計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)第三章答案

1、第三章答案三、流水線技術(shù)（80空）1、對(duì)階尾數(shù)相加2、求階差規(guī)格化3、時(shí)間流水線的各段4、 盡量相等流水線的瓶頸5、 通過時(shí)間大量重復(fù)的時(shí)序輸入端能連續(xù)地提供任務(wù)6、靜態(tài)動(dòng)態(tài)7、部件級(jí)處理機(jī)級(jí)8、 標(biāo)量流水處理機(jī)向量流水處理機(jī)9、 線性流水線非線性流水線10、 執(zhí)行/有效地址計(jì)算周期存儲(chǔ)器訪問/分支完成周期11、譯碼讀寄存器12、ALUoutput J A op B ALUoutput J NPC + Imm13、分支STORE指令14、ALU指令LOAD指令15、單周期多周期16、重復(fù)設(shè)置指令執(zhí)行功能部件 流水17、吞吐率等功能非流水線18、通過時(shí)間排空時(shí)間19、 流水線寄存器的延遲時(shí)鐘扭曲

2、20、數(shù)據(jù)相關(guān)控制相關(guān)21、結(jié)構(gòu)相關(guān)數(shù)據(jù)相關(guān)22、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)23、硬件開銷 功能單元的延遲24、寫后讀 讀后寫 寫后讀25、寫后讀讀后寫26、PC值改變?yōu)榉种мD(zhuǎn)移的目標(biāo)地址PC值保持正常（等于當(dāng)前值加4）27、目標(biāo)地址分支轉(zhuǎn)移條件不成立28、8存儲(chǔ)器29、多功能線性 830、 水平處理方式垂直處理方式31、縱向處理方式縱橫處理方式32、存儲(chǔ)器 向量寄存器33、訪問存儲(chǔ)器的次數(shù) 對(duì)存儲(chǔ)器帶寬的要求34、 每秒執(zhí)行多少指令（MIPS）每秒取得多少個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)算結(jié)果（ MFLOPS）35、512 836、鏈接技術(shù)向量循環(huán)或分段開采技術(shù)37、源向量結(jié)果向量38、 向量功能部件標(biāo)量寄存器向量寄存器塊39、 向

3、量寄存器 向量功能部件3.1流水線的基本概念1、流水線：將一個(gè)重復(fù)的時(shí)序過程，分解為若干個(gè)子過程，而每一個(gè)子過程都可有效地在其專用功能段上與其他子過程同時(shí)執(zhí)行。2、單功能流水線：只能完成一種固定功能的流水線。3、多功能流水線：流水線的各段可以進(jìn)行不同的連接，從而使流水線在不同的時(shí)間，或者在同一時(shí)間 完成不同的功能。4、靜態(tài)流水線：同一時(shí)間內(nèi)，流水線的各段只能按同一種功能的連接方式工作。5、動(dòng)態(tài)流水線：同一時(shí)間內(nèi)，當(dāng)某些段正在實(shí)現(xiàn)某種運(yùn)算時(shí)，另一些段卻在實(shí)現(xiàn)另一種運(yùn)算。6、 部件級(jí)流水線：（運(yùn)算操作流水線）把處理機(jī)的算術(shù)邏輯部件分段，以便為各種數(shù)據(jù)類型 進(jìn)行流水操作。7、處理機(jī)級(jí)流水線：（指令流

4、水線）把解釋指令的過程按照流水方式處理。8、線性流水線：指流水線的各段串行連接，沒有反饋回路。9、非線性流水線：指流水線中除有串行連接的通路外，還有反饋回路。10、標(biāo)量流水處理機(jī)：處理機(jī)不具有向量數(shù)據(jù)表示，僅對(duì)標(biāo)量數(shù)據(jù)進(jìn)行流水處理。11、向量流水處理機(jī)：處理機(jī)具有向量數(shù)據(jù)表示，并通過向量指令對(duì)向量的各元素進(jìn)行處理。3.2 DLX的基本流水線12、固定字段譯碼：在DLX指令多周期實(shí)現(xiàn)中，由于DLX指令格式中操作碼在固定位置，且都是6 位編碼，在指令執(zhí)行的第二個(gè)時(shí)鐘周期，指令譯碼和讀寄存器并行進(jìn)行，這種技術(shù)稱為固定字段譯 碼。13、吞吐率：吞吐率是指單位時(shí)間內(nèi)流水線所完成的任務(wù)數(shù)或輸出結(jié)果的數(shù)量。

