计算机体系结构习题-1

1. 计算机系统可划分为哪几个层次，各层次之间的界面是什么？你认为这样划分层次的意义何在？

2. 在三台不同指令系统的计算机上运行同一程序P时，A机器需要执行(1.0\times{}10^{9)条指令，B机器需要执行(2.0\times{}10}9)条指令，C机器需要执行(3.0\times{}10^9)条指令，但三台机器的实际执行时间都是100秒。请分别计算出这三台机器的MIPS，并指出运行程序P时哪台机器的性能最高。

3. 假设某程序中可向量化的百分比为P，现在给处理器中增加向量部件以提升性能，向量部件的加速比是S。请问增加向量部件后处理器运行该程序的性能提升幅度是多少？

4. 处理器的功耗可简单分为静态功耗和动态功耗两部分，其中静态功耗的特性满足欧姆定律，动态功耗在其他条件相同的情况下与频率成正比。现对某处理器进行功耗测试，得到如下数据：关闭时钟，电压1.0V时，电流为100mA；时钟频率为1GHz，电压1.1V时，电流为2100mA。请计算此处理器在时钟频率为2GHz、电压为1.1V时的总功耗。

5. 在一台个人计算机上进行SPEC CPU 2000单核性能的测试，分别给出无编译优化选项和编译优化选项为-O2的测试报告。

6. 分别在苹果手机、华为手机以及X86-Windows机器上测试浏览器Octane（参见https：//chromium.github.io/octane/）的分值，并简单评述。

解答：

1. 计算机系统通常可以划分为五个层次：硬件、操作系统、系统软件、应用软件和用户。各层次之间的界面主要是API（应用程序接口）。这样划分的意义在于，每个层次都可以独立地进行设计和实现，同时也可以独立地进行修改和优化，而不会影响到其他层次。

2. MIPS（Million Instructions Per Second）是一种衡量计算机性能的指标，计算公式为：MIPS = 执行的指令数 / (执行时间 * 10^6)。根据这个公式，我们可以计算出A、B、C三台机器的MIPS分别为10, 20, 30。因此，运行程序P时，C机器的性能最高。

3. 处理器运行程序的性能提升幅度可以用Amdahl定律来计算，公式为：性能提升 = 1 / [(1-P) + P/S]。其中，P是可向量化的百分比，S是向量部件的加速比。

4. 处理器的总功耗可以通过欧姆定律和功耗公式来计算，公式为：功耗 = 静态功耗 + 动态功耗 = V * I静态 + C * V^2 * f。其中，V是电压，I静态是静态电流，C是电容，f是频率。根据这个公式，我们可以计算出处理器在时钟频率为2GHz、电压为1.1V时的总功耗。

5. SPEC CPU 2000是一种衡量计算机性能的标准测试，无编译优化选项和编译优化选项为-O2的测试报告会分别给出测试的结果和性能评估。

6. 在苹果手机、华为手机以及X86-Windows机器上测试浏览器Octane的分值，可以通过运行Octane的测试程序来获取。测试结果的评述主要取决于具体的分值和测试环境。