2019年《计算机体系结构》期末试题解析：矩阵运算性能优化

"2019年春季学期《计算机体系结构》期末试题1" 本试题主要涵盖了计算机体系结构中的多个核心概念，包括性能优化、矩阵运算、程序执行时间、加速比、流水线运算以及Cache映射策略。下面将对这些知识点进行详细阐述： 1. 性能优化与加速比： - 当矩阵运算部件的性能提高为原来的80倍时，根据题目中的信息，矩阵运算占程序执行时间的80%，因此改进后的执行时间由100秒减少至21秒。加速比是改进前后的执行时间之比，即100秒除以21秒，约为4.76。 - 要使程序整体性能降低50%，意味着矩阵运算部件的性能需要降低到原来的50%，这样其执行时间会增加到原来的2倍，即180秒。 2. 流水线运算： - 流水线技术用于提高处理器的吞吐率，通过将计算过程分解为多个阶段，使得每个阶段在不同的时间处理不同的数据。5段浮点运算流水线中，如果每个阶段的时延为T，完成10个浮点数累加的总时长是9T（因为有9个浮点数跨越了整个流水线），总失效率是指由于数据相关或控制相关导致的流水线中断比例。 - 吞吐率是单位时间内完成的计算次数，对于10个浮点数累加，吞吐率为10/9T；加速比是无流水线和有流水线执行时间的比值；效率E是实际加速比S除以理想加速比k，这里的理想加速比k是10/5=2，而实际加速比S为3.46，所以效率E=0.69。 3. Cache映射策略： - 直接映射是最简单的映射方式，每次访问主存的数据都能直接对应到Cache的一个特定行，命中时间为1个时钟周期。 - 二路组相联允许在一个组内的两个位置寻找数据，命中时间稍微增加到1.1个时钟周期。 - 伪二路组相联结合了直接映射和全相联映射的特点，初次查找按照直接映射，若未命中，则查找地址高位取反的位置，快块命中时命中时间为1个时钟周期，否则为额外的查找时间。 这些题目考察了学生对计算机系统性能分析、优化方法以及存储层次结构的理解，这些都是计算机体系结构中的基础且重要的知识点。理解和掌握这些概念对于设计和分析高效的计算机系统至关重要。