计算机系统结构.docx
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计算机系统结构
计算机系统结构
计算机系统结构作业1
第1章计算机系统结构的基本概念
一、解释下列术语：
计算机系统结构；计算机组成；计算机实现；透明性；系列机；软件兼容；兼容机；模拟；仿真；虚拟机；宿主机；Amdahl定律；CPI；MIPS；MFLOPS。
【答案】
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。
系统结构定义为由程序设计者所看到的一个计算机系统的属性，即概念性结构和功能特性，这里的程序设计者所看到的计算机属性是指为机器语言或编译程序设计者所看到的计算机属性，是硬件子系统的概念性结构及其功能特性，它是计算机系统的软、硬件的界面。
计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器内部的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。
计算机实现是指计算机组成的物理实现。
透明性：
在计算机技术中，一种本来是存在的事物或属性，但从某种角度看似乎不存在，成为透明性现象。
所谓系列机是指在一个厂家内生产的具有相同的系统结构，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。
不同公司厂家生产的具有相同系统结构的计算机称为兼容机。
软件兼容：
在新的计算机系统出台后，原先已开发的软件仍能继续在升档换代的新型号机器上使用，这就是软件兼容。
系列机方法能够在具有相同系统结构的各种机器之间实现软件移植，为了实现软件在不同系统结构的机器之间的相互移植，可以采用模拟和仿真。
模拟方法是指用软件方法在一台现有的计算机上实现另一台计算机的指令系统。
仿真是指用微程序直接解释另一种机器指令系统的方法。
虚拟机是被模拟的机器；宿主机是进行模拟的机器。
Amdahl定律：
系统中某一部件由于采用某种更快的执行方式后整个系统性能的提高与这种执行方式的使用频率或占总执行时间的比例有关。
Fe=（改进前可改进部分占用的时间）/（改进前整个任务的执行时间）
Se=（改进前可改进部分的执行时间）/（改进后改进部分的执行时间）
则，改进后整个系统加速比为。
每条指令平均时钟周期数
CPI=CPU时钟周期数/IC（指令的条数）=
其中=指令i在程序中执行的次数
MIPS==
MFLOPS=
二、硬件和软件在什么意义上是等效的？
在什么意义上是不等效的？
试举例说明。
【答案】
二者在功能上是等效的，实现方式上不等效。
比如完成浮点乘法，可以通过硬件逻辑电路实现，也可以通过软件编程实现。
三、假设高速缓存Cache工作速度为主存的5倍，且Cache桩访问命中的概率为90％，则采用Cache后，能便整个存储系统获得多高的加速比SP？
【答案】
Speedup==3.57
第2章指令系统
一、一种浮点数表示方式的精度不低于10－19,能表示的最大的正数不小于104000,而且正负数对称。
尾数用原码小数表示，阶码用移码整数表示，尾数和阶码的基值都是2。
设计这种浮点数的格式。
【答案】
1位1位14位64位
符号阶符阶码尾数
二、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-127~+127之间。
设计指令格式，给出各字段的长度和操作码。
【答案】
寄存器—寄存器型指令3条，格式如下：
|操作码2位|源寄存器3位|目的寄存器3位|
操作码分别为：
00.01.10
寄存器—存储器型变址寻址方式指令4条,格式如下：
|操作码4位|通用寄存器3位|变址寄存器1位|偏移地址8位|
操作码分别为：
1100.1101.1110.1111
