计算机系统结构复习：Amdahl定律与性能优化

"《计算机系统结构》总复习习题，包含对计算机系统结构的基本概念、Amdahl定律、CPI和程序执行时间等关键知识点的复习。" 在计算机科学领域，计算机系统结构是研究计算机硬件、软件以及它们之间交互方式的学科。这份2021版的《计算机系统结构》总复习习题主要涵盖了以下几个重要知识点： 1. Amdahl定律：Amdahl定律描述了在计算机系统中，当某一部分被优化后的系统整体性能提升的限制。定律公式表示为 \( S = \frac{1}{(1-F) + \frac{F}{s}} \)，其中 \( F \) 是系统中可以被加速的部分比例，而 \( s \) 是这部分加速的倍数。这个定律指出，即使有部分组件被显著优化，如果其他组件未改变，系统整体性能的提升是有上限的。 2. 平均周期数CPI（Cycle Per Instruction）和程序执行时间Te：CPI是衡量处理器执行指令效率的一个指标，代表平均每个指令需要的CPU周期数。程序执行时间Te可以通过公式 \( Te = CPI \times I \times Tc \) 计算，其中 \( I \) 是程序中的指令总数，\( Tc \) 是时钟周期时间。 3. MIPS（Millions of Instructions Per Second）和MFLOPS（Millions of Floating-Point Operations Per Second）：这两个度量标准分别用来衡量计算机每秒执行的指令数和浮点运算数，用于评估计算机的运算速度。 在复习资料的第5至9页，习题深入讨论了Amdahl定律，包括其推导过程和实际应用。例如，习题1.12至1.14探讨了向量处理模块对计算机运算速度提升的影响，如何计算加速比与向量化百分比之间的关系，并在不同情况下求解向量化百分比。 习题1.17提到了高速缓存Cache，它是现代计算机系统中的一个重要组件，通过提供更快的数据访问速度来改善性能。通常，Cache的工作速度远高于主存，这使得频繁访问的数据能快速获取，从而减少等待时间。 这份复习资料旨在帮助学生理解和掌握计算机系统结构中的核心概念，特别是性能分析和优化的关键工具，如Amdahl定律，这对于理解和设计高性能计算系统至关重要。通过解决这些习题，学生能够深化对计算机性能瓶颈的理解，并学习如何通过优化关键组件来提升系统整体性能。