計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第2版鄭偉明湯志忠課后習(xí)題答案以及例題收錄

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1、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（第2版）鄭偉明湯志忠課后習(xí)題答案以及例題收錄片上地址模塊內(nèi)部體號模式 5:4 高階交叉 4 低階交叉16 存儲器模塊每 4 個形成一個大模塊：片上地址模塊內(nèi)部體號模式 6:4 并行訪問 4 低階交叉 310 模塊片上地址模塊號輸出選擇（1）所有這些存儲器可以并行工作，因此帶寬可以增加一般來說，并行內(nèi)存訪問的優(yōu)點是簡單且易于實現(xiàn)，缺點是訪問沖突大。高階交錯存儲器具有擴展方便、存取效率低的優(yōu)點。低階交叉存取存儲器可以分時方式提高速度46，但擴展不方便。（2）各種存儲器的帶寬與其工作頻率有關(guān)。不考慮沖突，如果有足夠多的獨立控制電路和寄存器，那么它們的帶寬是相同的。（3）存儲器原理圖注

2、意，并行存取存儲器非常類似于低階交叉存取存儲器，除了并行存取存儲器使用存儲器模塊號（存儲體號）來選擇輸出結(jié)果，而低階交叉存取存儲器用于為存儲器模塊（存儲體）生成芯片選擇信號，這通過流水線操作提高了存取速度。3.14在頁面虛擬內(nèi)存中，一個程序由從 P1 到 P5 的 5 個虛擬頁面組成程序執(zhí)行過程中依次訪問的頁面如下P2、P3、P2、P1、P5、P2、P4、P5、P3、P2、P5、P2假設(shè)系統(tǒng)為該程序的主存儲器分配三個頁面，主存儲器的三個頁面分別由先進先出、先進先出和優(yōu)化調(diào)度(1)繪制主內(nèi)存頁面條目、替換和命中的表(2)計算三種頁面替換算法的頁面命中率3.15(1)當(dāng)分配的主內(nèi)存頁的數(shù)量大于或等

3、于 5 時，可以達(dá)到最高的頁命中率，除了第一次調(diào)入未命中，所有訪問都在47:7 實際命中之后，因此可以達(dá)到的最高頁命中率是H?7?0.583312(2)由于當(dāng)頁面數(shù)大于或等于 5 時肯定可以達(dá)到最高的命中率，讓我們看看當(dāng)頁面數(shù)小于 5 時是否可以達(dá)到命中率：當(dāng)由分配的主存儲器頁面數(shù)等于 4 時，調(diào)度過程如下：489LFU算法4調(diào)用中4545345*32調(diào)用中4532命中153*2調(diào)用中1532*命中153*2命中 15*32 命中 1532 命中 153*2 命中 153*2 命中 1532 命中 1532 命中 1532 命中 7 調(diào)用中止匕時也能達(dá)到最高命中率。當(dāng)分配的主存頁面等于 3 時

4、，調(diào)度過程如下：497LFU 算法44454*5325*3253*hit2*51call35*1call321call321call321*hit322*5 傳入3*15 傳入 315hits3 傳入 3 傳入此時不能達(dá)到最高命中率,因此應(yīng)該分配至少 4 個主內(nèi)存頁面(3)我們假設(shè)程序一次只訪問一個內(nèi)存位置，因此對每個特定頁面的訪問過程可以描述如下：第一次總是錯過，但是平均來說，接下來的 1023 次總是命中，然后它被再次從主內(nèi)存中調(diào)用。50計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(第二版)鄭偉明唐志中清華大學(xué)出版社習(xí)題解答11 目錄1.1第 1 章(P33)-1.9(透明概念)，1.12-1.18(阿姆達(dá)爾定律)，1

5、.19(4)(6)(8)在3.19(地址映射/替換算法-實際內(nèi)存狀態(tài)圖)21.4 第 4 章(P250)4.5(中斷掩碼列表/中斷過程示意圖)，4.8(通道流量計算/通道時間圖)1.5 第 5 章(P343)5.9（管道性能/時空圖）,5.15（1991.5）7.26 侈級網(wǎng)絡(luò)路由算法）,7.27（尋路/任播算法）31.8 第 8 章（P498）8.12（SISD/SIMD 算法）1.9 第 9 章（P562）9.18（SISD/多功能單元/SIMD/MIMD 算法）（注:1-2 主要知識下劃線是推薦的主要知識點。）42 例，練習(xí)2.1 第 1 章（P33）例 1.1,p10假設(shè)某個系統(tǒng)的某個