三、某工作站采用时钟频率f为15MHz，处理速率为10MIPS的处理机来执行一个已知混合程序。
假定每次存储器存取为1周期延迟。
如果假定将处理机的时钟频率f提高到30MHz，但存储器子系统速率不变。
这样，每次存储器存取需要两个时钟周期，如果30％指令每条只需要一次存储存取，而另外5%每条需要两次存储存取，还假定已知混合程序的指令数不变，并与原工作站兼容，试求改进后的处理机性能。
【答案】
如题所述，30％的指令需要一次存储存取，则这些指令在处理器提高时钟频率之后需要增加一个时钟周期；同样，另外5％的指令需要增加两个时钟周期。
CPInew=（改进前执行混合程序的所需时钟周期数+
30%×1×指令数+5%×2×指令数）/指令数
=改进前有效CPI+30%×1+5%×2
=1.5+0.3+0.1=1.9
处理速率MIPS=fnew/（CPInew×106）=30×106/（1.9×106）=15.79MIPS
假设混合程序的指令数为IC,则有
可见,改进后工作站性能提高了。
四、试解释指令系统的编译器技术、CPU实现和控制、高速缓存和存储器层次结构如何影响CPU性能，并根据程序长度、时钟速率和有效CPI来说明其影响。
【答案】
CPU的性能取决于三个方面：
时钟频率、每条指令所花的时钟周期数和指令的条数。
CPU时间=（IC×CPI）/时钟频率
指令系统越丰富则对相同的程序，产生的指令数就越少，即减少IC的总数，从而减少CPU时间，提高CPU的性能。
同样编译技术越先进，可减少产生多余的指令，减少指令的条数，从而提高CPU的性能。
时钟速度高即时钟的频率高，由上式显然提高CPU的性能。
CPU实现和控制，高速缓存和存储器的层次结构都能影响 CPI的值。
从而影响 CPU的性能。
五、在某个程序中，简单指令占80％，复杂指令占20％。
在CISC机中简单指令执行需4个机器周期，复杂指令执行需8个周期。
在RISC机中简单指令执行只需1个周期，而复杂指令要通过一串指令来实现。
假定每条复杂指令平均需要14条简单指令，即需要14个周期，若该程序中需执行的总指令数为1000000，TC为l00ns，那么：
1．RISC机需执行的指令数为多少？
2.CISC和RISC机的CPU时间分别为多少？
3．RISC机对CISC机的加速比为多少？
【答案】
（1）1e6*80%*1+1e6*20%*14=36e6
（2）0.48s0.36s
（3）1.33
计算机系统结构作业2
第3章存储系统
一、试解释以下与高速缓存结构有关的术语：
1．低位存储器交叉存取；
2．物理地址与虚拟地址高速缓存的比较；
3．原子与非原子存储器存取的比较；
4．存储器带宽。
【答案】
1.用存储器地址的低位指明存储模块，而高位用于指明模块内的字地址（位移）；
2.物理地址高速缓存用物理地址对高速缓存进行访问，而虚拟地址高速缓存利用虚拟地址访问，前者不需缓存冲洗，没有别名问题，后者效率高，存取快；
3.如果存储器更新时为所有处理机所知道，那么这就是原子共享存储器访问。
所以原子存储器成为顺序的充要条件是所有相连的访问执行都有保持各个程序的次序。
而在非原子存储访问的多处理机中，遵守各自的程序次序并不是顺序一致性的充分条件；
4.存储器带宽为存储器在连续访问时的数据吞吐速率。
带宽的单位通常是每秒钟传送的位数或字节数。
二、试比较四种高速缓存组织的优缺点
1．直接映射高速缓存；
2．全联想高速缓存；
3．组联想高速缓存；
4．区段映射高速缓存。
【答案】
1.直接映射的优点在于硬件比较简单，不需要相联查找，不需要页面替换算法，因而成本较低且速度较高。
缺点是命中率较低，而且它还禁止并行虚拟地址转换。
2.全相联的优点是提供最大的灵活性，可以实现较好的块替换策略，以减少块的冲突。
缺点是检索过程昂贵，需要的硬件成本比较高。
3.组相联可以提供较好的性能价格比，替换策略可以更加经济地实现，相联检索实现容易，设计灵活可以获得更高的高速缓存的命中率。
