計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(第2版)鄭偉明湯志忠課后習(xí)題答案以及例

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1、 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(第2版) 鄭偉明 湯志忠 編著清華大學(xué)出版社習(xí)題解答1 目錄1.1 第一章(P33)1.7-1.9(透明性概念),1.12-1.18(Amdahl定律),1.19、1.21、1.24(CPI/MIPS)1.2 第二章(P124)2.3、2.5、2.6(浮點(diǎn)數(shù)性能),2.13、2.15(指令編碼)1.3 第三章(P202)3.3(存儲(chǔ)層次性能),3.5(并行主存系統(tǒng)),3.15-3.15加1題(堆棧模擬),3.19中(3)(4)(6)(8)問(地址映象/替換算法-實(shí)存狀況圖)1.4 第四章(P250)4.5(中斷屏蔽字表/中斷過程示意圖),4.8(通道流量計(jì)算/通道時(shí)間圖)1.

2、5 第五章(P343)5.9(流水線性能/時(shí)空?qǐng)D),5.15(2種調(diào)度算法)1.6 第六章(P391)6.6(向量流水時(shí)間計(jì)算),6.10(Amdahl定律/MFLOPS)1.7 第七章(P446)7.3、7.29(互連函數(shù)計(jì)算),7.6-7.14(互連網(wǎng)性質(zhì)),7.4、7.5、7.26(多級(jí)網(wǎng)尋徑算法),7.27(尋徑/選播算法)1.8 第八章(P498)8.12(SISD/SIMD算法)1.9 第九章(P562)9.18(SISD/多功能部件/SIMD/MIMD算法)(注:每章可選1-2個(gè)主要知識(shí)點(diǎn),每個(gè)知識(shí)點(diǎn)可只選1題。有下劃線者為推薦的主要知識(shí)點(diǎn)。)2 例, 習(xí)題2.1 第一章(P33

3、)例1.1,p10假設(shè)將某系統(tǒng)的某一部件的處理速度加快到10倍,但該部件的原處理時(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:由題意可知:Fe=0.4, Se=10,根據(jù)Amdahl定律 例1.2,p10采用哪種實(shí)現(xiàn)技術(shù)來求浮點(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:分別計(jì)算出這兩種設(shè)計(jì)方案所能得到的加

4、速比:Fe FPSQR=0.20,Se FPSQR=10Fe FP=0.50,Se FP=2例1.3,p11如果FP操作的比例為25%,F(xiàn)P操作的平均CPI=4.0,其它指令的平均CPI為1.33,F(xiàn)PSQR操作的比例為2%, FPSQR的CPI為20。假設(shè)有兩種設(shè)計(jì)方案,分別把FPSQR操作的CPI和所有FP操作的CPI減為2。試?yán)肅PU性能公式比較這兩種設(shè)計(jì)方案哪一個(gè)更好(只改變CPI而時(shí)鐘頻率和指令條數(shù)保持不變)。解:原系統(tǒng)的CPIFP=4.0, =25%CPI2=1.33, =1-25%CPI原 = CPIFP + CPI2=4.025% + 1.3375%=2方案1(使FPSQR操

5、作的CPI為2)系統(tǒng) CPI=CPI原 - CPIFPSQR原 + CPIFPSQR新=CPI原 - (CPIFPSQR原 - CPIFPSQR新)=2-2%(20-2)=1.64方案2(提高所有FP指令的處理速度, 使FPSQR操作的CPI為2)CPI=CPI原 - CPIFP原 + CPIFP新=CPI原 - (CPIFP原 - CPIFP新)=2-25% (4-2)=1.5我們也可以根據(jù)以下公式計(jì)算出方案2系統(tǒng)(同求CPI原)CPI= 75%1.33+25%2=1.5顯然,提高所有FP指令處理速度的方案要比提高FPSQR處理速度的方案要好。方案2的加速比=2/1.5=1.33例1.4假設(shè)

6、兩臺(tái)機(jī)器的指令系統(tǒng)中,執(zhí)行條件轉(zhuǎn)移指令需2個(gè)時(shí)鐘周期,而其它指令只需1個(gè)時(shí)鐘周期。CPUA:采用一條比較指令來設(shè)置相應(yīng)的條件碼,由緊隨其后的一條轉(zhuǎn)移指令對(duì)此條件碼進(jìn)行測(cè)試,以確定是否進(jìn)行轉(zhuǎn)移。顯然實(shí)現(xiàn)一次條件轉(zhuǎn)移要執(zhí)行比較和測(cè)試兩條指令。條件轉(zhuǎn)移指令占總執(zhí)行指令條數(shù)的20%。由于每條轉(zhuǎn)移指令都需要一條比較指令,所以比較指令也將占20%。CPUB采用比較功能和判別是否實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移功能合在一條指令的方法,這樣實(shí)現(xiàn)一條件轉(zhuǎn)移就只需一條指令就可以完成。由于CPUB在轉(zhuǎn)移指令中包含了比較功能,因此它的時(shí)鐘周期就比CPUA要慢25%。現(xiàn)在要問,采用不同轉(zhuǎn)移指令方案的CPUA和CPUB,那個(gè)工作速度會(huì)更快些?解

7、:CPIA=0.22+0.81=1.2TCPUA=ICA1.2tA= 1.2 ICAtACPUB轉(zhuǎn)移指令占20%80%=25%CPIB = 0.252+0.751=1.25由于CPUB中沒有比較指令,因此ICB = 0.8ICACPUB時(shí)鐘周期就比CPUA要慢25%tB = 1.25tATCPUB = ICBCPIBtB = 0.8 ICA1.251.25tA = 1.25 ICAtATCPUATCPUB所以CPUB比CPUA運(yùn)行得更快些。例1.A1計(jì)算Pentium II 450(IPC2)處理機(jī)的運(yùn)算速度。解:由于PentiumII 450處理機(jī)的IPC2 (或CPI0.5)Fz450MH

