计组之一（概述）

一、为什么说指令按地址访问，数据都在指令中直接给出为什么不对？

因为还有一些指令是从存储器里面取出来的。

二、有关程序运行时间的计算

根据题目内容，可以按以下步骤分析：

题目：

假设基准程序 A 在某计算机上的运行时间为 100 秒，其中 90 秒为 CPU 时间，其他为 I/O 时间。如果 CPU 速度提高 50%，而 I/O 速度不变，则运行基准程序 A 所耗费的时间为多少？

分析：

1. 初始情况：

   • 总运行时间：100 秒
   • CPU 时间：90 秒
   • I/O 时间：100 - 90 = 10 秒

2. 提高 CPU 速度 50%：

   • CPU 时间将减少，假设 CPU 时间减少 50%，则新的 CPU 时间为：

     新 CPU 时间 = 90 / 1.5 = 60 秒
     

   • I/O 时间不变，因此新的总时间为：

     总时间 = 新 CPU 时间 + I/O 时间 = 60 + 10 = 70 秒
     

结论：

因此，运行基准程序 A 所需的时间为 70 秒。

答案是：D. 70s

三、CPI和MIPS相关计算

MIPS:每秒执行多少百万条指令
CPI:执行一条指令需要的时钟周期数
根据你上传的图片，以下是提取的题目内容：

某计算机的主频为 1.2GHz，其中指令分为 4 类，它们在基准程序中所占比例如下表所示。

指令类型	所占比例	CPI
A	50%	2
B	20%	3
C	10%	4
D	20%	5

该机的 MIPS 数值是（）。

平均CPI（每条指令的时钟周期数）。
计算平均CPI：
平均CPI = Σ(比例 × CPI)
= 50% × 2 + 20% × 3 + 10% × 4 + 20% × 5
= 0.5 × 2 + 0.2 × 3 + 0.1 × 4 + 0.2 × 5
= 1 + 0.6 + 0.4 + 1
= 3
计算MIPS：
MIPS公式为：MIPS = 时钟频率(MHz) / 平均CPI
给定条件：

主频 = 1.2GHz = 1200MHz
平均CPI = 3

因此：
MIPS = 1200MHz / 3 = 400

MIPS = 时钟频率(MHz) / 平均CPI 怎么算出来的

这个公式来源于MIPS的定义和计算机性能的基本关系。

1. MIPS的定义
MIPS = Million Instructions Per Second（每秒百万条指令）

2. 基本性能关系

• 执行时间 = 指令数 × CPI × 时钟周期时间
• 时钟周期时间 = 1 / 时钟频率

3. 推导过程

每秒能执行的指令数 = 时钟频率 / CPI

这是因为：

• 时钟频率：每秒的时钟周期数
• CPI：每条指令需要的时钟周期数
• 所以每秒指令数 = 每秒时钟周期数 / 每条指令的时钟周期数

4. 转换为MIPS

MIPS = 每秒指令数 / 10⁶
= (时钟频率 / CPI) / 10⁶
= 时钟频率(Hz) / (CPI × 10⁶)

5. 使用MHz单位
当时钟频率用MHz表示时：

• 1MHz = 10⁶Hz
• 所以：MIPS = 时钟频率(MHz) × 10⁶ / (CPI × 10⁶) = 时钟频率(MHz) / CPI

这就是公式的来源：MIPS = 时钟频率(MHz) / 平均CPI

本质上，这个公式表示的是：在给定的时钟频率下，考虑到指令的平均复杂度（CPI），计算机每秒能执行多少百万条指令。

四、程序的执行时间的计算

程序P在机器M上的执行时间是20s，编译优化后，P执行的指令数减少到原来的70%，而CPI增加到原来的1.2倍，则P在M上的执行时间是多少
根据计算机性能公式：
执行时间 = 指令数 × CPI × 时钟周期时间
设原来的参数为：

指令数 = N
CPI = C
时钟周期时间 = T
原执行时间 = N × C × T = 20s

优化后的参数：

指令数 = 0.7N（减少到70%）
CPI = 1.2C（增加到1.2倍）
时钟周期时间 = T（不变）
优化后的执行时间：
= 0.7N × 1.2C × T
= 0.7 × 1.2 × (N × C × T)
= 0.84 × 20s
= 16.8s

五 程序运行时间问题

我来提取题目文字并解答：

假定计算机M1和M2具有相同的指令集体系结构(ISA)，主频分别为1.5GHz和1.2GHz。在M1和M2上运行某基准程序P，平均CPI分别为2和1，则程序P在M1和M2上运行时间的比值是（）。
A. 0.4 B. 0.625 C. 1.6 D. 2.5