6、部分的處理速度提高到 10 倍，但該部分的原始處理時間僅為整個運行時間的 40%,那么采用加速措施能在多大程度上提高整個系統(tǒng)的性能？根據(jù)阿姆達(dá)爾定律To1?費恩（1?Fe）?Se11Sn?1.560.40.640.6?10Sn?5時間 t 頁地址流先進先出算法（先進先出算法）未使用時間最長（LRU算法）最優(yōu)替換算法（opt 算法）1P112p213P1124P51*25P442*56P1415*7P34*138P44*139P221*3 實際 P4 點擊 10243*245 點擊調(diào)用替換點擊替換替換11222*5145*145*145*14*31*43243*243*112121212125*

7、12*41*243*23*243*同一頁面地址流的三種頁面替換算法是例 3.9a 循環(huán)程序，依次使用 P1、P2、P3、P4,分配給該程序的主存頁面數(shù)為 3 下圖顯示了三種頁面替換算法41IFO、LRU 和 OPT 對主內(nèi)存頁面的調(diào)度在先進先出和 LRU 算法中，總是會發(fā)生下一次使用的頁面被替換的情況。這就是顛簸”現(xiàn)象時間 T 頁地址流先進先出算法未使用時間最長 （LRU 算法） 最優(yōu)替換算法 （OPT算法）1P112P2123P31*234P442*35P143*6P24*127P331*28P4342*實際點擊率 0次 0 次 3 次來電替換替換替換替換替換 11121*2342*343*

8、4*1231*2342*來話來話替換替換替換替換替換 1123*12412*4134*傳入傳入替換命中替換命中頁面調(diào)度423.1是一個由三個存儲器組成的存儲系統(tǒng)，它們具有不同的訪問速度、存儲容量和每位價格。其中 M1 靠近中央處理器并回答以下問題：m1(t1,S1,C1)m2(T2,S2,C2)m3(T3,S3,C3)(1)寫出該三級存儲系統(tǒng)的等效訪問時間 t,等效存儲容量 s 和表等效每比特價格 c 公式(2)在什么條件下，整個存儲系統(tǒng)的每位價格接近 C3?3.3直接生成公式計算存儲級性能指標(biāo)(1)74ns、38ns、23.6ns(2)0.2580.315、0.424(3)T256KC128

9、KC64K43(4)19.092、11.97、10.0064 答案是 256 千是最好的3.51?(1?已知知識？g,其中 g=0.1表示 k?1?(1?g)n?11 歲？(1?nn?1g?Kn?0.2?g?0.2 整理至 0.9n0.2 求解 n?lg0.2lg0.9?15.28,四舍五入到 15;根據(jù)另一個話題的意思，理解是四舍五入取 16,這也是事實3.7模式 1:16 模塊高位交叉44310 模塊號模塊片上地址模式 2:16 模塊并行訪問 310 模塊的片上地址模塊號模式 3:16 模塊低位交叉 310 模塊的片上地址模塊號 256 每 8 個19916 內(nèi)存模塊形成一個大模塊4550

10、.05+5(0.03+0.02)=1.6+0.3+0.2+0.25=2.35(2)設(shè)計 8 位字長寄存器型索引尋址方式的說明如下。因為只有 8 個通用寄存器，所以寄存器地址需要 3 位，操作碼只有 2 位。設(shè)計格式如下：76532034操作碼運算源寄存器 R1 目的寄存器 R2操作碼三條指令分別為 00,01。10設(shè)計的 16 位字長寄存器-存儲器型索引尋址模式指令如下：1512119OPcodeopffi 用寄存器 870 索引寄存器偏移地址四條指令的操作碼分別為 1100、1101、1110。11112.15處理器的指令字長度為 16 位，包括三種類型：雙地址指令、單地址指令和零地址指令。

11、假設(shè)每個地址字段的長度為 6 位(1)如果有 15 條雙地址指令，單地址指令和零地址指令的數(shù)量基本相同，那么有多少條單地址指令和零地址指令？并將操作碼分配給這三種類型的指令(2)如果三種指令的比例約為 1:9:9,雙地址指令、單地址指令和零地址指令有多少條指令？并將操作碼分配給這三種類型的指令解決方案：(1)15/63/64(2)14/126/12835(1)指令空間中各種指令的分布是根據(jù)指令地址的數(shù)量確定的：如果我們從小到大分配操作碼，這樣，按照指令值從小到大的順序，它們是雙地址指令、單地址指令和雙地址指令然后可以根據(jù)指令的數(shù)量粗略估計操作碼的長度：對 15 個指令，需要 4 位操作碼來區(qū)分