8、z,MIPSPentium II 450FzIPC450 MHz2900(MIPS)例1.A2我國(guó)最早研制的小型計(jì)算機(jī)DJS-130,定點(diǎn)16位,加法每秒50萬(wàn)次,但沒有硬件乘法和除法指令,用軟件實(shí)現(xiàn)乘法和除法,速度低100倍左右。求等效速度。解:定點(diǎn)等效速度為:即每秒2萬(wàn)次,由于乘法和除法用軟件實(shí)現(xiàn),等效速度降低了25倍。例1.A3假設(shè)在程序中浮點(diǎn)開平方操作FPSQR的比例為2,它的CPI為100;其他浮點(diǎn)操作FP的比例為23,它的CPI 4.0;其余75指令的CPI1.33,計(jì)算該處理機(jī)的等效CPI。如果FPSQR操作的CPI也為4.0,重新計(jì)算等效CPI。解:等效CPI10024231.

9、33753.92等效CPI24251.33752.001.1解釋下列術(shù)語(yǔ)層次結(jié)構(gòu),計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),計(jì)算機(jī)組成,計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn),透明性,由上而下設(shè)計(jì),由下而上設(shè)計(jì),由中間向兩邊設(shè)計(jì),軟件兼容,向上兼容,固件,系列機(jī),兼容機(jī),模擬,仿真,虛擬機(jī),宿主機(jī),指令流,數(shù)據(jù)流,單指令流單數(shù)據(jù)流,多指令流多數(shù)據(jù)流,Amdahl定律,CPI,MIPS,MFLOPS。1.2每一級(jí)為了執(zhí)行一條指令需要下一級(jí)的N條指令解釋,若執(zhí)行第一級(jí)的一條指令需kns,那么執(zhí)行第2級(jí)、第3級(jí)、第4級(jí)的指令需要多少時(shí)間?第1級(jí) 1條1級(jí)指令 k ns第2級(jí) 1條2級(jí)指令 N條1級(jí)指令 1Nk ns = Nk ns第3級(jí) 1條3級(jí)指令

10、N條2級(jí)指令 1NNk ns = N2k ns第4級(jí) 1條4級(jí)指令 N條3級(jí)指令 1NNNk ns = N3k ns1.4每一級(jí)指令能完成下一級(jí)的M條指令的工作量,且每一級(jí)指令需要下一級(jí)的N條指令解釋,若執(zhí)行第一級(jí)的一條指令需kns,那么執(zhí)行第2級(jí)、第3級(jí)、第4級(jí)的等效程序需要多少時(shí)間?第1級(jí) 1條1級(jí)指令 k ns第2級(jí) 等效程序?yàn)?/M條2級(jí)指令 需N/M條1級(jí)指令解釋 N/Mk ns第3級(jí) 等效程序?yàn)?/M/M條3級(jí)指令 需NN/M/M條1級(jí)指令解釋 N2/M2 ns第4級(jí) 等效程序?yàn)?/M/M/M條4級(jí)指令 需NNN/M/M/M條1級(jí)指令解釋 N3/M3 ns1.6試以實(shí)例說明計(jì)算機(jī)系

11、統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)之間的相互關(guān)系與相互影響。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和實(shí)現(xiàn)是三個(gè)不同的概念,它們各自包含不同的內(nèi)容,但又有緊密的關(guān)系。以存儲(chǔ)系統(tǒng)為例,主存儲(chǔ)器容量和尋址方式的確定屬計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),主存的速度應(yīng)多高,在邏輯結(jié)構(gòu)上采用什么措施屬計(jì)算機(jī)組成,而主存的物理實(shí)現(xiàn),如存儲(chǔ)器采用什么樣器件,邏輯電路設(shè)計(jì)和微組裝技術(shù)則屬計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。1.7什么是透明性概念?對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),下列哪些是透明的?哪些是不透明的?n 存貯器的模m交叉存取;透明(組成)n 浮點(diǎn)數(shù)據(jù)表示;不透明(系統(tǒng)結(jié)構(gòu))n I/O系統(tǒng)是采用通道方式還是I/O處理機(jī)方式;不透明n 數(shù)據(jù)總線寬度;透明(組成)n 陣列運(yùn)算部件;透明(組成

12、)n 通道是采用結(jié)合型的還是獨(dú)立型的;透明(組成)n PDP-11系列中的單總線結(jié)構(gòu);不透明(系統(tǒng)結(jié)構(gòu))n 訪問方式保護(hù);不透明(系統(tǒng)結(jié)構(gòu))n 程序性中斷;不透明(系統(tǒng)結(jié)構(gòu))n 串行、重疊還是流水控制方式;透明(組成)n 堆棧指令;存貯最小編址單位;不透明(系統(tǒng)結(jié)構(gòu))n Cache存貯器。透明(組成)(1)從指定角度來看,不必要了解的知識(shí)稱為透明性概念。(2)見下表,“”為透明性概念。模m交叉,浮點(diǎn)數(shù)據(jù),P4通道與I/O處理機(jī),P4總線寬度,陣列運(yùn)算部件,結(jié)合型與獨(dú)立型通道,單總線,訪問保護(hù),中斷,指令控制方式,堆棧指令,最小編址單位,Cache存儲(chǔ)器,1.8從機(jī)器(匯編)語(yǔ)言程序員看,以下哪

