计算机系统结构习题解析：Amdahl定律至资源共享

"该资源是关于计算机系统结构的习题集，主要涵盖了Amdahl定律、CPU性能计算、平均存储器访问时间（AMAT）、缺失率与缺失代价、循环展开优化流水线、线性和非线性流水线调度、多级立方体网络与Ω网络在通信中的应用等内容，适合学习计算机系统结构的学生参考。" 计算机系统结构是研究计算机硬件系统如何组织和设计的学科，它定义了程序员看到的计算机属性。本习题集中，首先涉及到的是Amdahl定律，这是一条用于预测并行化对系统整体性能提升程度的定律，指出即使只有一部分程序能够并行执行，系统的最大理论加速比也受到串行部分的限制。 接着，讨论了CPU性能的计算，包括平均存储器访问时间（AMAT），这是衡量内存系统性能的关键指标。AMAT不仅考虑了正常访问时间，还包括了内存缺失时的额外开销。缺失率和缺失代价是评估缓存性能的重要参数，缺失率表示数据未在缓存中找到的概率，而缺失代价则指因缺失导致的额外时间成本。 循环展开是一种优化流水线调度的技术，通过对循环体内的代码进行并行化，减少循环控制开销，提高执行效率。线性流水线调度问题通常用时空图来解决，计算流水线的吞吐率、加速比和效率，这些都是衡量流水线性能的重要指标。 非线性流水线调度问题更为复杂，需要用到禁止启动距离、禁止向量和状态图来分析和优化。这些工具可以帮助找出最佳的指令发射策略，以避免数据依赖导致的流水线阻塞，从而提高整体性能。 习题集还涉及到了多级立方体网络和Ω网络在实现计算机系统间通信的角色。这些网络结构提供了高效的并行数据传输路径，是构建大规模并行计算系统的基础。 在计算机系统结构、计算机组成与计算机实现三者的关系中，例如设计主存系统时，系统结构决定主存的逻辑特性，如容量、编址方式等；计算机组成关注主存的逻辑设计，如主存周期和并行逻辑；而计算机实现则涉及实际的物理组件，如处理机和主存芯片的制造工艺、集成度和速度等。 通过这些习题，学习者不仅可以深入理解计算机系统结构的理论，还能掌握实际的计算性能优化和并行通信技术，对于提升计算机科学与工程的实践能力大有裨益。