《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》（單博煒） 課后習(xí)題解答

第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)導(dǎo)論透明性：本來(lái)存在的事物或?qū)傩?，單從某種角度看卻好像不存在的現(xiàn)象。N+1NNN+1N+1NN+1模擬：仿真：用微程序直接解釋另一種機(jī)器指令系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟件移植的方法稱(chēng)為仿真并行性：同時(shí)性：并發(fā)性：兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)間間隔發(fā)生的并行性時(shí)間重疊：在并行性概念中引入時(shí)間因素，即多個(gè)處理過(guò)程在時(shí)間上相互錯(cuò)開(kāi)，輪流重疊的使用同一套硬件設(shè)備的各個(gè)部分，以加快硬件周轉(zhuǎn)來(lái)提高處理速度資源共享：異構(gòu)型多處理機(jī)系統(tǒng)：（）CPI：每條指令的平均時(shí)鐘周期數(shù)CPI(ClockCyclesPerInstruction)MIPS：(MillionInstructionsPerSecond)，即百萬(wàn)條指令每秒MFLOPS（MilioFlatngPontpertiosPSecod)NKns1Nns,KN2nsKN3nsMii-1Mii-1NK解：程在一：間K執(zhí)了IC指則執(zhí)每指的間為?? ????對(duì)第二級(jí)：要完成同樣功能，需要指令????條?? ???????? ??=??×??????=????2

????

?? ????2??3=??(??)

??3??4=??(??)答：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟、硬件的界面；計(jì)算機(jī)組成是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)；計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)。具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)可因性價(jià)比要求不同而采用不同的組成技術(shù)。同樣，一種計(jì)算機(jī)組成也可以采用多種不同的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)組成的基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，尤其是器件技術(shù)的發(fā)展對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有著很大的影響。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須結(jié)合應(yīng)用考慮，為軟件和算法的實(shí)現(xiàn)提供更多更好的支持。同時(shí)，還要涉及可能采用和準(zhǔn)備采用的組成技術(shù)。m交叉存取I/OI/OCache答：本來(lái)存在的事物或?qū)傩裕珡哪撤N角度看卻好像不存在的現(xiàn)象稱(chēng)為透明性對(duì)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：1)(4)(5)(6)(9)(12(2)(3)(7)(8)(10(11)1-6（匯編）乘法器移位器答：指令緩沖器時(shí)標(biāo)發(fā)生器條件碼寄存器乘法器主存地址寄存器移位器答：在邏輯功能上是等效的。在性能，價(jià)格，實(shí)現(xiàn)難易上不同。早期圖形加速都通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，隨著GPU的發(fā)明又通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)了答：時(shí)間重疊：高性能單處理機(jī)系統(tǒng)；資源重復(fù)：多處理機(jī)系統(tǒng)資源共享：分時(shí)系統(tǒng)Se1=30Se2=20Se3=101230%，那么，部件3Sn10?30%、30%和20%解：3改進(jìn)前總時(shí)間加比S= =改進(jìn)后總時(shí)間解方程得到x=36%

130%÷30+30%÷20+??÷10+(1?30%?30%???)

=10(2)比S= 130%÷30+30%÷20+20%÷10+(1?30%?30%?20%)為改部所比= 1?30%?30%?20%

=4.08=81.63%30%÷30+30%÷20+20%÷10+(1?30%?30%?20%)f40MHzCPI1.5CPIMIPS表1.5指今在程序中出現(xiàn)的條數(shù)和每種指令的CPI指令類(lèi)型指令條數(shù)CPIALU1200001加載/存儲(chǔ)指令(Cache命中時(shí))360002轉(zhuǎn)移指令240003訪存指令(Cache不命中時(shí))200008解：CPI是各種類(lèi)型指令CPI的加權(quán)平均120000×1+36000×2+24000×3+20000×8??????=120000+36000+24000+20000