13、些是透明的?n 指令地址寄存器;指令緩沖器;時(shí)標(biāo)發(fā)生器;條件碼寄存器;乘法器;主存地址寄存器;磁盤外設(shè);先行進(jìn)位鏈;移位器;通用寄存器;中斷字寄存器。見下表,“”為透明性概念指令地址寄存器,指令緩沖器,時(shí)標(biāo)發(fā)生器,條件碼寄存器,乘法器,主存地址寄存器,磁盤,先行進(jìn)位鏈,移位器,通用寄存器 ,中斷字寄存器,1.9見下表,“”表示都透明,“應(yīng)”表示僅對(duì)應(yīng)用程序員透明,“”表示都不透明。數(shù)據(jù)通路寬度,虛擬存儲(chǔ)器,應(yīng),Cache存儲(chǔ)器,程序狀態(tài)字,“啟動(dòng)I/O”指令,應(yīng),“執(zhí)行”指令,指令緩沖寄存器,1.12如果某一計(jì)算任務(wù)用向量方式求解比用標(biāo)量方式求解要快20倍,稱可用向量方式求解部分所花費(fèi)時(shí)間占總

14、的時(shí)間的百分比為可向量化百分比。請(qǐng)畫出加速比與可向量化比例兩者關(guān)系的曲線。解:可向量化百分比為Fe, Se=20,根據(jù)Amdahl定律 將Se代入Amdahl定律得1.13在題1.12中,為達(dá)到加速比2, 可向量化的百分比應(yīng)為多少?=2則可向量化的百分比Fe=0.5261.14在題1.12中,為獲得采用向量方式最大加速比的半值(即10)時(shí),所需可向量化的百分比為多少。=10則可向量化的百分比Fe=0.9471.15在題1.12中,如果某程序可向量化部分為70%,硬件設(shè)計(jì)組認(rèn)為可以通過加大工程投資,使向量處理速度加倍來進(jìn)一步增加性能;而編譯程序編寫組認(rèn)為只需設(shè)法增加向量工作方式的百分比就同樣可使

15、性能得到相同的提高,問:此時(shí)需使可向量化成分再增加多少百分比就可實(shí)現(xiàn)。你認(rèn)為上述硬、軟件兩種方法中,哪一種方法更好?(1)用硬件組方法,已知Se=2 X 20 =40,F(xiàn)e=0.7解出Sn=40/12.73.1496(2)用軟件組方法,已知Se=20,得到硬件組方法的相同性能Sn=40/12.7解出Fe=27.3/380.7184(3)結(jié)論:軟件組方法更好。因?yàn)橛布M需要將Se再提高100%(2040),而軟件組只需將Fe再提高1.84%(0.70.7184)。1.16某計(jì)算機(jī)的高速小容量存儲(chǔ)器能存儲(chǔ)2000條指令。假設(shè)10的指令承擔(dān)了90%的指令訪問且對(duì)這10的指令的使用是均勻的(即其中每條

16、指令的執(zhí)行時(shí)間相同)。如果要執(zhí)行的某程序共有50 000條指令且已知其中的10%是頻繁使用的,則當(dāng)該計(jì)算機(jī)執(zhí)行該程序時(shí),在高速小容量存儲(chǔ)器中能訪問到的指令會(huì)占多少百分比?解: 對(duì)該應(yīng)用程序來說,在90%的時(shí)間里,只有50000*10%=5000條指令在運(yùn)行,其他的45000條指令的平均運(yùn)行次數(shù)很少,因此,可以假設(shè)對(duì)它們來說,Cache總是缺失的 對(duì)頻繁訪問的這10%的指令,假設(shè)它們?cè)L問均勻,這樣,Cache的行為便可以認(rèn)為是均勻覆蓋了這些指令所以,10的指令承擔(dān)了90%的指令訪問, 指令訪問次數(shù)(50000*10%)/90%命中次數(shù)2000Cache的命中率為:H=2000/(50000*10

17、%)/90%=0.361.17假設(shè)高速緩存Cache 工作速度為主存的5倍,且Cache被訪問命中的概率為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?解:1.18設(shè)計(jì)指令存儲(chǔ)器有兩種不同方案:一是采用價(jià)格較貴的高速存儲(chǔ)器芯片,另一是采用價(jià)格便宜的低速存儲(chǔ)芯片。采用后一方案時(shí),用同樣的經(jīng)費(fèi)可使存儲(chǔ)器總線帶寬加倍,從而每隔2個(gè)時(shí)鐘周期就可取出2條指令(每條指令為單字長(zhǎng)32位);而采用前一方案時(shí),每個(gè)時(shí)鐘周期存儲(chǔ)器總線僅取出1條單字長(zhǎng)指令。由于訪存空間局部性原理,當(dāng)取出2個(gè)指令字時(shí),通常這2個(gè)指令字都要使用,但仍有25%的時(shí)鐘周期中,取出的2個(gè)指令字中僅有1個(gè)指令字是有用的。試問采

18、用這兩種實(shí)現(xiàn)方案所構(gòu)成的存儲(chǔ)器帶寬為多少?解:方案一:采用高速緩沖存儲(chǔ)器,使每個(gè)時(shí)鐘周期存儲(chǔ)器總線取出1條指令,則 存儲(chǔ)器帶寬=1字/時(shí)鐘周期=32位/時(shí)鐘周期方案二:使存儲(chǔ)器總線帶寬加倍,從而每隔2個(gè)時(shí)鐘周期就可取出2條指令(每條指令為單字長(zhǎng)32位),但仍有25%的時(shí)鐘周期中,取出的2個(gè)指令字中僅有1個(gè)指令字是有用的,則1.19用一臺(tái)40MHz處理機(jī)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試程序,它含的混合指令數(shù)和相應(yīng)所需的時(shí)鐘周期數(shù)如下:指令類型 指令數(shù) 時(shí)鐘周期數(shù) 整數(shù)運(yùn)算 45000 1數(shù)據(jù)傳送 32000 2浮點(diǎn) 15000 2控制傳送 8000 2求有效CPI、MIPS速率和程序的執(zhí)行時(shí)間。1.20某工作站采用

19、時(shí)鐘頻率為15MHz、處理速率為10MIPS的處理機(jī)來執(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:(a) 此計(jì)算機(jī)的有效CPI是多少?(b) 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:(a) f=15MHz , MIPS=10, 每次存取時(shí)間為2個(gè)時(shí)鐘周期(b)30%指令每條只需要一次存儲(chǔ)存取,改進(jìn)前共需1周期,改進(jìn)后共需2周期而另外5%每條需要兩次存儲(chǔ)存取,改進(jìn)前共需2周期