5、14、最大吞吐率：最大吞吐率是指流水線在連續(xù)流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后所得到的吞吐率。15、流水線效率：由于流水線有通過時(shí)間和排空時(shí)間，所以流水線的各段并不是一直滿負(fù)荷地工 作。效率是指流水線的設(shè)備利用率。3.3流水線中的相關(guān)16、 結(jié)構(gòu)相關(guān)：某些指令組合在流水線中重疊執(zhí)行時(shí)，發(fā)生資源沖突，則稱該流水線有結(jié)構(gòu) 相關(guān)。17、 數(shù)據(jù)相關(guān)：當(dāng)指令在流水線中重疊執(zhí)行時(shí)，流水線有可能改變指令讀使得/寫操作的順序， 讀/寫操作順序不同于它們非流水實(shí)現(xiàn)時(shí)的順序，將導(dǎo)致數(shù)據(jù)相關(guān)。18、定向：將計(jì)算結(jié)果從其產(chǎn)生的地方直接送到其他指令需要它的地方，能單 或所有需要它的功 元，避免暫停。19、Load互鎖：由Load指令引

6、起的RAW相關(guān)，當(dāng)檢測(cè)到相關(guān)后，控制部件必須在流水線 中插入暫 停周期，并使IF和ID段中的指令停止前進(jìn)。20、 寫后讀相關(guān)：兩條指令i，j，i在j前進(jìn)入流水線，j執(zhí)行要用到i的結(jié)果，但當(dāng)其在流水線中 重疊執(zhí)行時(shí)，j可能在i寫入其結(jié)果之前就先行對(duì)保存該結(jié)果的寄存器進(jìn)行讀操作，得到錯(cuò)誤值。21、 讀后寫相關(guān)：兩條指令i, j，i在j前進(jìn)入流水線，j可能在i讀某個(gè)寄存器之前對(duì)該寄存器進(jìn)行寫 操作，導(dǎo)致i讀出數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。22、 寫后寫相關(guān)：兩條指令i, j, i在j前進(jìn)入流水線，j、i的操作數(shù)一樣，在流水線中重疊執(zhí)行時(shí)， j可能在i寫入其結(jié)果之前就先行對(duì)保存該結(jié)果的寄存器進(jìn)行寫操作，導(dǎo)致寫錯(cuò)誤。MIP

7、S R4000流水線計(jì)算機(jī) 向量處理機(jī) 23、水平（橫向）處理方式：在向量處理機(jī)中，向量指令對(duì)數(shù)據(jù)分量的處理 方式是按行的方式從左至右橫向地進(jìn)行。24、垂直（縱向）處理方式：在向量處理機(jī)中，向量指令對(duì)數(shù)據(jù)分量的處理方式是按列的方式全上而 下縱向地進(jìn)行。25、分組（縱橫）處理方式：在向量處理機(jī)中，向量指令對(duì)數(shù)據(jù)分量的處理方式是把向量分成長度為 某個(gè)固定值的若干組，組內(nèi)按縱向方式處理，依次處理各組。3.1流水線的基本概念1、流水技術(shù)的特點(diǎn)有哪些？答：（1）流水過程由多個(gè)相聯(lián)系的子過程組成，每個(gè)過程稱為流水 線的“級(jí)”或“段”每個(gè)子過程由專用的功能段實(shí)現(xiàn)；2分（2）各個(gè)功能段所需時(shí)間應(yīng)盡量相等，否則

