华中科技大学计算机系统结构复习题

AdvancedComputerArchitecture高级计算机系统结构（复习题）-考试时间：1月20号下午根据曹强老师的写的，不知道会不会有错误，祝大家好成绩——by刘梦博By刘梦博Amdahl’sLawenhancedenhancednewoldoverallSpeedupFractionFraction1ExTimeExTimeSpeedup1enhancedenhancedenhancedoldnewSpeedupFractionFractionExTimeExTime12enhancedenhancednewSpeedupFraction1Bestyoucouldeverhopetodo:enhancedmaximumFraction-11SpeedupBy刘梦博例题选讲（1）考虑下面3个处理器（X,Y和Z），都在一定硅面积（16A）上制造。假设单个线程的性能随着其使用面积的平方根增长。在上述3种处理器运行某一程序，这个程序串行的比例是S，而（1-S）为完全可并行的，完全使用Z中一个小核完成该程序的时间为T。ProcessorX1largecoreofarea16AProcessorY4mediumcoresofarea4AProcessorZ16smallcoresofareaA分别计算3个处理器完成程序的时间。（1）X：面积是Z小核的16倍，则程序执行时间为1/4；（2）Y：单个核面积是Z小核的4倍，则串行部分需要S*T/2，4个核并行部分执行时间为((1-S)*T/2)/4，总时间为3S*T/8+T/8（3）Z：S*T+(1-S)*T/16=15S*T/16+T/163By刘梦博例题选讲（2）某处理器能够使用DVFS技术来降低处理器的能耗，如果电压降低15%，则相应的频率也下降15%。请问使用DVFS之后，对于动态能耗和动态功率的影响?解Energydynamic=Capacitiveload×Voltage2Powerdynamic=1/2×capacitiveload×Voltage2×Frequencyswitched处理器的晶体管数量不变，则动态能耗之比为：72.085.0)85.0(22VoltageEnergynew动态功率为：动态能量为原来的72%，动态公路车为原来的61%472.085.022VoltageEnergyold61.085.072.0switchedFrequencyswitchedFrequencyPowerPoweroldnewBy刘梦博例题选讲（3）ComponenttypeProductPerformancePowerProcessorSunNiagara8-core1.2GHz72-79WpeakIntelPentium42GHz48.9-66WDRAMKingstonX64C3AD21GB184-pin3.7WKingstonD2N31GB240-pin2.3WHarddriverDiamondMax165400rpm7.0Wread/seek.2.9WidleDiamondMax97200rpm7.9Wread/seek.4.0WidleDiamondMax97200rpm7.9Wread/seek.4.0Widle5假设每个部件处于最大负载，电源功率效率为80%，2GB240针内存，7200RPM硬盘。计算IntelP4服务器实际功率是多少？使用该服务器使用7200RPM（DM9）硬盘，硬盘60%的时间空闲，磁盘的实际功率是多少？如果DM9存取数据的时间为DM16的75%，如果两个盘的能耗相同，则DM9的空闲时间比例是多少？By刘梦博解：（1）0.8x=66+2*2.3+7.9则x=0.99W（2）0.6*4+0.4*7.9=5.56W（3）W_DM9=0.75*W_DM16W_DM9=1–I_DM9W_DM16=1–I_DM16W_DM9*7.9+I_DM9*4=W_DM9*7.9+I_DM9*4=W_DM16*7+I_DM16*2.9So:I_DM9=29.8%6By刘梦博CPU的性能公式CPI是衡量CPU执行指令效率的重要指标。让我们先考虑一个标准测速程序的全部执行时间Te和其中所有第i种指令的累计时间Ti，易知其中：另一方面，我们又可以写,CYCLECPIICTeCYCLECPIICTiii，fCYCLE1niiICIC1nnn比较上面第一式与最后一式，可以得到CPI与CPIi的关系或者写为它表明CPI为所有CPIi的加权平均值7CYCLECPIICCYCLECPIICTnininiiiiii111e)(TniiiCPIICCPIIC1)(,)(1niiiCPIICICCPICycleSecondsnInstructioCyclesogramnsInstructioogramSecondstimeCPUPrPrBy刘梦博例题选讲（4）A计算机指令系统中含有一条特殊的多媒体处理指令，如果不使用这条指令，A计算机的MIPS为400，但执行该指令时，其执行时间是其他指令的4倍；B计算机MIPS为600，没有这条指令，但可以用其他10条指令构成子程序来代替这条指令。有10000行某段程序在A计算机上顺序执行时，这条多媒体指令出现的比例是20%。假设两台计算机除那条多媒体指令外，所有指令和指令的执行周期数都相同。问：哪台计算机先完成同样的计算任务？（需要通过计算结果比较）。答案：A计算机的指令条数为10000条，8000条以MIPS为400的速度执行，2000条以MIPS为100的速度执行。B计算机的指令条数为度执行，2000条以MIPS为100的速度执行。B计算机的指令条数为8000+2000*l0=28000条，以MIPS为800的速度执行。