20、,改進(jìn)后共需4周期1.21假設(shè)在一臺(tái)40MHz處理機(jī)上運(yùn)行200000條指令的目標(biāo)代碼,程序主要由四種指令組成。根據(jù)程序跟蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果,已知指令混合比和每種指令所需的指令數(shù)如下:指令類型 CPI 指令混合比算術(shù)和邏輯 1 60%高速緩存命中的加載/存儲(chǔ) 2 18%轉(zhuǎn)移 4 12%高速緩存缺失的存儲(chǔ)器訪問 8 10%(a) 計(jì)算在單處理機(jī)上用上述跟蹤數(shù)據(jù)運(yùn)行程序的平均CPI(b) 根據(jù)(a)所得CPI,計(jì)算相應(yīng)的MIPS速率。解:(1)(2)1.24假定你是一個(gè)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者,對(duì)高級(jí)語(yǔ)言結(jié)構(gòu)的使用研究表明,過程調(diào)用是最常用的操作之一。你已設(shè)想了一個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,它能減少過程調(diào)用和返回所需的取/存指令

21、次數(shù)。為了進(jìn)行驗(yàn)證,對(duì)未加優(yōu)化和已優(yōu)化的方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試,假定所使用的是相同的優(yōu)化編譯器。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果如下:(1)未優(yōu)化的時(shí)鐘周期比優(yōu)化的快5%;(2)未優(yōu)化方案中的取/存指令數(shù)占總指令數(shù)的30%;(3)優(yōu)化方案中的取/存指令數(shù)比未優(yōu)化的少1/3,對(duì)于其他指令,兩種方案的動(dòng)態(tài)執(zhí)行數(shù)沒有變化;(4)所有指令,包括取/存指令,均只需要1個(gè)時(shí)鐘周期。要求你定量地判斷,哪一種設(shè)計(jì)方案的計(jì)算機(jī)工作速度更快。解:記新方案時(shí)鐘周期為Tc,已知CPI = CPIi = 1原時(shí)間 = CPI IC 0.95Tc = 0.95ICTc新時(shí)間 = (0.32/3+0.7) IC Tc = 0.9ICTc二者比較,

22、新時(shí)間較短。1.A1某臺(tái)計(jì)算機(jī)只有Load/Store 指令能對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀/寫操作,其它指令只對(duì)寄存器進(jìn)行操作。根據(jù)程序跟蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果,已知每種指令所占的比例及CPI數(shù)如下:指令類型 指令所占比例 CPI 算邏指令 43 1 Load指令 21 2 Store指令 12 2 轉(zhuǎn)移指令 24 2 (1) 求上述情況下的平均CPI。(2) 假設(shè)程序有M條指令組成。算邏運(yùn)算中25%的指令的兩個(gè)操作數(shù)中的一個(gè)已在寄存器中,另一個(gè)必須在算邏指令執(zhí)行前用Load指令從存儲(chǔ)器取到寄存器。因此有人建議增加另一種算邏指令,其特點(diǎn)是一個(gè)操作數(shù)取自寄存器,另一個(gè)操作數(shù)取自存儲(chǔ)器,即寄存器存儲(chǔ)器類型,假設(shè)這種指令的C

23、PI等于2。同時(shí),轉(zhuǎn)移指令的CPI變?yōu)?。求新指令系統(tǒng)的平均CPI。解:(1)CPI舊(0.4310.2120.122+0.242)=1.57 (2)原算邏指令中的25變成了寄存器存儲(chǔ)器型指令,所以算邏指令(寄存器寄存器型)少了(0.250.43)M 條,Load指令少了(0.250.43)M 條,而(0.250.43)M 條的新指令為寄存器存儲(chǔ)器型指令。指令總數(shù)少了(0.2543%)M條。設(shè)執(zhí)行算邏指令(寄存器寄存器型) 、 Load指令、算邏指令(寄存器存儲(chǔ)器型) 、 Store指令和轉(zhuǎn)移指令的周期總數(shù)分別為C1,C2,C3,C4,C5,所以:C1=(0.43-(0.250.43)M1=0

24、.3225MC2=(0.21-(0.250.43)M2=0.205MC3=(0.250.43)M2=0.215MC4=0.12M2=0.24MC5=0.243M=0.72M新指令總數(shù)N=(1-(0.250.43))M=0.892CPI新=(C1+C2+C3+C4+C5)/ N=1.7025M/0.8925M=1.9081.A2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有三個(gè)部件可以改進(jìn),這三個(gè)部件的部件加速比如下:部件加速比1=30部件加速比2=20部件加速比3=10(1)如果部件1和部件2的可改進(jìn)比例均為30%,那么當(dāng)部件3的可改進(jìn)比例為多少時(shí),系統(tǒng)加速比才可以達(dá)到10?(2)如果三個(gè)部件的可改進(jìn)比例分別為30%、30%

25、和20%,三個(gè)部件同時(shí)改進(jìn),那么系統(tǒng)中不可加速部分的執(zhí)行時(shí)間在總執(zhí)行時(shí)間中占的比例是多少?(3)如果相對(duì)某個(gè)測(cè)試程序三個(gè)部件的可改進(jìn)比例分別為20%,20%和70%,要達(dá)到最好改進(jìn)效果,僅對(duì)一個(gè)部件改進(jìn)時(shí),要選擇哪個(gè)部件?如果允許改進(jìn)兩個(gè)部件,又如何選擇?1.A3在某個(gè)程序中,簡(jiǎn)單指令占80%,復(fù)雜指令占20%,在CISC機(jī)中簡(jiǎn)單指令執(zhí)行需4個(gè)機(jī)器周期,復(fù)雜指令執(zhí)行需8個(gè)機(jī)器周期。RISC機(jī)中簡(jiǎn)單指令執(zhí)行只需1個(gè)機(jī)器周期,而復(fù)雜指令要通過一串指令來實(shí)現(xiàn)。假定復(fù)雜指令平均需要14條簡(jiǎn)單指令,即需要14個(gè)周期,若該程序中需要執(zhí)行的總指令數(shù)為1 000 000,Tc為100ns,那么(1)RISC機(jī)