424000=200000

=2.12?? 40×106????????=??????×106=2.12×106=18.9????????40MHz1.6CPI、MIPS表1.6各類(lèi)指令條數(shù)和指令的平均時(shí)鐘周期數(shù)指令類(lèi)型指令條數(shù)平均時(shí)鐘周期數(shù)整數(shù)運(yùn)算450001數(shù)據(jù)傳送320002浮點(diǎn)運(yùn)算150002控制傳送80002解：CPI是各種類(lèi)型指令CPI的加權(quán)平均45000×1+32000×2+15000×2+8000×2??????= =45000+32000+15000+8000

155000100000

=1.55?? 40×106 155000????????=??????×106=1.55×106=100000=25.8????????程序執(zhí)行時(shí)間=45000×1+32000×2+15000×2+8000×2=155000=0.003875??=3875?????? 40×1061(1)處理機(jī)的CPI值是多少？(230MHz230%15%2MIPS。解：(1)10????????= ????????×106

=15×106??????×106解出每條指令的平均CPI=1.5CPI=1.5-1=0.5(2)CPI=30%(0.52)5%(0.54650.5=1.3?? 30×106 155000????????=??????×106=1.3×106=100000=23.08????????加載/存儲(chǔ)/(CPI)1.7表1.7指令比例及指令的平均周期數(shù)指令類(lèi)型比例CPI算邏指令44%1Load指令20%2Store運(yùn)算12%2轉(zhuǎn)移傳送24%2(1)求該指令系統(tǒng)的指令平均周期數(shù)。(2)25LoadR-M)CPI2解：(1)CPI=44120%212%224%2=1.56R-M指令類(lèi)型比例CPI算邏指令19%1R-M算邏指令25%2Load指令20%2Store運(yùn)算12%2轉(zhuǎn)移傳送24%2平均CPI=19%×1+25%×2+20%×2+12%×2+24%×2=1.81第二章 指令系統(tǒng)數(shù)據(jù)表示：是能由機(jī)器硬件直接識(shí)別和引用的數(shù)據(jù)類(lèi)型邏輯地址：程序員編寫(xiě)程序時(shí)使用的地址物理地址：程序在主存中的實(shí)際地址信息按整數(shù)邊界存儲(chǔ)：信息在主存中存放的地址必須是該信息寬度（字節(jié)數(shù)）的整數(shù)倍HuffmanComplexInstructionSetComputerRISC：精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)ReducedInstructionSetComputer重疊寄存器窗口技術(shù)：CPU中都設(shè)置有數(shù)量較大的寄存器組，讓每個(gè)過(guò)程使用一個(gè)有限數(shù)量的寄存器窗口，并讓各個(gè)過(guò)程的寄存器窗口部分重疊指令延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)：由編譯程序自動(dòng)在轉(zhuǎn)移指令后面都插入一條空操作指令(NOP)，或?qū)⑥D(zhuǎn)移指令與其前面的一條指令對(duì)換位置，讓成功轉(zhuǎn)移總是在緊跟的指令被執(zhí)行之后發(fā)生，從而使按要求的轉(zhuǎn)移目的地址預(yù)取的指令不作廢，同時(shí)可能節(jié)省一個(gè)機(jī)器周期。答：數(shù)據(jù)表示是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的子集。基本原則是得到對(duì)應(yīng)用中遇到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有較高的實(shí)現(xiàn)效率。標(biāo)志符數(shù)據(jù)表示與描述符數(shù)據(jù)表示有何區(qū)別？描述符數(shù)據(jù)表示與向量數(shù)據(jù)表示對(duì)向量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)所提供的支持由4（經(jīng)ROM30ROMROM地址內(nèi)容地址內(nèi)容地址內(nèi)容地址內(nèi)容地址內(nèi)容0000000010001010001001100110000100101010111001101110111100100010110011101010111101110011010011110010111101111111111HH解：H的含義是信息所包含的平均信息量。H的作用在于：計(jì)算實(shí)際編碼的平均碼長(zhǎng)值接近H者編碼質(zhì)量高。答：應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)中指令的使用頻度分布和指令系統(tǒng)的大小來(lái)決定選擇何種擴(kuò)展編碼方法。CISCRISCCISCRISC目標(biāo)程序的執(zhí)行時(shí)間更長(zhǎng)？答：據(jù)式 ??????時(shí)間=????×??????×??。相能的序然ICCISC<ICRISC，但是CPICISC>CPIRISC，和且TCISC>TRISC，所以總的CPU時(shí)間CISC更長(zhǎng)。q=6ep=6m用解：對(duì)于階碼長(zhǎng)度q，階碼基re，尾數(shù)長(zhǎng)度p，尾數(shù)基rm，純小數(shù)補(bǔ)碼的范圍，有如下公式，???1×???2??≤??

