前言

以下内容源自《【计算机系统结构】》
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计算机系统结构

第一章 作业

例1.2

例1.2 某计算机系统采用浮点运算部件后,使浮点运算速度提高到原来的20倍,而系统运行某一程序的整体性能提高到原来的5倍,试计算该程序中浮点操作所占的比例。

解
由题可知,部件加速比=20,系统加速比=5。
根据 Amdahl定律可知,
5=1/[(1-可改进比例)+可改进比例/20]
可改进比例由此可得,可改进比例=84.2% ,即程序中浮点操作所白的比例为84.2%。

例1.3

下面通过一个例子来说明上述CPU性能公式的应用。
例1.3假设考虑条件分支指令的两种不同的设计方法:
①CPU_A，通过比较指令设置条件吗，然后测试条件码进行分支。
②CPU_B，在分支指合中包括比较过程。
在这两种CPU中,条件分支指令都占用2个时钟周期,而其他指令占用1个时钟周期。
对与CPU_A，执行的指令中分支指令占20%；由于每条分支指令之前都需要有比较指令，公吉时不需要比较,因此比较指令也占20%。由于CPU_A在分支时不需要比校，因此CPU_B周期时间是CPU_A的1.25倍。问:哪一个CPU更快?如果CPU_B的时钟周期时间只是CPU_A的1.1倍,哪一个CPU更快?

解
不考虑所有系统问题,所以可用CPU 性能公式。占用2个时钟周期的分支指令占总指令的20%,剩下的指令占用1个时钟周期。所以
CPI~A~=0.2×2+0.80×1=1.2
则CPU~A~性能为
总CPU时间,=IC~A~×1.2X时钟周期~A~
根据假设.有
时钟周期~B~=1.25×时钟周期~A~
在 CPU~B~中没有独立的比较指令,所以CPU~B~的程序量为CPU~A~的 80%,分支指令的比例为
20%/80%=25%
这些分支指令占用2个时钟周期,而剩下的75%的指令占用1个时钟周期,因此
CPI~B~=0.25×2+0.75×1=1.25
因为CPU~B~不执行比较,故
IC~B~=0.8×IC~A~
因此,CPU~B~性能为
总CPU时间~B~=IC~B~×CPI~B~×时钟周期~B~
=0.8×IC~A~×1.25×(1.25×时钟周期~A~)=
1.25×IC~A~×时钟周期~A~
在这些假设之下,尽管CPU~B~执行指令条数较少，CPU~A~因为有着更短的时钟周期所以比CPU~B~快。
如果CPU,的时钟周期时间仅仅是CPU 的1.1倍,则
时钟周期~B~=1.10×时钟周期~A~
CPU的性能为
总CPU时间~B~=IC~A~×CPI~B~×时钟周期~B~。
=0.8×IC~A~×1.25×(1.10×时钟周期~A~)
=1.10×IC~A~×时钟周期~A~
因此，CPU~B~由于执行更少的指令条数，比CPU~A~运行更快。

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1.4 计算机系统设计中经常使用的4个定量原理是什么？请说说它们的含义。

1.以经常性事件为重点
在计算机系统的设计中经常要在不同的方法之间进行折中,这时要按照对经常发生的情况采用优化方法的原则进行选择,
因为这样能得到更多的总体上的改进。这里优化是指分配更多的资源、达到更高的性能或者分配更多的电能等。
2.Amdahl定律
加快某部件执行速度所能获得的系统性能加速比，受限于该部件的执行时间占系统中总执行时间的百分比。
3.CPU性能公式
执行一个程序所需的CPU时间可以这样来计算:CPU时间=执行程序所需的时钟周期数×时钟周期时间
4.程序的局部性原理
时间局部性和空间局部性

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1.7 将计算机系统中某一功能的处理速度加快10倍,但该功能的处理时间仅为整个系统运行间的40% ,则采用此增强性能方法后,能使整个系统的性能提高多少?

解
由题可知，可改进比例=40%=0.4，部件加速比=10
根据Amdahl定律可知
系统加速比=1/[(1-0.4)+0.4/10]=1.625
所以整个系统的性能提高到原来的1.625倍

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1.9假设某应用程序中有4类操作,通过改进,各操作获得不同的性能提高。具体数据如表1.4所示。

(1)改进后,各类操作的加速比分别是多少?
(2)各类操作单独改进后,程序获得的加速比分别是多少?
(3)4类操作均改进后,整个程序的加速比是多少?