8、，時(shí)間長的功能段將成為流水線的瓶頸，會(huì)造成流水 線的“堵塞”和“斷流” ；2分（3） 流水線需要有“通過時(shí)間”（第一個(gè)任務(wù)流出結(jié)果所需的時(shí)間），在此之后流水過程才 進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)，每一個(gè)時(shí)鐘周期（拍）流出一個(gè)結(jié)果；1分（4）流水技術(shù)適合于大量重復(fù)的時(shí)序過程，只有在輸入端能連續(xù)地提供任務(wù)，流水線的效率才能 充分發(fā)揮。1分3.2 DLX的基本流水線1在DLX指令的多周期實(shí)現(xiàn)中，一條DLX指令需4或5個(gè)時(shí)鐘周期。請(qǐng)寫出各時(shí)鐘周期中文名稱以及R-R類型ALU指令在每個(gè)時(shí)鐘周期中所做的操作。答：（1）取指令周期（IF）IR - MemPCNPC - PC + 41 分（2）指令譯碼 /讀寄存器周期（I

9、D） A - RegsIR6 10 B - RegsIRii .15 Imm -（IR16） 16 # IR16.31 1 分（3） 執(zhí)行/有效地址計(jì)算周期（EX） ALUOutput - A op B 1分（4） 存儲(chǔ)器訪問/分支完成周期（MEM） LMD - MemALUOutput 1分（5）寫回周期（WB） RegsIR 16 .20 - ALUOutput 2分2、從CPI和CC的角度考慮，指令的實(shí)現(xiàn)有哪兩種方案，各有何優(yōu)缺點(diǎn)？答：實(shí)現(xiàn)方案 一：一條指令用多個(gè)時(shí)鐘周期CPI1優(yōu)點(diǎn)：有利于流水線實(shí)現(xiàn)指令的執(zhí)行。缺點(diǎn)：硬件冗余大實(shí)現(xiàn)方案二：一條指令用一個(gè)長時(shí)鐘周期CPI =1但CC2遠(yuǎn)大

10、于多周期實(shí)現(xiàn)的CC1優(yōu)點(diǎn)：臨時(shí)寄存器可省去缺點(diǎn)：1、低效率指令要執(zhí)行的操作總量變化較大，不同指令實(shí)現(xiàn)所需要的時(shí)鐘周期時(shí)間大不一 樣。2、基于單周期實(shí)現(xiàn)提高程序執(zhí)行速度需要重復(fù)設(shè)置指令執(zhí)行功能部件，而基于多周期實(shí)現(xiàn)提高速度可 采用流水技術(shù)。3、DLX流水線中的多路選擇器MUX有幾個(gè)，分別在哪一流水段，如何選擇輸入（即多 路器如何控制）？答：（1）IF段MUX由Cond判斷控制:下一條指令地址為增長后的PC （當(dāng)前PC加4） 或向前數(shù)第三條指令的ALUOutput的值，前提是那條指令為分支指令并且條件成立；（2）EX段有兩個(gè)MUX:由指令類型控制如果是分支指令，則NPC ALU否則A ALU如果是

11、ALU指令，則B、ALU否則：立 即數(shù)/位移量ALU（3）WB段MUX:由指令類型控制（Load/ALU）寫回Reg的值來自于LMD （Load指令）或ALUOutput （ALU指令）3.3流水線中的相關(guān)1、試簡要說明流水線中幾種相關(guān)類型。答：流水線中的相關(guān)是指相鄰或相近的兩條指令因存在某種關(guān)聯(lián)，后一條指令不能在原指定的時(shí)鐘周期開始執(zhí)行。（1）結(jié)構(gòu)相關(guān)：當(dāng)硬件資源滿足不了同時(shí)重疊執(zhí)行的指令的要求，而發(fā)生資源沖突 時(shí)，就發(fā)生了結(jié)構(gòu)相關(guān)。（2）數(shù)據(jù)相關(guān)：當(dāng)一條指令需要用到前面某條指令的結(jié)果，從而不能重疊執(zhí)行時(shí)，就 發(fā)生了數(shù)據(jù)相關(guān)。（3） 控制相關(guān)：當(dāng)流水線遇到分支指令和其他能夠改變PC值的指令時(shí)