解答：

根据计算机性能公式：
执行时间 = 指令数 × CPI × 时钟周期时间

由于两台机器具有相同的ISA，运行相同的程序P，所以指令数相同。

设指令数为N，则：

M1的执行时间：

• 主频 = 1.5GHz，时钟周期时间 = 1/(1.5×10⁹) s
• CPI = 2
• 执行时间₁ = N × 2 × 1/(1.5×10⁹) = 2N/(1.5×10⁹)

M2的执行时间：

• 主频 = 1.2GHz，时钟周期时间 = 1/(1.2×10⁹) s
• CPI = 1
• 执行时间₂ = N × 1 × 1/(1.2×10⁹) = N/(1.2×10⁹)

计算比值：
执行时间₁/执行时间₂ = [2N/(1.5×10⁹)] / [N/(1.2×10⁹)]
= [2N/(1.5×10⁹)] × [(1.2×10⁹)/N]
= 2 × 1.2/1.5
= 2.4/1.5
= 1.6

所以结果是 1.6

六、哪些部件与机器字长相同

核心观点：

1. 机器字长定义：CPU内部用于整数运算的数据通路的宽度

2. 数据通路概念：数据在指令执行过程中所经过的路径及路径上的部件，主要是CPU内部进行数据运算、存储和传送的部件

3. 关键结论：这些部件的宽度基本上要一致才能相互匹配，因此机器字长等于ALU位数和通用寄存器宽度

重新分析各选项：

• ALU：作为数据通路的核心部件，其位数确实与机器字长相同
• 指令寄存器：存储指令，指令长度可能与数据通路宽度不同
• 通用寄存器：作为数据通路的组成部分，宽度与机器字长相同
• 浮点寄存器：专门处理浮点数，位数由浮点标准决定，不一定与机器字长相同

正确答案应该是：B. 仅I、III

机器字长——它是由数据通路的宽度决定的，而ALU和通用寄存器都是数据通路的关键组成部分，它们的位数必须与机器字长保持一致以确保数据处理的匹配性。

七、浮点操作数计算

2017年公布的全球超级计算机TOP 500排名中，我国"神威·太湖之光"超级计算机蝉联第一，其浮点运算速度为93.0146 PFLOPS，说明该计算机每秒完成的浮点操作次数约为（）
PFLOPS = 每秒1000万亿（10¹⁵）次浮点运算。故93.0146 PFLOPS ≈ 每秒9.3×10¹⁶次浮点运算，即每秒9.3亿亿次浮点运算

八、CPI和CPU计算

某计算机主频为1GHz，程序P运行过程中，共执行了10000条指令，其中，80%的指令执行平均需1个时钟周期，20%的指令执行平均需10个时钟周期。程序P的平均CPI和CPU执行时间分别是（）
第一步：计算平均CPI
平均CPI = 各类指令的比例 × 对应的CPI之和
= 80% × 1 + 20% × 10
= 0.8 × 1 + 0.2 × 10
= 0.8 + 2.0
= 2.8
第二步：计算CPU执行时间
执行时间 = 指令数 × 平均CPI × 时钟周期时间
已知：

指令数 = 10000条
平均CPI = 2.8
主频 = 1GHz，所以时钟周期时间 = 1/(1×10⁹) = 10⁻⁹s

因此：
CPU执行时间 = 10000 × 2.8 × 10⁻⁹s
= 28000 × 10⁻⁹s
= 2.8 × 10⁻⁵s
= 28 × 10⁻⁶s
= 28μs

1秒=1,000,000 微秒 (μs)

九、执行速度和CPU时间计算

若机器M的主频为1.5GHz，在M上执行程序P的指令条数为5×10⁵，P的平均CPI为1.2，则P在M上的指令执行速度和用户CPU时间分别为（）
第一步：计算指令执行速度（GIPS）
指令执行速度 = 主频 / 平均CPI
= 1.5GHz / 1.2
= 1.25GIPS
第二步：计算用户CPU时间
方法1：使用总时钟周期数

总时钟周期数 = 指令条数 × 平均CPI = 5×10⁵ × 1.2 = 6×10⁵
时钟周期时间 = 1 / 主频 = 1 / (1.5×10⁹) s
CPU时间 = 总时钟周期数 × 时钟周期时间 = 6×10⁵ × (1/(1.5×10⁹)) = 4×10⁻⁴s = 0.4ms

方法2：使用公式
CPU时间 = 指令条数 × 平均CPI × 时钟周期时间
= 5×10⁵ × 1.2 × (1/(1.5×10⁹))
= 6×10⁵ / (1.5×10⁹)
= 4×10⁻⁴s = 0.4ms