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)題答案以及例題收錄

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)題答案以及例題收錄片上地址模塊內(nèi)部體號(hào)模式 5:4 高階交叉 4 低階交叉16 存儲(chǔ)器模塊每 4 個(gè)形成一個(gè)大模塊：片上地址模塊內(nèi)部體號(hào)模式 6:4 并行訪問(wèn) 4 低階交叉 310 模塊片上地址模塊號(hào)輸出選擇（1）所有這些存儲(chǔ)器可以并行工作，因此帶寬可以增加一般來(lái)說(shuō)，并行內(nèi)存訪問(wèn)的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是訪問(wèn)沖突大。高階交錯(cuò)存儲(chǔ)器具有擴(kuò)展方便、存取效率低的優(yōu)點(diǎn)。低階交叉存取存儲(chǔ)器可以分時(shí)方式提高速度46，但擴(kuò)展不方便。（2）各種存儲(chǔ)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(dú)立控制電路和寄存器，那么它們的帶寬是相同的。（3）存儲(chǔ)器原理圖注意，并行存取存儲(chǔ)器非常類(lèi)似于低階交叉存取存儲(chǔ)器，除了并行存取存儲(chǔ)器使用存儲(chǔ)器模塊號(hào)（存儲(chǔ)體號(hào)）來(lái)選擇輸出結(jié)果，而低階交叉存取存儲(chǔ)器用于為存儲(chǔ)器模塊（存儲(chǔ)體）生成芯片選擇信號(hào)，這通過(guò)流水線(xiàn)操作提高了存取速度。3.14在頁(yè)面虛擬內(nèi)存中，一個(gè)程序由從 P1 到 P5 的 5 個(gè)虛擬頁(yè)面組成程序執(zhí)行過(guò)程中依次訪問(wèn)的頁(yè)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(chǔ)器分配三個(gè)頁(yè)面，主存儲(chǔ)器的三個(gè)頁(yè)面分別由先進(jìn)先出、先進(jìn)先出和優(yōu)化調(diào)度(1)繪制主內(nèi)存頁(yè)面條目、替換和命中的表(2)計(jì)算三種頁(yè)面替換算法的頁(yè)面命中率3.15(1)當(dāng)分配的主內(nèi)存頁(yè)的數(shù)量大于或等于 5 時(shí)，可以達(dá)到最高的頁(yè)命中率，除了第一次調(diào)入未命中，所有訪問(wèn)都在47:7 實(shí)際命中之后，因此可以達(dá)到的最高頁(yè)命中率是H?7?0.583312(2)由于當(dāng)頁(yè)面數(shù)大于或等于 5 時(shí)肯定可以達(dá)到最高的命中率，讓我們看看當(dāng)頁(yè)面數(shù)小于 5 時(shí)是否可以達(dá)到命中率：當(dāng)由分配的主存儲(chǔ)器頁(yè)面數(shù)等于 4 時(shí)，調(diào)度過(guò)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(shí)也能達(dá)到最高命中率。當(dāng)分配的主存頁(yè)面等于 3 時(shí)，調(diào)度過(guò)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(shí)不能達(dá)到最高命中率,因此應(yīng)該分配至少 4 個(gè)主內(nèi)存頁(yè)面(3)我們假設(shè)程序一次只訪問(wèn)一個(gè)內(nèi)存位置，因此對(duì)每個(gè)特定頁(yè)面的訪問(wèn)過(guò)程可以描述如下：第一次總是錯(cuò)過(guò)，但是平均來(lái)說(shuō)，接下來(lái)的 1023 次總是命中，然后它被再次從主內(nèi)存中調(diào)用。50計(jì)算機(jī)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)，1.19(4)(6)(8)在3.19(地址映射/替換算法-實(shí)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(guò)程示意圖)，4.8(通道流量計(jì)算/通道時(shí)間圖)1.5 第 5 章(P343)5.9（管道性能/時(shí)空?qǐng)D）,5.15（1991.5）7.26 侈級(jí)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(shí)下劃線(xiàn)是推薦的主要知識(shí)點(diǎn)。）42 例，練習(xí)2.1 第 1 章（P33）例 1.1,p10假設(shè)某個(gè)系統(tǒng)的某個(gè)部分的處理速度提高到 10 倍，但該部分的原始處理時(shí)間僅為整個(gè)運(yùn)行時(shí)間的 40%,那么采用加速措施能在多大程度上提高整個(gè)系統(tǒng)的性能？根據(jù)阿姆達(dá)爾定律To1?費(fèi)恩（1?Fe）?Se11Sn?1.560.40.640.6?10Sn?5時(shí)間 t 頁(yè)地址流先進(jìn)先出算法（先進(jìn)先出算法）未使用時(shí)間最長(zhǎng)（LRU算法）最優(yōu)替換算法（opt 算法）1P112p213P1124P51*25P442*56P1415*7P34*138P44*139P221*3 實(shí)際 P4 點(diǎn)擊 10243*245 點(diǎn)擊調(diào)用替換點(diǎn)擊替換替換11222*5145*145*145*14*31*43243*243*112121212125*12*41*243*23*243*同一頁(yè)面地址流的三種頁(yè)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(yè)面數(shù)為 3 下圖顯示了三種頁(yè)面替換算法41IFO、LRU 和 OPT 對(duì)主內(nèi)存頁(yè)面的調(diào)度在先進(jìn)先出和 LRU 算法中，總是會(huì)發(fā)生下一次使用的頁(yè)面被替換的情況。這就是顛簸”現(xiàn)象時(shí)間 T 頁(yè)地址流先進(jìn)先出算法未使用時(shí)間最長(zhǎng) （LRU 算法） 最優(yōu)替換算法 （OPT算法）1P112P2123P31*234P442*35P143*6P24*127P331*28P4342*實(shí)際點(diǎn)擊率 0次 0 次 3 次來(lái)電替換替換替換替換替換 11121*2342*343*4*1231*2342*來(lái)話(huà)來(lái)話(huà)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(yè)面調(diào)度423.1是一個(gè)由三個(gè)存儲(chǔ)器組成的存儲(chǔ)系統(tǒng)，它們具有不同的訪問(wèn)速度、存儲(chǔ)容量和每位價(jià)格。