12、，就會(huì)發(fā) 生控制相關(guān)。2、常見的導(dǎo)致結(jié)構(gòu)相關(guān)的原因有哪些？為什么流水線設(shè)計(jì)者有時(shí)允許結(jié)構(gòu)相關(guān)存在？ 答：常見的導(dǎo)致結(jié)構(gòu)相關(guān)的原因有以下兩種：（1）功能部件不是全流水；（2）重復(fù)設(shè)置的資源的份數(shù)不夠。流水線設(shè)計(jì)者有時(shí)允許結(jié)構(gòu)相關(guān)存在的原因：（1）有的結(jié)構(gòu)并不經(jīng)常發(fā)生，而為了避免結(jié)構(gòu)相關(guān)需要增加大量的硬件開銷；結(jié)構(gòu)相 關(guān)存在可降低硬件成本；（2）可以減少部件的延遲?？稍O(shè)計(jì)出比完全流水化功能單元具有更短延遲時(shí)間的非流 水化和不完全流水化的功能單元。3、請(qǐng)分析下列指令序列的數(shù)據(jù)相關(guān)情況，可采取哪些技術(shù)來保證指令正確執(zhí)行，或減 小流水線性能損失？ADD R1，R2，R3SUB R4，R1，R5AND R

13、6，R1，R7OR R8，R1，R9XOR R10，R1，R11答：第一條指令和緊鄰的三條指令產(chǎn)生數(shù)據(jù)相關(guān)，最后一條指令和前面的指令不產(chǎn)生數(shù)據(jù)相關(guān)。第條和第條產(chǎn)生寫后讀的數(shù)據(jù)相關(guān)，可使用定向技術(shù)消除數(shù)據(jù)相關(guān)，第條和第 條產(chǎn)生寫后讀的數(shù)據(jù)相關(guān)，可使用寄存器技術(shù)消除數(shù)據(jù)相關(guān)。4、DLX流水線中，定向技術(shù)的主要思想是什么？如何實(shí)現(xiàn)？答：定向技術(shù)的實(shí)現(xiàn)：在某一個(gè)功能單元的輸入端和與某一個(gè)功能單元輸出端具有數(shù)據(jù)通 路的流水寄存器之間通過多路器建立通路。當(dāng)定向硬件檢測(cè)到前面某條指令的結(jié)果寄存器就是當(dāng)前指令的源寄存器時(shí)，控制邏 輯會(huì)開通前面那條指令的結(jié)果目前所在的位置（某個(gè)流水寄存器）到當(dāng)前指令所需的位置

14、（某個(gè)功能單元的輸入端）的通路。5、有的數(shù)據(jù)相關(guān)可通過編譯器調(diào)度方法來消除暫停。請(qǐng)為下列表達(dá)式生成沒有暫停的DLX代碼序列。假設(shè)載入延遲為1個(gè)時(shí)鐘周期。a=b-c;d=e-f答：調(diào)度前后的代碼序列如下:調(diào)度前代碼調(diào)度后代碼LW Rb, bLW Rb，bLW Rc,cLW Rc,cADD Ra,Rb,RcLW Re,eSW a,RaADD Ra,Rb,RcLW Re,eSW a,RaLw Rf,fSUB Rd,Re,RfLw Rf,fSW d,RdSUB Rd,Re,RfSW d,Rd6減少流水線處理分支指令時(shí)的暫停時(shí)鐘周期數(shù)的技術(shù)途徑是什么？其流水線數(shù)據(jù)通路應(yīng) 如何改進(jìn)？答:在流水線中盡早判斷