26、需執(zhí)行的指令數(shù)為多少?(2)CISC和RISC機(jī)的CPU時(shí)間分別為多少?(3)RISC機(jī)對(duì)CISC的加速比為多少?2.2 第二章(P124)2.3忽略P124倒1行 P125第8行文字,以簡(jiǎn)化題意)已知2種浮點(diǎn)數(shù),求性能指標(biāo)。 此題關(guān)鍵是分析階碼、尾數(shù)各自的最大值、最小值。 原圖為數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的格式,階碼的小數(shù)點(diǎn)在其右端,尾數(shù)的小數(shù)點(diǎn)在其左端,遵守規(guī)格化要求。 由于尾數(shù)均為原碼,原碼的絕對(duì)值與符號(hào)位無(wú)關(guān),所以最大正數(shù)與最小負(fù)數(shù)的絕對(duì)值相同,可用“最大絕對(duì)值”回答;最小正數(shù)與最大負(fù)數(shù)的絕對(duì)值相同,可用“最小絕對(duì)值”回答。 第1小問中,階碼全部位數(shù)為8,作無(wú)符號(hào)數(shù)看待真值為0255,作移-127碼

27、看待真值為-127+128;尾數(shù)(不計(jì)符號(hào)位)有23位小數(shù),另加1位整數(shù)隱藏位,所以尾數(shù)絕對(duì)值為1.02.0 2-23,有效位數(shù)p=24; 第2小問中,階碼全部位數(shù)為11,作無(wú)符號(hào)數(shù)看待真值為02047,作移-1023碼看待真值為-1023+1024;尾數(shù)(不計(jì)符號(hào)位)有52位小數(shù),另加1位整數(shù)隱藏位,所以尾數(shù)絕對(duì)值為1.02.0 2-52,有效位數(shù)p=53。 最大絕對(duì)值為最大階碼與最大尾數(shù)絕對(duì)值的組合,最小絕對(duì)值為最小階碼與最小尾數(shù)絕對(duì)值的組合。代入相關(guān)公式后得最終結(jié)果如下表。32位64位最大絕對(duì)值(1-2-24)2129(1-2-53)21025最小絕對(duì)值2-1272-1023表數(shù)精度2-

28、242-53表數(shù)效率100%100%2.5(1) rm = 2,re = 2,p = 24(隱藏最高位),q = 7。(2) Nmax = 1.71038,-|N|min = -1.4710-39 5.9610-8 10-7.22, = 100%2.61位7位6位00111111333333(1) 0.2 = 0.333333H160 設(shè)階碼為移-63碼(即-26+1,原題未指明)0.2 = 0.110011001100110011001101B2-2 1位8位23位00111110110011001100110011001101(其中最高有效位需隱藏)階碼為移-127碼(即-27+1)(2)

29、 符號(hào)位不變,(階碼 63)4 + 127;尾數(shù)左規(guī),除去最高位;(3) 符號(hào)位不變,(階碼 127)/ 4 + 63;尾數(shù)補(bǔ)最高位,按除法余數(shù)右移若干位,左補(bǔ)0。2.13已知10條指令使用頻度,求3種編碼方法的平均碼長(zhǎng)與信息冗余量。(1)此問中的“最優(yōu)Huffman編碼法”實(shí)際是指碼長(zhǎng)下限,即信源的平均信息量熵,代公式得H=2.9566。(2)Huffman編碼性能如下表;(3)2/8擴(kuò)展編碼是8/64/512法的變種,第一組2條指令,碼長(zhǎng)為2(1位擴(kuò)展標(biāo)志,1位編碼),第二組8條指令,碼長(zhǎng)為4(1位擴(kuò)展標(biāo)志,與第一組區(qū)別,加3位編碼),編碼性能如下表;(4)3/7擴(kuò)展編碼是15/15/15

30、法的變種,第一組3條指令,碼長(zhǎng)為2(共有4種組合,其中3種組合分別代表3條指令,留1種組合作為擴(kuò)展前綴標(biāo)志),第二組7條指令,碼長(zhǎng)為5(2位固定的前綴擴(kuò)展標(biāo)志,與第一組區(qū)別,加3位編碼,只用其中7種組合),編碼性能如下表。Huffman編碼2/8擴(kuò)展編碼3/7擴(kuò)展編碼平均碼長(zhǎng)L2.993.13.2信息冗余量R1.10%4.61%7.59%2.14一臺(tái)模型機(jī)共有7條指令,各指令的使用頻率分別為35%,25%,20%,10%,5%,3%和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字長(zhǎng)的寄存器-寄存器型指

31、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:(1)要使得到的操作碼長(zhǎng)度最短,應(yīng)采用Huffman編碼,構(gòu)造Huffman樹如下:由此可以得到7條指令的編碼分別如下:這樣,采用Huffman編碼法得到的操作碼的平均長(zhǎng)度為:H = 2(0.35+0.25+0.20) + 30.10 + 4 0.05 + 5(0.03 + 0.02) = 1.6+0.3+0.2+0.25 =2.35(2)設(shè)計(jì)8位字長(zhǎng)的寄存器-寄存器型變址尋址方式指令如下,因?yàn)橹挥?個(gè)通用寄存器,所以寄存器地址需3位,操作碼只有兩位,設(shè)計(jì)格式如

