路低位交叉構(gòu)成存儲(chǔ)器。方式5:4路高位交叉4路低位交叉構(gòu)成存儲(chǔ)器。方式
14、6:4路并行訪問(wèn)4路低位交叉構(gòu)成存儲(chǔ)器。寫(xiě)出各種存儲(chǔ)器的地址格式。比較各種存儲(chǔ)器的優(yōu)缺點(diǎn)。不考慮訪問(wèn)沖突,計(jì)算各種存儲(chǔ)器的頻帶寬度。畫(huà)出各種存儲(chǔ)器的邏輯示意圖。解答(1) 主存地址格式:區(qū)號(hào)E區(qū)內(nèi)組號(hào)G組內(nèi)塊號(hào)B塊內(nèi)地址W1114(2) Cache地址格式:組號(hào)組內(nèi)塊號(hào)塊內(nèi)地址114(3) 主存與Cache中各個(gè)塊的映象對(duì)應(yīng)關(guān)系:(4) Cache的塊地址流情況:B6 B2 B4 B1 B4 B6 B3 B0 B4 B5 B7 B3C2 C3 C0 C1 C0 C2 C3 C1 C0 C1 C2 C3(5) FIFO中Cache的塊命中率:3/1225%(6) LFU中Cache的塊命中率:4
15、/1233.3%(7) 改為全相聯(lián)映象后:FIFO中塊命中率: 4/1233.3%LFU中塊命中率: 3/1225%(8) 這時(shí)Cache的命中率:18/(1612)95.8%習(xí)題5.8 用一條5個(gè)功能段的浮點(diǎn)加法器流水線計(jì)算F 。每個(gè)功能段的延遲時(shí)間均相等,流水線的輸出端與輸入端之間有直接數(shù)據(jù)通路,而且設(shè)置有足夠的緩沖寄存器。要求用盡可能短的時(shí)間完成計(jì)算,畫(huà)出流水線時(shí)空?qǐng)D,計(jì)算流水線的實(shí)際吞吐率、加速比和效率。解答123456789123456789123456789123456789123456789123456789101112131415161718192121吞吐率:加速比:S=9*5/21=15/7效率:習(xí)題5.11 一條有4個(gè)功能段的非線性流水線,每個(gè)功能段的延遲時(shí)間都相等,都為20ns,它的預(yù)約表如下:(1)寫(xiě)出流水線的禁止集合和初始沖突向量。畫(huà)出調(diào)度流水線的狀態(tài)圖。求流水線的最小啟動(dòng)循環(huán)
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