15、分支轉(zhuǎn)移是否成功；轉(zhuǎn)移成功時(shí)，盡早計(jì)算出轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址。兩者應(yīng)同時(shí)采用，缺一不可。（1）（1）把“二0?”測(cè)試移至ID段；（2）在ID段增設(shè)一個(gè)加法器，這樣可以把分支開 銷減少一拍。7、為了在延遲槽中填入有效指令，一般可采用哪三種方法？比較它們的優(yōu)缺點(diǎn)。答：為 了在延遲槽中填入有效指令，一般可采用以下三種方法：1）將轉(zhuǎn)移指令前的那條指令調(diào)度到延遲槽中。2）將轉(zhuǎn)移目標(biāo)處的那條指令調(diào)度到延遲槽中。3）將轉(zhuǎn)移不發(fā)生時(shí)該執(zhí)行的那條指令調(diào)度到延遲槽中。相比之下：這三種方法中，第一種方法的效果最好，總能使性能獲得改善。但當(dāng)轉(zhuǎn)移指令中所 用到的條件判別與轉(zhuǎn)移指令前的那條指令相關(guān)時(shí)，就只能使用方法二或方法三。方

16、法二僅當(dāng)轉(zhuǎn)移發(fā)生時(shí)才會(huì)改進(jìn)性能， 且由于要將該指令復(fù)制，造成存儲(chǔ)空間占用的增加，此方法適于轉(zhuǎn)移發(fā)生概率較高的場合，如循環(huán)程序段。使用方法三僅當(dāng)轉(zhuǎn)移不發(fā)生時(shí)才會(huì)改進(jìn)性 能。此外，方法二各方法三都要求：當(dāng)轉(zhuǎn)移按另一方向前進(jìn)時(shí)，執(zhí)行調(diào)入延遲槽中指令不會(huì)破壞程序的正確執(zhí)行。8、降低流水線分支損失的方法有哪些？答：（1）在流水線中盡早判斷出分支轉(zhuǎn)移是否成功； TOC o 1-5 h z 盡早計(jì)算出分支轉(zhuǎn)移成功時(shí)的PC值（即分支的目標(biāo)地址）2分（2）“凍結(jié)”或“排空”流水線的方法1分（3）預(yù)測(cè)分支失敗1分（4） 預(yù)測(cè)分支成功1分（5） 延遲分支1分3.4 MIPS R4000流水線計(jì)算機(jī)1、MIPS R4

17、000整型流水線結(jié)構(gòu)是怎樣的？3.5向量處理機(jī)1、三種向量處理方式，對(duì)向量處理機(jī)的結(jié)構(gòu)要求有何不同？答：1水平處理方式：若向量長度為N，則水平處理方式相當(dāng)于執(zhí)行N次循環(huán)。若使用流水線，在每次循環(huán)中可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)相關(guān)和功能轉(zhuǎn)換，不適合對(duì)向量進(jìn)行流水處理。2垂直處理方式：將整個(gè)向量按相同的運(yùn)算處理完畢之后，再去執(zhí)行其他運(yùn)算。適合 對(duì)向量進(jìn) 行流水處理，向量運(yùn)算指令的源/目向量都放在存儲(chǔ)器內(nèi)，使得流水線運(yùn)算部件的輸入、輸出端直接與存儲(chǔ)器相聯(lián)，構(gòu)成M-M型的運(yùn)算流水線。3分組處理方式：把長度為 N的向量分為若干組，每組長度為n，組內(nèi)按縱向方式處理，依次處理各組，組數(shù)為N 適合流水處理?？稍O(shè)長度為n的向量

18、寄存器，使每組向量n I運(yùn)算的源/目向量都在向量寄存器中，流水線的運(yùn)算部件輸入、輸出端與向量寄存器相聯(lián)，構(gòu)成R-R型 運(yùn)算流水線。2、什么是向量處理鏈接技術(shù)？答：向量處理鏈接技術(shù)是從流水線的“定向”概念發(fā)展而來的。當(dāng)兩條指令出現(xiàn)寫后讀” 相關(guān)時(shí)，若它們不存在功能部件沖突和向量寄存器(源或目的)沖突，就有可能把它們所用的功能部件頭尾相接，形成一個(gè)鏈接流水線，進(jìn)行流水處理。為了在向 量處理機(jī)中實(shí)現(xiàn)向量鏈接機(jī)制必須恰當(dāng)?shù)卦O(shè)定所需要的向理功能部件和操作數(shù)寄存器；否 則，鏈接操作就不得不掛起直到所需要的資源變?yōu)榭捎脼橹埂?、向量處理鏈接技術(shù)有哪些技術(shù)要求？答：除了要保證無向量寄存器使用沖突和無向量功能部

