操作系统设计原理之计算机系统概述
2014-08-16 15:52
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1.5、考虑一个32位微处理器,它有一个16位外部数据总线,并由一个8MHz的输入时钟驱动。假设这个微处理器有一个总线周期,其最大持续时间等于4个输入时钟周期。请问该微处理器可以支持的最大数据传送速度为多少?外部数据总线增加到21位,或者外部时钟频率加倍,哪种措施可以更好地提高处理器性能?请叙述你的设想并解释原因。
答案:时钟周期=1/(8MHZ)=125ns
总线周期=4×125ns=500ns
每500ns传输2比特;因此传输速度=4MB/s
加倍频率可能意味着采用了新的芯片制造技术(假设每个指令都有相同的时钟周期数);加倍外部数据总线,在芯片数据总线驱动/锁存、总线控制逻辑的修改等方面手段广泛(或许更新)。在第一种方案中,内存芯片的速度要提高一倍(大约),而不能降低微处理器的速度;第二种方案中,内存的字长必须加倍,以便能发送/接受32位数量。
1.9、一台计算机包括一个CPU和一台I/O设备D,通过一条共享总线连接到主存储器M,数据总线的宽度为1个字。CPU每秒最多可执行106条指令,平均每条指令需要5个机器周期,其中3个周期需要使用存储器总线。存储器读/写操作使用1个机器周期。假设CPU正在连续不断地执行后台程序,并且需要保证95%的指令执行速度,但没有任何I/O指令。假设1个处理器周期等于1个总线周期,现在要在M和D之间传送大块数据。
a.若使用程序控制I/O,I/O每传送1个字需要CPU执行两条指令。请估计通过D的I/O数据传送的最大可能速度。
b.如果使用DMA传送,请估计传送速度。
答案:a.处理器只能分配5%的时间给I/O.所以最大的I/O指令传送速度是10e6×0.05=50000条指令/秒。因此I/O的传送速率是25000字/秒。
b.使用DMA控制时,可用的机器周期下的数量是
10e6(0.05×5+0.95×2)=2.15×10e6
如果我们假设DMA模块可以使用所有这些周期,并且忽略任何设置和状态检查时间,那么这个值就是最大的I/O传输速率。
1.13、一台计算机包括包括高速缓冲存储器、主存储器和一个用做虚拟存储器的磁盘。如果要存取的字在高速缓冲存储器中,存取它需要20ns;如果该字在主存储器中而不在高速缓冲存储器中,把它载入高速缓冲存储器需要60ns(包括最初检查高速缓冲存储器的时间),然后再重新开始存取;如果该字不在主存储器中,从磁盘中取到内存需要12ms,接着复制到高速缓冲存储器中还需要60ns,再重新开始存取。高速缓冲存储器的命中率为0.9,主存储器的命中率为0.6,则该系统中存取一个字的平均存取时间是多少(单位为ns)?
答案:有三种情况需要考虑:
所以平均访问时间是:Avg =(0.9)(20) + (0.06)(80) + (0.04)(12000080) = 480026 ns
1.14、假设处理器使用一个栈来管理过程调用和返回。请问可以取消程序计数器而用栈指针代替吗?
答案:如果栈只用于保存返回地址。或者如果栈也用于传递参数,这种方案只有当栈作为传递参数的控制单元而非机器指令时才成立。这两种情况下可以取消程序计数器而用栈指针代替。在后者情况中,处理器同时需要一个参数和指向栈顶部的程序计数器。
答案:时钟周期=1/(8MHZ)=125ns
总线周期=4×125ns=500ns
每500ns传输2比特;因此传输速度=4MB/s
加倍频率可能意味着采用了新的芯片制造技术(假设每个指令都有相同的时钟周期数);加倍外部数据总线,在芯片数据总线驱动/锁存、总线控制逻辑的修改等方面手段广泛(或许更新)。在第一种方案中,内存芯片的速度要提高一倍(大约),而不能降低微处理器的速度;第二种方案中,内存的字长必须加倍,以便能发送/接受32位数量。
1.9、一台计算机包括一个CPU和一台I/O设备D,通过一条共享总线连接到主存储器M,数据总线的宽度为1个字。CPU每秒最多可执行106条指令,平均每条指令需要5个机器周期,其中3个周期需要使用存储器总线。存储器读/写操作使用1个机器周期。假设CPU正在连续不断地执行后台程序,并且需要保证95%的指令执行速度,但没有任何I/O指令。假设1个处理器周期等于1个总线周期,现在要在M和D之间传送大块数据。
a.若使用程序控制I/O,I/O每传送1个字需要CPU执行两条指令。请估计通过D的I/O数据传送的最大可能速度。
b.如果使用DMA传送,请估计传送速度。
答案:a.处理器只能分配5%的时间给I/O.所以最大的I/O指令传送速度是10e6×0.05=50000条指令/秒。因此I/O的传送速率是25000字/秒。
b.使用DMA控制时,可用的机器周期下的数量是
10e6(0.05×5+0.95×2)=2.15×10e6
如果我们假设DMA模块可以使用所有这些周期,并且忽略任何设置和状态检查时间,那么这个值就是最大的I/O传输速率。
1.13、一台计算机包括包括高速缓冲存储器、主存储器和一个用做虚拟存储器的磁盘。如果要存取的字在高速缓冲存储器中,存取它需要20ns;如果该字在主存储器中而不在高速缓冲存储器中,把它载入高速缓冲存储器需要60ns(包括最初检查高速缓冲存储器的时间),然后再重新开始存取;如果该字不在主存储器中,从磁盘中取到内存需要12ms,接着复制到高速缓冲存储器中还需要60ns,再重新开始存取。高速缓冲存储器的命中率为0.9,主存储器的命中率为0.6,则该系统中存取一个字的平均存取时间是多少(单位为ns)?
答案:有三种情况需要考虑:
字所在的位置 | 概率 | 访问所需时间(ns) |
在缓存中 | 0.9 | 20 |
不在缓存,在主存中 | (0.1)(0.6)= 0.06 | 60+20 = 80 |
不在缓存也不在主存中 | (0.1)(0.4)= 0.04 | 12ms+60+20 = 12,000,080 |
1.14、假设处理器使用一个栈来管理过程调用和返回。请问可以取消程序计数器而用栈指针代替吗?
答案:如果栈只用于保存返回地址。或者如果栈也用于传递参数,这种方案只有当栈作为传递参数的控制单元而非机器指令时才成立。这两种情况下可以取消程序计数器而用栈指针代替。在后者情况中,处理器同时需要一个参数和指向栈顶部的程序计数器。
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