体系结构大题.ppt

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。 系统性能加速比： 加速比依赖于两个因素 可改进比例（Fe）：在改进前的系统中，可改进部分的执行时间在总的执行时间中所占的比例。 它总是小于等于1。 例如：一个需运行60秒的程序中有20秒的运算可以加速， 那么这个比例就是20/60。 部件加速比（Se） ：可改进部分改进以后性能提高的倍数。它是改进前所需的执行时间与改进后执行时间的比。 一般情况下部件加速比是大于1的。 例如：若系统改进后，可改进部分的执行时间是2秒， 而改进前其执行时间为5秒，则部件加速比为5/2。 例1.1 将计算机系统中某一功能的处理速度加快15倍，但该功能的处理时间仅占整个系统运行时间的40%，则采用此增强功能方法后，能使整个系统的性能提高多少？ 解 由题可知： Fe = 40% = 0.4 Se = 15 根据Amdahl定律可知： 采用此增强功能方法后，能使整个系统的性能提高到原来的1.6倍。 改进后程序的总执行时间Tn 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25倍，而系统运行某一程序的整体性能提高到原来的4倍，试计算该程序中浮点操作所占的比例。 解 由题可知： Se = 25 Sn = 4 根据Amdahl定律可知： 由此可得：Fe = 78.1% 即程序中浮点操作所占的比例为78.1%。 Amdahl定律：一种性能改进的递减规则 如果仅仅对计算任务中的一部分做性能改进，则改 进得越多，所得到的总体性能的提升就越有限。 重要推论：如果只针对整个任务的一部分进行改 进和优化，那么所获得的加速比不超过： 1/（1－可改进比例） 哈夫曼编码 基本思想：当各种事件发生的概率不均等时，可以对发生概率最高的事件用最短的位数（时间）来表示（处理），而对于出现概率较低的事件，则可以用较长的位数（时间）来表示（处理），从而使总的平均位数（时间）缩短。 构造哈夫曼树的方法 将各事件按其使用频度从小到大依次排列 ； 每次从中选择两个频度值最小的结点，将其合并成一个新的结点，并把新结点画在所选结点的上面， 然后用两条边把新结点分别与那两个结点相连。 新结点的频度值是所选两个结点的频度值的和。 把新结点与其他剩余未结合的结点一起，再以上面的步骤进行处理，反复进行，直到全部结点都结合完毕、形成根结点为止。 操作码优化的程度可以用信息熵来衡量。 表示用二进制编码表示n个码点时，理论上的最短平均编码长度 。 例2.1 假设某模型机有7条指令，这些指令的使用频度如表左 边所示。 (1) 计算这7条指令的操作码编码的最短平均码长； (2) 画出哈夫曼树，写出这7条指令的哈夫曼编码，并计算该 编码的平均码长和信息冗余量。 2.3 指令系统的设计与优化 2.3 指令系统的设计与优化 解 （1） （2）其哈夫曼树如图所示，该树的每个叶结点分别对应于一条指 令。在该树中，对每个结点向下的两个分支，分别用二进制“1”和 “0”来表示。 从该哈夫曼树可以很容易地写出哈夫曼编码。 具体方法：对于任意一条指令Ii （i=1，2，…，7），从哈 夫曼树根结点出发、沿一条路径连接到叶结点Ii，把途中所经过的各 分支的“0”和“1”按从左到右的顺序记录下来，便是该指令的哈夫曼 编码。上表中列出了所有指令的哈夫曼编码。 2.3 指令系统的设计与优化 该哈夫曼编码的平均码长是： 其信息冗余量为 3.2 流水线的性能指标 例3.1 设在下图所示的静态流水线上计算： 流水线的输出可以直接返回输入端或暂存于相应的流水寄存器中，试计算其吞吐率、加速比和效率。 3.2 流水线的性能指标 解：（1）选择适合于流水线工作的算法 先计算A1+B1、A2+B2、A3+B3和A4+B4； 再计算(A1+B1)×(A2+B2)和(A3+B3)×(A4+B4)； 然后求总的乘积结果。 （2）画出时空图 3.2 流水线的性能指标 在18个△t时间中，给出了7个结果。吞吐率为： 3.2 流水线的性能指标 3.2 流水线的性能指标 主要原因 多功能流水线在做某一种运算时，总有一些段是空闲的； 静态流水线