计算机组成原理1024

习题1.11.1.1超级计算机是用于运行大规模问题，并通常通过网络访问的计算机。1.1.2petabyte是1015或250字节。1.1.3服务器是由成百上千处理器和若干terabyte级内存组成的计算机。1.1.4虚拟世界是目前尚为科学幻想的应用，但是很有可能即将成为现实。1.1.5RAM是一种称为随机访问内存的内存。1.1.6CPU是一种称为中央处理器的计算机部件。1.1.7数据中心是上千个处理器形成的大集群。1.1.8多核处理器是在同一个芯片中含有几个处理器的微处理器。1.1.9低端服务器是没有显示器和键盘的桌面计算机，通常通过网络访问。1.1.10嵌入式计算机是当季最大的一类计算机，运行一个应用或一组相关的应用。1.1.11VHDL是用于描述硬件部件的特殊语言。1.1.12桌面计算机是对单用户以低成本提供高性能的个人计算机。1.1.13程序讲1.1.14汇编程序将符号指令翻译成二进制指令1.1.15Cobol是商业1.1.16机器语言是处理器能够理解的二进制语言。1.1.17指令是处理器能够理解的命令1.1.18Fortran是科学计算用的高级语言。1.1.19汇编语言是机器指令的符号语言。1.1.20操作系统是用户程序和硬件之间的接口，能提供许多服务和监视功能。1.1.21应用软件是用户开发的软件/程序。1.1.22位是二进制位（值为0或1）。1.1.23系统软件是应用软件和硬件之间的软件层，包括操作系统和编译程序。1.1.24C语言是用于编写应用程序和系统软件的高级语言。1.1.25高级语言是由字和代数符号组成的可移值语言，在计算机中运行前必须翻译成汇编高级语言语句翻译成汇编程序的程序。的程序。数据处理用的高级语言。。语言。1.1.26terabyte是1012或240字节。习题1.21.2.1一个彩色显示器中的每个像素由三种基本（红、绿、蓝）构成，每种基色用8位表示，。请问为了保存一帧图像需要多大的缓存（以字节计算）？分辨率为1280×800像素解：8bits×3=24bits/pixel=4bytes/pixel1280×800pixel=1024000pixel1024000pixel×4bytes/pixel=4096000pixel（接近4Mbytes）1.2.2如果一台计算机有一个2GB的主存，并且该主存的没有存储其他信息，他最多可保存多少帧图像？解：2GB=2048MbytesFrames=2048Mbytes/4Mbytes=512frames1.2.3如果一台计算机连接到1Gbps以太网上，发送256KB的文件需要多长的时间？解：从1Gbpsnetwork可以==>1Gbps/persecond=125Mbytes/second.256Kbytes=0.256Mbytes.0.256Mbytes=0.256/125=2.048ms.1.2.4假定cache比DRAM快10倍，DRAM比磁盘快10000倍，闪存比磁盘快1000倍。如果从cache读取一个文件需要2微秒，请问从DRAM、磁盘文件大小是所以发送文件的时间是：和闪存读取需要多长时间？解：2msfromcache==>20msfromDRAM.20msfromDRAM==>2secondsfrommagneticdisk.20msfromDRAM==>2msfromflashmemory.习题1.31..3.1解：由经典的CPU性能公式：CPU时间=指令数×CPI/时钟频率可以推出：P1、P2、P3三个处理器在执行相同的指令集的情况下，所用时间最少的性能最高。所以只需要算出时间的倒数，最高的性能最好！10109P1的性能=（2.0×9）/1.5=1.33×1010P2的性能=（1.5×9）/1.0=1.5×9910P3的性能=（3.0×9）/2.5=1.2×10所以P2的性能最好！1.3.2如果每个处理器执行一个程序都要花费10秒钟的时间，求他们的时钟周期和指令集？解：时钟周期=程序执行时间×时钟频率1010P1时钟周期=10×（2.0×9）=2.0×10S1010P2时钟周期=10×（1.5×9）=1.5×10S1010P3时钟周期=10×（3.0×9）=3.0×10S时钟周期=程序的指令数×CPI，所以程序的指令数=时钟周期/CPIP1的指令数=（2.0×10P2的指令数=（1.5×10P3的指令数=（3.0×1010S）/1.5=1.33×1010101010S）/1.0=1.5×101010S）/2.5=1.2×1.3.3我们试图把时间减少30%，但是这会引起CPI增加20%。时达到时间减少30%的目的执行时间减少30%也就是执行时间是7秒，CPI增加20%后是CPI1=1.8，CPI2=1.2，CPI3=3。时钟频率=指令数×CPI/执行时间，所以钟频率应该是多少才能？解：P1的时钟频率=1.33×1010×1.8/7=3.42GHzP2的时钟频率=1.5×1010×1.2/7=2.57GHzP3的时钟频率=1.2×1010×3.0/7=5.14GHz1.3.4解：IPC=1/CPI,时钟周期=程序的指令数×CPI,所以可以推出IPC1=1.42IPC2=2IPC3=3.331.3.5解：P1执行时间所以P2的新时钟频率=P2的之前的时钟频率P1一样。1.3.6解：P3的执行时间/P2的执行时间/P2执行时间=7/10=0.7/0.7=1.5GHz/0.7=2.14GHz才能将其执行时间减少到和=9/10=0.9所以P2的新的指令数=P2的之前的指令数×0.9=3.0×1010×0.9=2.7×1010才能将其执行时间减少到和P3一样。