19、件使用沖突的條件之外，還有諸如 鏈接時(shí)機(jī)等其他一些要求，主要有：在進(jìn)行鏈接的時(shí)候，只有在前一條向量指令的第一個(gè)結(jié)果元素送入結(jié)果向量寄存器 的那一個(gè)時(shí)鐘周期才可以進(jìn)行鏈接，若錯(cuò)過該時(shí)刻就不能進(jìn)行鏈接。只有當(dāng)前一條向量指令全部執(zhí)行完畢，釋放相應(yīng)的向量寄存器資源后才能執(zhí)行后面 的向量指令。當(dāng)一條向量指令的兩個(gè)源操作數(shù)分別是兩條先行向量指令的結(jié)果寄存器時(shí)，要求先行的兩條向量指令產(chǎn)生運(yùn)算結(jié)果的時(shí)間必須相等，即要求有關(guān)向量功能部件的延遲 時(shí)間相等。只有所有可以鏈接執(zhí)行的向量指令的向量長度相等時(shí)，它們之間才能鏈接執(zhí)行，否則它們之間也不能鏈接執(zhí)行。4、什么是分段向量處理技術(shù)？答：當(dāng)向量的長度大于向量寄存器的長

20、度時(shí)，把長向量分成固定長度的段，然后循環(huán)分段 處理，一次循環(huán)只處理一個(gè)向量段。這種長向量循環(huán)分段處理的程序結(jié)構(gòu)稱為向量循環(huán)， 這種分段向量處理技術(shù)也稱為分段開米。將長向量循環(huán)分段處理是由系統(tǒng)硬件和軟件控制 完成的，對(duì)程序員透明。1假設(shè)一條指令的解釋分為取指、分析與執(zhí)行三個(gè)階段，每個(gè)階段所需時(shí)間為t取指、t分析、t執(zhí)行。（1）寫出用下列幾種方式執(zhí)行100條指令所需的時(shí)間的通式：1）順序方式；2）僅”執(zhí)行k、與”取指k+1重疊；3）僅執(zhí)行K、”分析k+1和取指k+2重疊。（2）當(dāng)t取指=t分析=2,t執(zhí)行=3以及t取指=t分析=4,t執(zhí)行=2時(shí)，用上述通式計(jì)算所需時(shí)間。解：（1）以下是各方式執(zhí)行1

21、00條指令所需時(shí)間的通式：1）順序方式：100七=刀仕取指i+t分析i+t執(zhí)行i1=100t取指i+t分析i+t執(zhí)行i“執(zhí)行i”與“取指k”重疊:100t=t+刀 t取指1分析1i=1100+e maxt，t 執(zhí)行i-i取指ii=2+t執(zhí)行1003）僅“執(zhí)行k”、“分析K+1”與“取指K+2重疊:t=t取指1+maxt分析1, t取指2100-_+e maxt執(zhí)行i -2=3r.+maxt分析100分析i 1t 執(zhí)行99取指i執(zhí)行100當(dāng)T取指=T分析=2, T執(zhí)行=3時(shí)，用上述通式計(jì)算所需時(shí)間T=100( 2+2+3)=700T=2+2X100+3X 99+3=502T=2+2+3X 97+

22、3+3=301當(dāng)T取指=T執(zhí)行=4, T分析=2時(shí)，用上述通式計(jì)算所需時(shí)間為：T=100 ( 4+2+4) =1000T=4+2X100+4X 99+4=604T=4+4+4X 97+4+4=4042、一個(gè)流水線由四段組成，其中每當(dāng)流經(jīng)第三段時(shí)，總要在該段循環(huán)一次才能流到第四段。如果 每段經(jīng)過一次的時(shí)間都是么t,問：當(dāng)在流水線的輸入端每么t時(shí)間輸入任務(wù)時(shí)，該流水 線會(huì)發(fā)生什么情況？此流水線的實(shí)際吞吐率為多少？如果每2At輸入個(gè)任務(wù)，連續(xù)處理10個(gè)任務(wù)的實(shí)際吞吐率和效率是多少？當(dāng)每段時(shí)間不變時(shí)，如何提高該流水線的吞吐率？仍連續(xù)處理10個(gè)任務(wù) 時(shí)，其吞吐 率提高多少？解：（1）會(huì)發(fā)生流水線阻塞情況