4.区段映射的优点在于，实现各种块替换算法比较灵活和对有限数量区段标记完成全相联检索比较经济。
三、假定一个高速缓存（M1）和存储器（M2）的层次结构有以下性能：
M1：
16K字，存取时间为50ns。
M2：
1M字，存取时间为400ns。
高速缓存块为8个字，组的大小为256个字，采用组相联映射；
（a）表示出M2与M1之间的映射关系；
（b）计算高速缓存命中率h=0.95时的有效存储器存取时间。
【答案】
（a）M1：
块数B=16K/8=2K，组数G=16K/256=64，路数k=256/8=32
M2：
块数B=1M/8=128K，区数A=1M/16K=64，主存储器中块号为b的块映射到高速缓存中的地址为：
（bmod2k）/32组中32块的其中一块。
（b）Ta=t1*h+t2*（1－h）=50*0.95+400*0.05=67.5ns
四、假定有一个处理机台数为p的共享存储器多处理机系统。
设m为典型处理机每条指令执行时对全局存储器进行访问的平均次数。
设t为共享存储器的平均存取时间，x为使用本地存储器的单处理机MIPS速率，再假定在多处理机的每台处理机上执行n条指令。
1．根据参数m,t,x,n和p，确定多处理机的有效MIPS速率。
2．假设一台多处理机有p=32台RISC处理机，m=0．4，t=1us,要使多处理机的有效性能达到56MIPS,需要每台处理机的MIPS速率是多少（即x=？
）？
【答案】
1.MIPS=p*x/（1+m*t*x）
2.56=32*x/（1+0.4x）∴x=5.83MIPS
3.有效MIPS速率=32*2/（1+1.6*2）=15.24MIPS
第4章输入输出系统
一、某磁盘存储器转速为3000转／min，共有4个记录面，每道记录信息为12288B，最小磁道直径为230mm，共有275道。
问：
1．磁盘存储器的存储容量是多少？
2．最高位密度是多少？
3．磁盘数据传输率是多少？
【答案】
（1）13.5MB
（2）1343bit/mm
（3）614.4KB/s
二、某系统的I/O总线和存储器系统的带宽为1000MB/s，CPU的处理速率为800MIPS，价格为$50000。
系统所运行的数据库软件满足下列条件：
a）处理每个事务需要访问硬盘4次，其中读、写各两次。
b）每次硬盘访问需要执行15000条操作系统指令。
c）数据库软件处理一个事务须执行40000条操作系统指令。
d）每次硬盘传输的数据包大小为100B。
现有如下两种磁盘：
容量500MB、价格$100；容量1250MB、价格$250
以上两种硬盘平均每秒钟执行30条I/O指令。
假定整个系统共需10GB存储空间，所有的数据库请求要平均分配到各个硬盘上，忽略硬盘的等待时间。
回答：
1）用以上两种硬盘，每秒最多执行多少次事务？
2）每秒钟执行每个事务的成本是多少？
3）采用多快的CPU可使1000MB/s的I/O总线成为系统的瓶颈？
4）假设CPU的处理速度为原来的2倍，仍使用原来的数据库软件，有足够多的小硬盘，问系统性能最高时的成本是多少？
5）假设小硬盘的数目不变，而使用新的小硬盘，CPU的处理速度为原来的2倍，要达到4）的性能，新硬盘的传输率为多少（IO/s）？
【答案】
1）小硬盘：
150TP/s；大硬盘：
60TP/s
2）小硬盘：
$346；大硬盘：
$866
3）262400MIPS
4）小硬盘：
$263400；大硬盘：
$583500
5）3200IO/s
三、在用于数据库事务处理的计算机系统中，有以下两种IO系统：
1．系统A每秒钟支持1000个IO操作。
2．系统B每秒钟支持750个IO操作。
以上两种系统使用同样的CPU，其处理速度为50MIPS，假定每次事务处理需5个IO操作，每个IO操作需10000条指令。
忽略其他的延迟，问以上两种系统
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