习题1.41.4.1给定一个程序，有106条指令，按照比例分为四类：A、10%B、20%C、50%D、20%，哪种实现方式更快？解：P2实现方式更快：四类：5A、10B、2×105C、5×105D、2×105CPU时间=指令数×CPI/时钟频率P1所用时间：0.66×104+2.66×104+10×104+5.33×104=18.65×104P2所用时间：104+2×104+5×104+3×104=11×1041.4.2每中实现方式总的CPI解：CPI=执行时间×时钟频率/指令数可以推出：CPI1=2.79CPI2=2.21.4.3两种情况下的时钟周期各式多少？解：时钟周期数=指令数×CPIP1的时钟周期=1×105+2×105×2+3×105×5+4×105×2=28×105P2的时钟周期=2×105+2×105×2+5×105×2+2×105×3=22×1051.4.4假定算术指令用时个周期，存储和取数用时各5个周期，分支用时2周期。该程序在2GHz的CPU上运行，执行时间是多少？解：(500×1+50×5+100×5+50×2)×0.5×1091.4.5求该程序的CPI是多少？=675ns解：/700=1.92CPI=675×109×2×1091.4.6如果取数指令减少一半，则增速和CPI分别是多少？解：时钟周期=(500×1+50×5+50×5+50×2)×0.5×109=550ns增速=675ns/550ns=1.22CPI=550×10×2×109/700=1.579习题1.61.6.1同样的程序，采用程序的平均CPI？解：2个不同的编译程序A、B，在给定处理器时间周期为1ns时，每个编译程序A的CPI编译程序B的CPIab1.000.801.170.581.6.2CPI和上题相同，但是编译程序实在2个不同的处理器上运行的。如果这2个处理器额执行时间相同，求运行编译程序A的处理器相对于编译程序B的处理器的时钟快多少？解：a：0.86b：1.371.6.3假设开发了一种新的编译程序，只用6亿条指令，平均CPI为1.1。求这种新的程序相对于上面两个题中的编译程序A和B的加速比？解：与A的加速比与B的加速比ab1.521.211.770.881.6.4假定将一台计算机执行任何指令序列所能达到的最快速率定义为峰值性能。求P1，P2的峰值性能，单位为每秒指令数。解：P1的峰值4Ginst/sP2的峰值ab3Ginst/s3Ginst/s4Ginst/s1.6.5如果在某个程序中执行的指令数均等地分布于除A类以外的各类指令，A类指令数是其他类指令数的2倍。求P2比P1块多少？解：P2比P1的速度：ab0.9671052630.7302631581.6.6在上题之中，P2的频率为多少时，其性能和P1相同？解：ab6.2040816338.216216216习题1.71.7.1分别求出相邻2代处理器的时钟频率之比和功耗之比的几何平均值？解：1、相邻时钟平均之比的几何平均值：(1.28×1.56×2.64×3.03×10.00×1.80×0.74)/7=2.152、相邻功耗之比的几何平均值：(1.24×1.20×2.06×2.88×2.59×1.37×0.92)/7=1.621.7.2分别求出不同两代间的处理器的时钟频率和功耗的相对变化量的最大值？解：1、时钟频率的相2、功耗的相1.7.3分别求出对变化量的最大值=2000MHz/200MHz=10对变化量的最大值=29.1W/10.1W=2.88最后一代处理器比第一代处理器在时钟频率和功耗上增长的倍数？解：10109/12.5×=212.861、时钟频率增长的倍数=2.667×2、功耗上的增长倍数=95W/3.3W=28.781.7.4假定静态功耗不计，求平均电容负载？解：C=P/V×时钟频率280286：C=0.0105×1010PentiumPro（1997）：C=0.0133×6680386：C=0.01025×1080486：C=0.00784×1010Pentium4Willamette：C=0.0122×66Pentium4Prescott：C=0.00183×106Core2Ketsfield：C=0.0294×1066Pentium：C=0.00612×1061.7.5相邻哪两代处理器间电压相对变化最大？解：3.3/1.75=1.78(PentiumProtoPentium4Willamette)1.7.6求从Pentium型号开始的不同代处理器间的电压的几何平均值？解：PentiumtoPentiumPro:PentiumProtoPentium4Willamette:Pentium4WillamettetoPentium4Prescott:Pentium4PrescotttoCore2:平均值=0.683.3/5=0.661.75/3.3=0.531.25/1.75=0.711.1/1.25=0.88习题1.81.8.1如果两版本之间动态功耗减少了10%，求电容负载减少了多少？解：版本1功耗=V2×时钟频率×C版本2功耗=0.9×版本1功耗C2/C1=0.9×52×0.5×109/3.32×1×10=1.0391.8.2如果电容负载不变，动态功耗减少了多少？解：版本2功耗/版本×时钟频率1功耗=V×时钟频率2/V2221版本2功耗1.8.3假定第2版的电容负载时第40%，求第2版的电压？/版本1功耗=0.87=>减少了13%1版的80%，如果第2版的动态功耗与第1版相比减少了解：版本109×0.8×C1=0.6×版本2的功耗=V2×1×