23、。(2)In str.1stage1stage2stage3stage3stage4in str.2stage1stage23tallstage3stage3stage4in str.3stage1stallstage2 stallstage3stage3stage4in str.4stallstage1stallstage2stallstage3stage3stage40t 1t 2t 3t 4t 5t 6t 7t 8tIn str.1 stagel stage2 stage3 stage3stage4instr.2stagel stage2stage3stage3stage4instr.3

24、stagel stage2stage3 stage3 stage4231TPmax12Dt-23DtT pipeli ne=1023DtDE 二 5Dt4 %TP:54.35%重復(fù)設(shè)置部件t3_1tttTPpipeli neTime10Dt = 57 Dt/145吞吐率提高倍數(shù)二竺=1.6410/23Dt3、有一條流水線如下所示_ 323|*450ns50ns100ns200ns求連續(xù)輸入10條指令，該流水線的實(shí)際吞吐率和效率；該流水線的瓶頸在哪一段？請(qǐng)采取三種不同的措施消除此“瓶頸”出的新流水線，計(jì)對(duì)于你所給算連續(xù)輸入10條指令時(shí)，其實(shí)際吞吐率和效率解：（1）mT pipeli ne 二Dt

25、i(n - 1)Dtmaxi d-(5050 100 200) 9 200 -2200( ns)TPpipeli nemDt400 5E 二 TP 一二TP45.45%（2）瓶頸在3、4段。變成八級(jí)流水線（細(xì) 分）Tgi ne八但D。七懺4 =50 89 50二 850(ns)、DtiE=TP=TP40010一 58.82%m17200ns200nsT pipeline = DI=2002(n - 1) Dtm ax i 總9200二 2200(ns)TP%20(ns )pipeli ne400二 TP1090.91%重復(fù)設(shè)置部件2 11變成兩級(jí) 流水線（合并）E=410850 81782%4

26、、如果流水線有m段，各段的處理時(shí)間分別是ti (i=1, 2,，m),現(xiàn)在有n個(gè)任務(wù)需要 完成，且每個(gè)任務(wù)均需流水線各段實(shí)現(xiàn)，請(qǐng)計(jì)算： 流水線完成這n個(gè)任務(wù)所需要的時(shí)間；和非流水線實(shí)現(xiàn)相比，這n個(gè)任務(wù)流水實(shí)現(xiàn)的加速比是多少？加速比的峰值是多少？解：(1)(n - 1) tmaxmpipeline = ii -1nopipelinen、i -： 1=to)t.iSpeedupA =m nm n 1 (ti (n 八 m,Speedupm)5、一臺(tái)非流水處理器A的工作時(shí)鐘頻率為25MHz它的平均CPI為4,處理器B是A的改 進(jìn)型，它有一條5段的線性指令流水線。由于鎖定電路延遲及時(shí)鐘扭斜效應(yīng)，它的工

27、作時(shí) 鐘頻率僅為20MHz問：若在A和B兩個(gè)處理器上執(zhí)行含有100條指令的程序，則處理器B對(duì)A的加速 比為多少？在執(zhí)行上述程序時(shí)，計(jì)算A、B處理器各自的MIPS速率為多少？解：(1)Ta=100*4/2.5E7=1.6E-5 秒Tb=(5+100- 1) X 4/5)/2E7=4.16E -6 秒二 Sp=Ta/tb=3.85 MIPSa=100/1.6E-5=6.25MIPS MIPSb=100/4.16E-6=24.04MIPS& 一個(gè)由4段構(gòu)成的雙輸入端的流水浮點(diǎn)加法器，每一段的延遲為可直接10ns，輸出 返回到輸入端或把結(jié)果暫存到相應(yīng)緩沖寄存器中?，F(xiàn)若要將相加，問最少10個(gè)浮點(diǎn)數(shù) 需用

