计算机组成与系统结构课后答案免费版全清华大学出版社袁春风主编.docx

1、计算机组成与系统结构课后答案免费版全清华大学出版社袁春风主编第 1 章 习 题 答 案5若有两个基准测试程序 P1和P2在机器 M1和M2上运行，假定 M1和M2的价格分别是 5000元和8000元，下表给出了 P1 和 P2 在 M1 和 M2 上所花的时间和指令条数。程序M1M2指令条数执行时间 （ms）指令条数执行时间 （ms）P1200106100001501065000P23300103334201036请回答下列问题：（1） 对于 P1，哪台机器的速度快？快多少？对于 P2 呢？（2）在M1 上执行 P1和P2的速度分别是多少 MIPS？在M2上的执行速度又各是多少？从执行速度 来

2、看，对于 P2，哪台机器的速度快？快多少？（3） 假定 M1 和 M2 的时钟频率各是 800MHz 和 1.2GHz ，则在 M1 和 M2 上执行 P1 时的平均时钟周 期数 CPI 各是多少？（4） 如果某个用户需要大量使用程序 P1，并且该用户主要关心系统的响应时间而不是吞吐率， 那么，该用户需要大批购进机器时，应该选择 M1 还是 M2 ？为什么？（提示：从性价比上考虑）（5） 如果另一个用户也需要购进大批机器，但该用户使用 P1 和 P2一样多，主要关心的也是响应时间，那么，应该选择 M1 还是 M2 ？为什么？参考答案：（ 1） 对于 P1，M2 比 M1 快一倍；对于 P2，

3、M1 比 M2 快一倍。（2） 对于 M1 ， P1的速度为： 200M/10=20MIPS ；P2为300k/0.003=100MIPS 。 对于 M2 ， P1的速度为： 150M/5=30MIPS ；P2为 420k/0.006=70MIPS 。 从执行速度来看，对于 P2，因为 100/70=1.43 倍，所以 M1 比 M2 快 0.43 倍。（ 3） 在 M1 上执行 P1 时的平均时钟周期数 CPI 为： 10800M/（200106）=40 。 在 M2 上执行 P1 时的平均时钟周期数 CPI 为： 51.2G/（150 106）=40 。（4） 考虑运行 P1时M1和M2

4、的性价比，因为该用户主要关心系统的响应时间，所以性价比中的性 能应考虑执行时间，其性能为执行时间的倒数。故性价比 R 为：R=1/（ 执行时间 价格 ）R 越大说明性价比越高，也即， “执行时间 价格 ”的值越小，则性价比越高。 因为 105000 5 8000，所以， M2 的性价比高。应选择 M2 。（5） P1 和 P2需要同等考虑，性能有多种方式：执行时间总和、算术平均、几何平均。 若用算术平均方式，则：因为 （10+0.003）/2 5000 （5+0.006）/2 8000，所以 M2 的性价比高，应 选择 M2 。若用几何平均方式， 则：因为 sqrt（10 0.003） 500

5、0 sqrt（5 0.006） 8000，所以 M1 的性价比高， 应选择 M1 。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 AE。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ABCDEM112234M222456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：(

6、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 = 2.4M2 ： 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.

7、8 N1/1.5G = 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 0.13/2.53 100%5%。 (思考： 如果说程序 P在 M1 上执行比 M2 上快 (3.82.4)/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？)7假设同一套指令集用不同的方法设计了两种机器 M1 和 M2。机器 M1 的时钟周期为 0.8ns，机器 M2的时钟周期为 1.2ns。某个程序 P在机器 M1上运行时的 CPI为4，在 M2上的CPI为2。对于程序 P 来说，哪台机器的执行速度更快？快多少？参考答案：假设程

8、序 P的指令条数为 N，则在 M1 和M2 上的执行时间分别为：M1：4 N0.8 = 3.2N (ns)M2：2 N1.2 = 2.4 N (ns)所以， M2 执行 P 的速度更快，每条指令平均快 0.8ns，比 M1 快 0.8/3.2 100%=25% 。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 8109，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 81091/4G = 2.5 s

9、，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。ABCD各指令的 CPI1234S1 的指令条数5221S2 的指令条数1115请问：S1 和 S2 各有多少条指令？

10、 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 (51+22+23+14)/10=1.9, 所含的时钟周期数为 101.9=19，执行时 间为 19/500M = 38ns 。S2有8条指令，CPI为 (11+12+13+54)/8 =3.25, 所含的时钟周期数为 83.25=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不同，其 执行时间可能不同，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

11、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 1.2G2/(5 2) = 800M 。第 二 章 习 题 答 案3实现下列各数的转换。(1)(25.8125) 10= (?)2= (?) 8= (?) 16(2)(1

12、01101.011)2 = (?)10= (?) 8= (?) 16= (?) 8421(3)(0101 1001 0110.0011) 8421 = (?)10= (?) 2= (?) 16(4)(4E.C) 16 = (?)10= (?) 2 参考答案：(1) (25.8125)10 = (1 1001.1101) 2 = (31.64) 8 = (19.D) 16(2)(101101.011)2 = (45.375)10 = (55.3) 8 = (2D.6) 16 = (0100 0101.0011 0111 0101) 8421(3)(0101 1001 0110.0011) 842

13、1 = (596.3) 10 = (1001010100.01001100110011 ) 2 = (254.4CCC ) 16(4)(4E.C)16 = (78.75) 10 = (0100 1110.11) 24 假定机器数为 8 位( 1 位符号， 7 位数值)，写出下列各二进制数的原码和补码表示。+0.1001， 0.1001，+1.0 ，1.0 ， +0.010100 ，0.010100，+0，0参考答案：原码补码+0.1001：0.10010000.10010000.1001：1.10010001.0111000+1.0：溢出溢出1.0：溢出1.0000000+0.010100：0

14、.01010000.01010000.010100：1.01010001.1011000+0：0.00000000.00000000：1.00000000.00000005 假定机器数为 8位(1位符号， 7位数值)，写出下列各二进制数的补码和移码表示。+1001，1001，+1，1，+10100，10100，+0，0参考答案：移码补码+1001：10001001000010011001：0111011111110111+1：10000001000000011：01111111111111111+10100：100101000001010010100：0110110011101100+0：10000000000000000：1000000000000000已知 x 补，求 x1）x 补=1.11001112）x 补=100000003）x 补=0.10100104）x 补=11010011参考答案：（ 1） x 补=1.1100111x =0.0011001B（ 2） x 补=10000000x =10000000B = 128（ 3） x 补=0.1010010