32、下:三條指令的操作碼分別為00,01,10設(shè)計(jì)16位字長(zhǎng)的寄存器-存儲(chǔ)器型變址尋址方式指令如下:四條指令的操作碼分別為1100,1101,1110,11112.15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,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,問單地址指令和零地址指令各有多少條?并且為這三類指令分配操作碼。(2)如果要求三類指令的比例大致為1:9:9,問雙地址指令、單地址指令和零地址指令各有多少條?并且為這三類指令分配操作碼。解:(1) 15條/63條/64條(2) 14條/126條/128條(1)根據(jù)

33、指令地址的數(shù)量來決定各種指令在指令空間上的分布:如果我們按照從小到大的順序分配操作碼,這樣,按照指令數(shù)值從小到大的順序,分別為雙地址指令、單地址指令和零地址指令。其次可以根據(jù)指令的條數(shù)來大致的估計(jì)操作碼的長(zhǎng)度:雙指令15條,需要4位操作碼來區(qū)分,剩下的12位操作碼平均分給單地址和零地址指令,每種指令可以用6位操作碼來區(qū)分,這樣,各指令的條數(shù)為:雙地址指令15條,操作碼:00001110;單地址指令26-1=63條,操作碼:1111 0000001111 111110;零地址指令64條,操作碼:1111 111111 0000001111 111111 111111。 (2)與上面的分析相同,可

34、以得出答案:雙地址指令14條,操作碼:00001101;單地址指令26 x 2-2 = 126條,1110 0000001110 111110,1111 0000001111 111110;零地址指令128條1110 111111 0000001110 111111 111111,1111 111111 0000001111 111111 111111(2)B雙地址指令同上,14條,操作碼:00001101;單地址指令64 + 62 = 126條,64 條單地址指令操作碼1110 0000001110 111111,62 條單地址指令操作碼1111 0000001111 111101;零地址指

35、令128條1111 111110 0000001110 111110 111111,1111 111111 0000001111 111111 1111112.3 第三章(P202)例3.1假設(shè)T25T1,在命中率H為0.9和0.99兩種情況下,分別計(jì)算存儲(chǔ)系統(tǒng)的訪問效率。解:當(dāng)H0.9時(shí),e11(0.95(10.9)0.72當(dāng)H0.99時(shí),e21(0.995(10.99)0.96 提高存儲(chǔ)系統(tǒng)速度的兩條途徑: 一是提高命中率H二是兩個(gè)存儲(chǔ)器的速度不要相差太大其中:第二條有時(shí)做不到(如虛擬存儲(chǔ)器),因此,主要依靠提高命中率例3.2在虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)中,兩級(jí)存儲(chǔ)器的速度相差特別懸殊T2105 T。如

36、果要使訪問效率e0.9,問需要有多高的命中率?解: 0.9H90000(1H)1 89999.1H89999 計(jì)算得H0.9999988888777770.999999例3.3在一個(gè)Cache存儲(chǔ)系統(tǒng)中,當(dāng)Cache的塊大小為一個(gè)字時(shí),命中率為H0.8;假設(shè)數(shù)據(jù)的重復(fù)利用率為5,計(jì)算Cache的塊大小為4個(gè)字時(shí),Cache存儲(chǔ)系統(tǒng)的命中率是多少?假設(shè)T2T,分別計(jì)算訪問效率。解:n4520,采用預(yù)取技術(shù)之后,命中率提高到:Cache的塊大小為一個(gè)字時(shí),H0.8,訪問效率為:e11(0.85(10.8)0.55Cache的塊大小為4個(gè)字時(shí),H0.99,訪問效率為:e21(0.995(10.99)

37、0.96例3.4在一個(gè)虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)中,T2105 T,原來的命中率只有0.8,現(xiàn)采用預(yù)取技術(shù),訪問磁盤存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)塊大小為4K字,如果要求訪問效率不低于0.9,計(jì)算數(shù)據(jù)在主存儲(chǔ)器中的重復(fù)利用率至少為多少?解:假設(shè)數(shù)據(jù)在主存儲(chǔ)器中的重復(fù)利用率為m,根據(jù)前面的給出關(guān)系:解這個(gè)方程組,得到m44,即數(shù)據(jù)在主存儲(chǔ)器中的重復(fù)利用率至少為44次。例3.6Star-100巨型機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)采用并行和交叉相結(jié)合的方式工作,有32個(gè)存儲(chǔ)體低位交叉,每次并行讀寫512位,存儲(chǔ)周期為1.28um(磁心存儲(chǔ)器),處理機(jī)字長(zhǎng)32位,計(jì)算它的頻帶寬度Bm和峰值速度T。解:因?yàn)椋簄32,w512,Tm1280ns, Bmn w

38、/tm32512b/1280ns 12.8Gb/s 1.6GB/s 400MW/s T2.5ns, 與Tm相比,峰值速度提高512倍。例3.8一個(gè)程序共有5個(gè)頁(yè)面組成,分別為P1P5。程序執(zhí)行過程中的頁(yè)地址流(即程序執(zhí)行中依次用到的頁(yè)面)如下:P1,P2,P1,P5,P5,P1,P3,P4,P3,P4假設(shè)分配給這個(gè)程序的主存儲(chǔ)器共有3個(gè)頁(yè)面。給出FIFO、LRU和OPT三種頁(yè)面替換算法對(duì)這3頁(yè)主存的使用情況,包括調(diào)入、替換和命中等。時(shí)間t12345678910實(shí)際頁(yè)地址流P1P2P1P5P4P1P3P4P2P4命中次數(shù)1111*444*4*22先進(jìn)先出算法2222*1111*4(FIFO算法)

