2．简单回答下列问题。（参考答案略）
（1）冯·诺依曼计算机由哪几部分组成？各部分的功能是什么？采用什么工作方式？ （2）摩尔定律的主要含义是什么？
（3）计算机系统的层次结构如何划分？计算机系统的用户可分哪几类？每类用户工作
在哪个层次？
（4）程序的CPI与哪些因素有关？
（5）为什么说性能指标MIPS不能很好地反映计算机的性能？
3．假定你的朋友不太懂计算机，请用简单通俗的语言给你的朋友介绍计算机系统是如何工作的。要求写一页纸左右。
4．你对计算机系统的哪些部分最熟悉，哪些部分最不熟悉？最想进一步了解细节的是哪些部分的内容？
5．若有两个基准测试程序P1和P2在机器M1和M2上运行，假定M1和M2的价格分别是5000元和8000元，下表给出了P1和P2在M1和M2上所花时间和指令条数。
程序
M1 M2 指令条数
执行时间(ms) 10 000
指令条数
执行时间(ms)
150 x106 5000 P1 200x106
P2 300 x103 3 420 x103 6 请回答下列问题：
（1） 对于P1，哪台机器的速度快？快多少？对于P2呢？
（2） 在M1上执行P1和P2的速度分别是多少MIPS？在M2上的执行速度各是多少？
从执行速度来看，对于P2，哪台机器的速度快？快多少？
（3） 假定M1和M2的时钟频率各是800MHz和1.2GHz，则在M1和M2上执行P1
时的平均时钟周期数CPI各是多少？
（4） 如果某个用户需要大量使用程序P1，并且该用户主要关心系统的响应时间而不是
吞吐率，那么，该用户需要大批构成机器时，应该选择M1还是M2呢？为什么？（提示：从性价比上考虑）
（5） 如果另一个用户也需要购进大批机器，但该用户使用P1和P2一样多，主要关心
的也是响应时间，那么，应该选择M1还是M2呢？为什么？
参考答案：
（1） 对于P1，M2比M1快一倍；对于P2，M1比M2快一倍。
（2） 对于M1，P1的速度为：200M/10=20MIPS；P2为300k/0.003=100MIPS。
对于M2，P1的速度为：150M/5=30MIPS；P2为420k/0.006=70MIPS。
从执行速度来看，对于P2，因为100/70=1.43倍，所以M1比M2快0.43倍。
（3） 在M1上执行P1时的平均时钟周期数CPI为：10x800M/(200x106)=40
在M2上执行P1时的平均时钟周期数CPI为：5x1.2G/(150x106)=40
（4） 考虑运行P1时M1和M2的性价比，因为，该用户主要关心系统的响应时间，所
以，性价比中的性能考虑执行时间，其性能为执行时间的倒数。故性价比R为：
R=1/（执行时间x价格）
R越大说明性价比越高，也即，“执行时间x价格”的值越小，则性价比越高。
因为10x5000 > 5x8000，所以，M2的性价比高。应选择M2。
（5） P1和P2需要同等考虑，性能有多种方式：执行时间总和、算术平均、几何平均。
若用算术平均方式，则：因为，(10+0.003)/2x5000 > (5+0.006)/2x8000，
所以，M2的性价比高。应选择M2。
若用几何平均方式，则：因为，sqrt(10x0.003)x5000 < sqrt(5x0.006)x8000，
所以，M1的性价比高，应选择M1。
6．若机器M1和M2具有相同的指令集，其时钟频率分别为1GHz和1.5GHz。在指令集中有5种不同类型的指令A～E。下表给出了在M1和M2上每类指令的平均时钟周期数CPI。
程序
A B C D E M1 1 2 2 3 4 M2 2 2 4 5 6 请回答下列问题：
（1）M1和M2的峰值MIPS各是多少？
（2）假定某个程序P的指令序列中，5类指令具有完全相同的指令条数，则程序P在M1和M2上运行时，哪台机器更快？快多少？在M1和M2上执行程序P时的平均时钟周期数CPI各是多少？ 参考答案：
（1）M1上可以选择一段都是A类指令组成的程序，其峰值MIPS为1000MIPS。
M2上可以选择一段A和B类指令组成的程序，其峰值MIPS为1500/2=750MIPS。 （2） 5类指令具有完全相同的指令条数，所以各占20%。
在M1和M2上执行程序P时的平均时钟周期数CPI分别为：
M1：20% x (1+2+2+3+4)= 0.2 x 12 = 2.4
M2：20% x (2+2+4+5+6)= 0.2 x 19 = 3.8
假设程序P的指令条数为N，则在M1和M2上的执行时间分别为：
M1：2.4 x N x 1/1G = 2.4N (ns) M2：3.8 x N x 1/1.5G = 2.53 N (ns)
所以，M1执行P的速度更快，每条指令平均快0.13ns。 7．假设同一套指令集用不同的方法设计了两种机器M1和M2。机器M1的时钟周期为0.8ns，机器M2的时钟周期为1.2ns。某个程序P在机器M1上运行时的CPI为4，在M2上的CPI为2。对于程序P来说，哪台机器的执行速度更快？快多少？
参考答案：假设程序P的指令条数为N，则在M1和M2上的执行时间分别为：
M1：4 N x 0.8 = 3.2N (ns) M2：2 N x 1.2 = 2.4 N (ns)
所以，M2执行P的速度更快，每条指令平均快0.8ns。
8．假设某机器M的时钟频率为4GHz，用户程序P在M上的指令条数为8x109，其CPI为1.25，则P在M上的执行时间是多少？若在机器M上从程序P开始启动到执行结束所需的时间是4秒，则P占用的CPU时间的百分比是多少？
参考答案：程序P在M上的执行时间为：1.25 x 8 x 109 x 1/4G = 2.5 s 从启动P执行开始到执行结束的总时间为4秒，其中2.5秒是P在CPU上真正
的执行时间，其他事件可能执行操作系统程序或其他用户程序。 所占的百分比为：2.5/4 = 62.5%
9．假定某编译器对某段高级语言程序编译生成两种不同的指令序列S1和S2，在时钟频率
为500MHz的机器M上运行，目标指令序列中用到的指令类型有A、B、C和D四类。四类指令在M上的CPI和两个指令序列所用的各类指令条数如下表所示。
项 目 各指令的CPI S1的指令条数 S2的指令条数
A B C D 1 2 3 4 2 2 2 4 4 1 2 1 请问：S1和S2各有多少条指令？CPI各为多少？所含的时钟周期数各为多少？执行时间各为多少？
参考答案：S1和S2的指令条数分别为：10和8 S1和S2的CPI分别为：
S1：1x2/10+2x2/10+3x2/10+4x4/10=28/10=2.8 S2：1x4/8+2x1/8+3x2/8+4x1/8=16/8=2
S1和S2所含的时钟周期数分别为：
S1：28；S2：16
S1和S2的执行时间分别为：
S1：28x1/500M = 56ns；S2：16x1/500M = 32ns
10．假定机器M的时钟频率为1.2GHz，某程序P在机器M上的执行时间为12秒钟。对P优化时，将其所有的乘4指令都换成了一条左移2位的指令，得到优化后的程序P’。已知在M上乘法指令的CPI为5，左移指令的CPI为2，P的执行时间是P’执行时间的1.2倍，则P中有多少条乘法指令被替换成了左移指令？
参考答案：显然，P’的执行时间为10秒，因此，P比P’多花了2秒钟，因此，被换成左移指令的乘法指令的条数为：1.2Gx2/(5-2) = 800M
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