12、，剩余的 12 位操作碼被等分為單地址和零地址指令，每個指令可以由 6 位操作碼來區(qū)分，因此，指令的數(shù)量是：15 對雙地址指令，操作碼:0000111a單地址指令 26-1=63,操作碼:1111000000111111111;0零地址指令 64,操作碼:11111111100000011111111111111111(2)與上述分析相同，我們可以得到答案：14 雙地址指令和操作碼:00001101;單地址指令 2x2-2=126,111000000011101111101111000000111111110 零地址指令 128111011111100000011101111111111111

13、,11111111000001111111111111111111111111000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 地址指令 64+62=64 單地址指令操作碼 1110000000111011111,13662 單地址指令操作碼 1111000000111111101 零地址指令 1281111111110000000111011111110111111111100000111111111111111111111112.3 第 3 章(P202)例 3.1假設(shè) T2=5t1

14、,條件為解決方案t11e?2TH?T1?(1?h)?T2H?(1?h)?當(dāng) h=0.9 時，E1=1/(0.9+5(1-0.9)=0.72 當(dāng) h=0.99時， E2=1/(0.99+5(1-0.99)=0.96?有兩種方法可以提高存儲系統(tǒng)的速度： 一種是提高命中率 H372。兩個存儲器的速度不應(yīng)相差太多。其中，第二種方法有時是不可能的（例如虛擬內(nèi)存）。因此，它主要取決于提高命中率例 3.2。在虛擬存儲系統(tǒng)中，兩個存儲器之間的速度差異特別大，T2=10t1解決方案:0.9?51?(1?h)?1050.9h+90000(1-h)=189999.1h=8999計算 h=0.999998887777

15、7.弋 0.99999例 3.3在高速緩存系統(tǒng)中，當(dāng)高速緩存塊大小為一個字時，命中率為 h=0.8假設(shè)數(shù)據(jù)重用率為 5,緩存塊大小為 4 個字，緩存存儲系統(tǒng)的命中率是多少？假設(shè) T2=5t1,訪問效率單獨計算。溶液:n=45=20。預(yù)取后，命中率提高到38H/h?n?10.8?20?1?當(dāng)塊大小 0.99n20Cache 為一個字時，h=0.8,訪問效率為：E1=1/(0.8+5(1-0.8)=0.55當(dāng)cache 的塊大小為 4 個字時，h=0.99。訪問效率為：E2=1/(0.99+5(1-0.99)=0.96例 3.4在虛擬存儲系統(tǒng)中，T2=10t1,原來的命中率只有 0.8,現(xiàn)在采用預(yù)

16、取技術(shù)，訪問磁盤存儲器的數(shù)據(jù)塊大小為 4K 字，如果要求訪問效率不小于 0.9,那么主存儲器中計算出來的數(shù)據(jù)重用率至少是多少？解決方案:假設(shè)主內(nèi)存中數(shù)據(jù)的重用率為 m,根據(jù)上面給出的關(guān)系：0.9?10.8?4096 米？1,H?54096mH?（1?h）?10.求解該方程組得到 m=44,即主存儲器中的數(shù)據(jù)重用率至少為 44 倍。39例 3.6Star-100 超級計算機存儲系統(tǒng)以并行和交叉模式工作，32 個存儲體在低位交叉，每次并行讀寫 512 位，存儲周期 1.28um（核心內(nèi)存），處理器字長 32 位，計算帶寬 Bm 和峰值速度 t解決方案：因為:n=32,w=512,TM=1280ns,BM=nw/TM=32?512b/1280ns=12.8GB/s=1.6GB/s=400MW/st=2.5ns峰值速度比 Tm 高 512 倍例 3.8個程序共 5 頁，分別為 P1P5 程序執(zhí)行期間的頁面地址流（即程序執(zhí)行期間按順序使用的頁面）如下：P1、P2、P1、P5、P5、P1、P3、P4、P3、P4假設(shè)分配給該程序的主存儲器總共有 3 頁給出了先進先出、 LRU 和最優(yōu)三頁替換算法在這三頁主存中的應(yīng)用，包括調(diào)入、替換和命中等