39、555*3333*調(diào)入調(diào)入命中調(diào)入替換替換替換命中替換替換2次11111111*22最久沒有使用算法222*444*444(LRU算法)55*5*333*3*調(diào)入調(diào)入命中調(diào)入替換命中替換命中替換命中4次111111*3*3*33最優(yōu)替換算法2222*22222(OPT算法)5*444444調(diào)入調(diào)入命中調(diào)入替換命中替換命中命中命中5次三種頁(yè)面替換算法對(duì)同一個(gè)頁(yè)地址流的調(diào)度過程例3.9一個(gè)循環(huán)程序,依次使用P1,P2,P3,P4四個(gè)頁(yè)面,分配給這個(gè)程序的主存頁(yè)面數(shù)為3個(gè)。FIFO、LRU和OPT三種頁(yè)面替換算法對(duì)主存頁(yè)面的調(diào)度情況如下圖所示。在FIFO和LRU算法中,總是發(fā)生下次就要使用的頁(yè)面本次

40、被替換出去的情況,這就是“顛簸”現(xiàn)象。時(shí)間t12345678實(shí)際頁(yè)地址流P1P2P3P4P1P2P3P4命中次數(shù)111*444*33先進(jìn)先出算法222*111*4(FIFO算法)333*222*調(diào)入調(diào)入調(diào)入替換替換替換替換替換0次111*444*33最久沒有使用算法222*111*4(LRU算法)333*222*調(diào)入調(diào)入調(diào)入替換替換替換替換替換0次11111*111最優(yōu)替換算法22222*3*3(OPT算法)3*4*4444*調(diào)入調(diào)入調(diào)入替換命中命中替換命中3次頁(yè)面調(diào)度中的顛簸現(xiàn)象3.1由三個(gè)訪問速度、存儲(chǔ)容量和每位價(jià)格都不相同的存儲(chǔ)器構(gòu)成一個(gè)存儲(chǔ)體系。其中,M1靠近CPU,回答下列問題: M

41、1(T1,S1,C1) M2(T2,S2,C2) M3(T3,S3,C3)(1) 寫出這個(gè)三級(jí)存儲(chǔ)體系的等效訪問時(shí)間T,等效存儲(chǔ)容量S和等效每位價(jià)格C的表達(dá)式。(2)在什么條件下,整個(gè)存儲(chǔ)體系的每位價(jià)格接近于C3?3.3直接代公式計(jì)算存儲(chǔ)層次性能指標(biāo)。(1)74ns,38ns,23.6ns(2)0.258,0.315,0.424(3)T256K T128K c128K c64K(4)19.092,11.97,10.0064。答案是256K方案最優(yōu)。3.5已知,其中g(shù)=0.1依題意有整理得0.9n0.2,解出,向下取整,得15;按另一種題意理解是向上取整,得16,也對(duì)。3.7方式1:16個(gè)模塊高

42、位交叉方式2:16個(gè)模塊并行訪問 方式3:16個(gè)模塊低位交叉 方式4:2路高位交叉8路低位交叉16個(gè)存儲(chǔ)模塊每8個(gè)組成一個(gè)大的模塊:方式5:4路高位交叉4路低位交叉16個(gè)存儲(chǔ)模塊每4個(gè)組成一個(gè)大的模塊:方式6:4路并行訪問4路低位交叉(1)這幾種存儲(chǔ)器都能夠并行工作,因此可以提高頻帶寬度??偟膩碚f,并行訪問存儲(chǔ)器的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、容易,缺點(diǎn)是訪問沖突大;高位交叉訪問存儲(chǔ)器的優(yōu)點(diǎn)是擴(kuò)充方便,缺點(diǎn)是訪問效率不高;低位交叉訪問存儲(chǔ)器可以用分時(shí)的方法來提高速度,但擴(kuò)充不方便。(2)各種存儲(chǔ)器的頻帶寬度和他們的工作頻率有關(guān),在不考慮沖突的情況下,如果有足夠多的獨(dú)立控制電路和寄存器,那么,他們的頻帶寬度是

43、相同的。(3)存儲(chǔ)器的邏輯示意圖略。注意,并行訪問存儲(chǔ)器和低位交叉訪問存儲(chǔ)器很相象,只不過,并行訪問存儲(chǔ)器使用存儲(chǔ)模塊號(hào)(存儲(chǔ)體號(hào))來對(duì)已經(jīng)輸出的結(jié)果進(jìn)行選擇,而低位交叉訪問存儲(chǔ)器則用來生成對(duì)存儲(chǔ)模塊(存儲(chǔ)體)的片選信號(hào),他通過流水的方式來提高訪問的速度。3.14在頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器中,一個(gè)程序由P1P5共5個(gè)虛頁(yè)組成。在程序執(zhí)行過程中依次訪問到的頁(yè)面如下: P2 ,P3,P2,P1 ,P5 ,P2 ,P4 ,P5 ,P3 ,P2 ,P5 ,P2 假設(shè)系統(tǒng)分配給這個(gè)程序的主存有3個(gè)頁(yè)面,分別采用FIFO、LRU和OPT三種替換算法對(duì)這三頁(yè)主存進(jìn)行調(diào)度。(1)畫出主存頁(yè)面調(diào)入、替換和命中的情況表。(

44、2)統(tǒng)計(jì)三種頁(yè)面替換算法的頁(yè)命中率。3.15(1)在分配的主存頁(yè)面數(shù)目大于等于5的情況下,這時(shí),除了第一次調(diào)入不命中,以后的訪問均命中,可以達(dá)到最高的頁(yè)面命中率:實(shí)際命中的次數(shù)為7次,所以可能達(dá)到的最高頁(yè)面命中率為:(2)由于在頁(yè)面數(shù)大于等于5的情況下,肯定可以達(dá)到最高命中率,所以我們來看頁(yè)面數(shù)小于5時(shí)能否達(dá)到該命中率:分配的主存頁(yè)面數(shù)等于4時(shí),調(diào)度過程如下: LFU算法44444*11111*11命中7次555*55555*5553333*33*333*32222*22222調(diào)入調(diào)入調(diào)入調(diào)入命中調(diào)入命中命中命中命中命中命中此時(shí)也可以達(dá)到最高命中率;分配的主存頁(yè)面等于3時(shí),調(diào)度過程如下: LF