28、多少時(shí)間，要求畫出相應(yīng)的流水線工作的時(shí)空?qǐng)D。解：根據(jù)題意，畫出相應(yīng)流水線時(shí)空?qǐng)D：12 *3+144：所需最少時(shí)間：Tmi n=17*10 ns=170 ns7、若有一靜態(tài)多功能流水線分為6段，如圖所示，其中乘法流水線由1、2、3、6段組成，加法流水線由1、4、5、6段組成，通過每段所需時(shí)間如圖所示。使用流水線時(shí)，要等某種功能（如 加法）操作都處理完畢后才能轉(zhuǎn)換成另種功能（如乘法）。若要計(jì)算：AXB=（a1+b1）危 2+b2）危 3+b3），問：（1）在上述流水方式下，完成 AXB需要多少時(shí)間？畫出時(shí)空?qǐng)D并計(jì)算此流水線的使用效率和 吞吐率。（2）與順序運(yùn)算方式相比，加速比為多少？解：根據(jù)題意，

29、畫出的時(shí)空?qǐng)D為：（捋+珀】T=26T吞吐率：Tp=5/26 T效率：E= (2*17) / (26*6) =21.79%(2)加速比：Sp=Tl/Tk= (6T *3+8 T *2) /26 T =1.3148、在如下圖所示的靜態(tài)流水線上計(jì)算a A Bj,流水線的輸出可以直接返回輸入 端或暫存于相應(yīng)于的流水線寄存器中，試計(jì)算其吞吐率，加速比，效率。解：該題解題步驟為：確定適合于流水處理的計(jì)算過程。畫時(shí)空?qǐng)D計(jì)算性能(1)確定適合于流水處理的計(jì)算過程為：士程SAiB i AiBi 4- A2B2 + A3B3 4-軻創(chuàng) i=lAiBi A2B2 MBs A4Bd根據(jù)所確定的計(jì)算過程，畫出時(shí)空?qǐng)D根據(jù)

30、時(shí)空?qǐng)D和流水線性能公式，計(jì)算性能故：吞吐率TP= 7/(20 t)加速比 S= (34 t) /(20 t) =1.7效率 E= (4 X 4+ 3X 6) /(8 X 20) = 0.219、假設(shè)各種分支所占指令數(shù)地百分比如下表所示:條件分支20%(其中60%是成功的)跳轉(zhuǎn)和調(diào)用5%現(xiàn)有一深度為4地流水線(流水線有4段)，無條件分支在第二個(gè)時(shí)鐘周期結(jié)束時(shí)就被解 析出來，而條件分支要到第三個(gè)時(shí)鐘周期結(jié)束時(shí)才能被解析出來。第-個(gè)流水段是完全獨(dú) 立于指令類型的，即所有的指令都必須經(jīng)過第一個(gè)流水段的處理。請(qǐng)問在沒有任何結(jié)構(gòu) 相關(guān)地情況下，該流水線相對(duì)于存在上述結(jié)構(gòu)相關(guān)情況下地加速比是多少？P無條件分支=1stal1P攵世八古二2stall條件分支加速比-1 C =1 f P分支解：在不存在結(jié)構(gòu)相關(guān)時(shí)，每條指令的平均執(zhí)行時(shí)間是1個(gè)時(shí)鐘周期，而存在上述條件相關(guān) 的情況下，并假設(shè)條件分支預(yù)測(cè)成功，那么無條件分支和成功的條件分支的等待時(shí)間都是1,而不成 功地條件分支等待時(shí)間是2個(gè)周期；所以加速比就等于存在相關(guān)的每條指令的平均執(zhí)行時(shí)間和不存 在相關(guān)的每條指令的執(zhí)行時(shí)