A计算机执行时间=8000/(400*10^6)+2000/(100*10^6)=20us+20us=40usB计算机执行时间=28000/(600*10^6)=280/6=46.6us所以，A计算机先完成86^10*MIPS指令数执行时间By刘梦博例题选讲（5）CPU性能问题：CPU的动态功率为：某8核MCPUx能够动态启动和关闭工作的核，假设某一程序80%部分可以并行执行，不考虑L1，L2$对于计算过程和功耗的影响，CPl在两种情况下都不变；在单核运行时，程序执行的时间为T0，P0为运行功率。下面有两个调度方案，请分别计算该程序运行在两种情况下的实际功unitsiiiidynfAVCkP2。下面有两个调度方案，请分别计算该程序运行在两种情况下的实际功耗。（1）只使用一个核，其它核关闭，CPU电压不变，电压增加10%，主频增加25%;（2）使用全部8个核，CPU电压增加10%，主频不变。9By刘梦博解答T0为程序原来执行的时间，P0为单核执行不改变时的功率，其执行程序的总能耗为W0=T0*P0（1）T1=T0/(1+0.25)=0.8*T0P1=(1+10%)2*(1+25%)*P0=1.5125*P0W1=T1*P1=1.21W0（2）T2=(20%+80%/8)*T0=30%T0（2）T2=(20%+80%/8)*T0=30%T0P2=(1+10%)2*8*P0=9.68*P0W2=T2*P2=2.904W010By刘梦博副本可靠性模型（6）S：站点可用性e.g.,99%L：连接可用性e.g.,95%S0S1S4L1L0L3L4L5L6L8L9FimirrorUserA=SL+(1–SL)SLPrimarysitecanbereachedPrimarysiteMirrorsitecanbereached11S2S3L1L23L7L8FihomeDataunavailabilityreducedfrom5.95%to0.35%Availabilityimprovedfrom94%to99.65%Duplicatedavailability=2SL–(SL)2Unavailability=1–2SL+(SL)2=(1–SL)2=0.35%PrimarysiteinaccessibleBy刘梦博例题选讲（7）在下面Tomasulo结构上执行指令，分别计算每条指令写结果阶段的时间（时钟周期数），并画出相应的时空图。（注：写不下了图在下页）Latency12LDF634+R21LDF245+R31MULTDF0F2F410SUBDF8F6F22DIVDF10F0F640ADDDF6F8F22By刘梦博TomasuloOrganizationFromMemFPRegistersFPOpQueueLoadBuffersStoreBuffersLoad1Load2Load3Load4Load5Load6FPaddersFPaddersAdd1Add2Add3FPmultipliersFPmultipliersMult1Mult2ReservationStationsCommonDataBus(CDB)ToMemBuffers13By刘梦博TomasuloExampleInstructionstatus:ExecWriteInstructionjkIssueCompResultBusyAddressLDF634+R2Load1NoLDF245+R3Load2NoMULTDF0F2F4Load3NoSUBDF8F6F2DIVDF10F0F6ADDDF6F8F2ReservationStations:S1S2RSRSTimeNameBusyOpVjVkQjQkTimeNameBusyOpVjVkQjQkAdd1NoAdd2NoAdd3NoMult1NoMult2NoRegisterresultstatus:ClockF0F2F4F6F8F10F12...F300FU14By刘梦博TomasuloExampleCycle1Instructionstatus:ExecWriteInstructionjkIssueCompResultBusyAddressLDF634+R21Load1Yes34+R2LDF245+R3Load2NoMULTDF0F2F4Load3NoSUBDF8F6F2DIVDF10F0F6ADDDF6F8F2ReservationStations:S1S2RSRSTimeNameBusyOpVjVkQjQkTimeNameBusyOpVjVkQjQkAdd1NoAdd2NoAdd3NoMult1NoMult2NoRegisterresultstatus:ClockF0F2F4F6F8F10F12...F301FULoad115By刘梦博TomasuloExampleCycle2Instructionstatus:ExecWriteInstructionjkIssueCompResultBusyAddressLDF634+R21Load1Yes34+R2LDF245+R32Load2Yes45+R3MULTDF0F2F4Load3NoSUBDF8F6F2DIVDF10F0F6ADDDF6F8F2ReservationStations:S1S2RSRSBusyOpVjVkQjQkTimeNameBusyOpVjVkQjQkAdd1NoAdd2NoAdd3NoMult1NoMult2NoRegisterresultstatus:ClockF0F2F4F6F8F10F12...F302FULoad2Load1Note:Unlike6600,canhavemultipleloadsoutstanding16By刘梦博TomasuloExampleCycle3Instructionstatus:ExecWriteInstructionjkIssueCompResultBusyAddre