其中 M1 靠近中央處理器并回答以下問(wèn)題：m1(t1,S1,C1)m2(T2,S2,C2)m3(T3,S3,C3)(1)寫(xiě)出該三級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)的等效訪問(wèn)時(shí)間 t,等效存儲(chǔ)容量 s 和表等效每比特價(jià)格 c 公式(2)在什么條件下，整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)的每位價(jià)格接近 C3?3.3直接生成公式計(jì)算存儲(chǔ)級(jí)性能指標(biāo)(1)74ns、38ns、23.6ns(2)0.2580.315、0.424(3)T256KC128KC64K43(4)19.092、11.97、10.0064 答案是 256 千是最好的3.51?(1?已知知識(shí)？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(gè)話(huà)題的意思，理解是四舍五入取 16,這也是事實(shí)3.7模式 1:16 模塊高位交叉44310 模塊號(hào)模塊片上地址模式 2:16 模塊并行訪問(wèn) 310 模塊的片上地址模塊號(hào)模式 3:16 模塊低位交叉 310 模塊的片上地址模塊號(hào) 256 每 8 個(gè)19916 內(nèi)存模塊形成一個(gè)大模塊4550.05+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)寄存器型索引尋址方式的說(shuō)明如下。因?yàn)橹挥?8 個(gè)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(jì)格式如下：76532034操作碼運(yùn)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(jì)的 16 位字長(zhǎng)寄存器-存儲(chǔ)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(zhǎng)度為 16 位，包括三種類(lèi)型：雙地址指令、單地址指令和零地址指令。假設(shè)每個(gè)地址字段的長(zhǎng)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(lèi)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(lèi)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(jì)操作碼的長(zhǎng)度：對(duì) 15 個(gè)指令，需要 4 位操作碼來(lái)區(qū)分，剩余的 12 位操作碼被等分為單地址和零地址指令，每個(gè)指令可以由 6 位操作碼來(lái)區(qū)分，因此，指令的數(shù)量是：15 對(duì)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 128111011111100000011101111111111111,11111111000001111111111111111111111111000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 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,條件為解決方案t11e?2TH?T1?(1?h)?T2H?(1?h)?當(dāng) h=0.9 時(shí)，E1=1/(0.9+5(1-0.9)=0.72 當(dāng) h=0.99時(shí)， E2=1/(0.99+5(1-0.99)=0.96?有兩種方法可以提高存儲(chǔ)系統(tǒng)的速度： 一種是提高命中率 H372。兩個(gè)存儲(chǔ)器的速度不應(yīng)相差太多。其中，第二種方法有時(shí)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(chǔ)系統(tǒng)中，兩個(gè)存儲(chǔ)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(jì)算 h=0.9999988877777.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(gè)字時(shí)，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(gè)字，緩存存儲(chǔ)系統(tǒng)的命中率是多少？假設(shè) T2=5t1,訪問(wèn)效率單獨(dú)計(jì)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(gè)字時(shí)，h=0.8,訪問(wèn)效率為：E1=1/(0.8+5(1-0.8)=0.55當(dāng)cache 的塊大小為 4 個(gè)字時(shí)，h=0.99。訪問(wèn)效率為：E2=1/(0.99+5(1-0.99)=0.96例 3.4在虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)中，T2=10t1,原來(lái)的命中率只有 0.8,現(xiàn)在采用預(yù)取技術(shù)，訪問(wèn)磁盤(pán)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)塊大小為 4K 字，如果要求訪問(wèn)效率不小于 0.9,那么主存儲(chǔ)器中計(jì)算出來(lái)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(chǔ)器中的數(shù)據(jù)重用率至少為 44 倍。39例 3.6Star-100 超級(jí)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)以并行和交叉模式工作，32 個(gè)存儲(chǔ)體在低位交叉，每次并行讀寫(xiě) 512 位，存儲(chǔ)周期 1.28um（核心內(nèi)存），處理器字長(zhǎng) 32 位，計(jì)算帶寬 Bm 和峰值速度 t解決方案：因?yàn)?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(gè)程序共 5 頁(yè)，分別為 P1P5 程序執(zhí)行期間的頁(yè)面地址流（即程序執(zhí)行期間按順序使用的頁(yè)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(chǔ)器總共有 3 頁(yè)給出了先進(jìn)先出、 LRU 和最優(yōu)三頁(yè)替換算法在這三頁(yè)主存中的應(yīng)用，包括調(diào)入、替換和命中等