45、U算法444*222*33*333*3命中3次555*555*222*11333*1111*555調(diào)入調(diào)入調(diào)入調(diào)入命中調(diào)入調(diào)入調(diào)入命中調(diào)入調(diào)入命中此時(shí)不能達(dá)到最高命中率。所以至少應(yīng)該分配4個(gè)主存頁(yè)面。(3) 我們假設(shè)程序每次只訪問一個(gè)存儲(chǔ)單元,這樣,對(duì)每一個(gè)特定頁(yè)面的訪問過程可以描述如下:因?yàn)榈谝淮慰偸遣幻械?,而平均起來,隨后的1023次總是命中的,然后再次被調(diào)出主存,并再次重復(fù)先前的過程。所以訪問存儲(chǔ)單元的命中率為: 欲知可能的最高命中率及所需的最少主存頁(yè)數(shù),較好的辦法是通過“堆棧模擬法”,求得命中次數(shù)隨主存頁(yè)數(shù)變化的函數(shù)關(guān)系。下圖就是“堆棧模擬圖”,其中“”表示命中。P=45325132

46、3513命中次數(shù)4532513235134532513235145325112354432551224444444n=10n=21n=33n=47n=57(1)Hmax=7/1258.3%(2)n=4(3)當(dāng)1次頁(yè)面訪問代表連續(xù)1024次該頁(yè)內(nèi)存儲(chǔ)單元訪問時(shí),后1023次單元訪問肯定是命中的,而第1次單元訪問的命中情況與這1次頁(yè)面訪問的命中情況相同。根據(jù)上圖中最高命中情況,共有7次頁(yè)命中(折算為71024次單元命中),5次頁(yè)不命中(折算為51023次單元命中,也可寫為51024-5),單元訪問總次數(shù)為121024,故有:Hcell=(121024-5)/(121024)=12283/12288

47、99.96%3.15A加1題 一個(gè)二級(jí)存儲(chǔ)層次,采用全相聯(lián)映象和最久沒有使用算法,實(shí)存共5頁(yè),為2道程序分享,頁(yè)地址流分別如下P1 = 1 2 3 4 1 3 2 1P2 = 1 2 3 4 2 2 3 3試作2個(gè)實(shí)存分配方案,分別使2道程序滿足(1)命中率相同;(2)命中次數(shù)之和最大。P1 =12341321命中次數(shù)N(1)12341321123413212341312244n1= 10n1= 20n1= 32n1= 44解:分別為2道程序作“堆棧模擬圖”,其中“”表示命中。P2 =12342233命中次數(shù)N(2)12342233123442212334411111n2= 12n2= 22n

48、2= 34n2= 4465 N(1)+N(2)432 N(1) N(2)1 1+4 2+3 3+2 4+1將兩圖結(jié)果綜合,得到4個(gè)分配方案的命中率情況表如下n11234N(1)0024n24321N(2)4422N(1)+N(2)4446結(jié)論如下(1)命中率相同的方案是n1= 3而n2= 2;(2)命中次數(shù)之和最大的方案是n1= 4而n2= 1。3.19(1)主存共有2個(gè)區(qū),每個(gè)區(qū)2組,每個(gè)組2塊,每塊16個(gè)字節(jié),如果按字節(jié)尋址,那么主存需要7位,如下圖所示:(2)Cache地址需要6位,如下圖所示:中(3)(4)(6)(8)問 虛存 實(shí)頁(yè)0123虛組0 00 1 實(shí)存1虛組1 20 實(shí)組02

49、 31虛3虛組2 42 實(shí)組1頁(yè)4 535虛組3 66 77(a) 虛頁(yè)集合與實(shí)頁(yè)集合的對(duì)應(yīng)關(guān)系 (b) 對(duì)應(yīng)關(guān)系表(為有關(guān)系)(3)(4)通過作“實(shí)存狀況圖”模擬各虛塊的調(diào)度情況,可獲得Cache的塊地址流序列。P=624146304573C044*4444*44*4*4*C111*1*1*00*555C266*6*6*6*66*6*6*6*77*C322222*33333*3入入入入中中替替中替替中C=230102310123此問最容易出錯(cuò)的地方是忽略“組相聯(lián)”地址約束,將虛頁(yè)裝錯(cuò)實(shí)組。另外沒有及時(shí)標(biāo)注“*”號(hào)也容易導(dǎo)致淘汰對(duì)象錯(cuò)誤。(6)H=4/1233%(8)做法同3.15題(3)問,

50、Hcell=(1216-8)/(1216)95.8%2.4 第四章(P250)4.5已知中斷服務(wù)次序?yàn)?-2-4-1,。(1)中斷屏蔽字表如下圖;D1D2D3D4D10111D20010D30000D40110(2)中斷過程示意圖如右圖。時(shí)間 中斷請(qǐng)求主程序1級(jí) 2級(jí) 3級(jí) 4級(jí) D1,D2 D3,D44.8(1)f=2105字節(jié)/秒,T=5us(2)Ts+Td=5us,通道時(shí)間圖如下。作圖時(shí)注意:至少要畫到最慢設(shè)備的第二次請(qǐng)求出現(xiàn),才能確定是否丟失數(shù)據(jù)(因?yàn)轫憫?yīng)優(yōu)先級(jí)低的設(shè)備較易丟失數(shù)據(jù))。設(shè)優(yōu)備先號(hào)級(jí)D1 1D2 4D3 2D4 3時(shí)間(us) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170(3)5,160,20,40;(4)D2丟失第一次請(qǐng)求的數(shù)據(jù);(5)參見P245。2.5 第五章(P343)例5.1一個(gè)采用先行控制方式的處理機(jī),指令分析器分析一條指令用一個(gè)周期,到主存儲(chǔ)器中取一條指令裝入先行指令緩沖棧平均要用4個(gè)周期。如果這種指令的

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