≤(1??????)×???2???1 -1×???2???1≤??

≤?(???1??????)×???2???? ?? 正

?? ??

?? 負(fù)

?? ?? ??代入上述數(shù)據(jù)可以得到16?65≤??正≤(1?16?6)1663 ?16?63≤??負(fù)≤?(?16?1?16?6)16?64664答：變址尋址是對(duì)數(shù)組等數(shù)據(jù)塊運(yùn)算的支持，利于循環(huán)程序。基址尋址是對(duì)邏輯地址空間到物理地址空間變換的支持，利于實(shí)現(xiàn)程序的動(dòng)態(tài)再定位。將大地址空間64個(gè)地址分塊，用基址寄存器指出程序所在塊號(hào)，用指令中6位地址碼表示該塊內(nèi)64個(gè)地址之一，這樣基址和變址相結(jié)合可以訪問(wèn)大地址任意64個(gè)地址之一。2-1010p7=0.05，p8=0.04，p9=0.03，p10=0.02。(l)計(jì)算這10條指令的操作碼編碼的最短平均碼長(zhǎng)。10Huffman解：(1)

Hpilog2pi=0.25*2+0.2*2.322+0.15*2.737+0.1*3.322+0.08*3.644+0.08*3.644+0.05*4.322+0.04*4.644+0.03*5.059+0.02*5.6440.25=2.94位（2）等長(zhǎng)操作碼操作碼時(shí)，實(shí)際長(zhǎng)度l=4，信息冗余量1-H12.9410.73526.5%l 4（3）Huffman編碼I1=00, I2=10, I3=010, I4=110,I5=0110, 10平均長(zhǎng)l =0.25*2+0.2*2+0.15*3+0.1*3+0.08*4+0.08*4+0.05*4+0.04*5+0.03*6+0.02*6=2.99位i1信息冗余量1-H12.9410.9830.017=1.7%l (4)指令頻率3-5等長(zhǎng)碼碼長(zhǎng)I10.250003I20.20013I30.150103I40.10113I50.081003I60.081013I70.051103I80.04111005I90.03111015I100.0211110510平均長(zhǎng)l =0.25*3+0.2*3+0.15*3+0.1*3+0.08*3+0.08*3+0.05*3+0.04*5+0.03*5+0.02*5=3.18位i1如果是2-5等長(zhǎng)碼，l=3.2位答：指令格式優(yōu)化是用最短的位數(shù)來(lái)表示指令內(nèi)容，是程序中執(zhí)行的平均字長(zhǎng)最短，以節(jié)省程序的存儲(chǔ)空間。操作碼優(yōu)化：Huffman編碼；擴(kuò)展操作碼編碼地址碼優(yōu)化：(1)由于指令中操作數(shù)個(gè)數(shù)不同可采用多種地址制；(2)同一種地址制可以采用多種地址形式和長(zhǎng)度，ADD：43% SUB：13% JMP：7% JOM：6% SHR：l% CIL：2% CLA：22% STP：l%請(qǐng)分別設(shè)計(jì)這九條指令中操作碼的Huffman編碼、3/3/3擴(kuò)展編碼和2/7擴(kuò)展編碼，并計(jì)算這三種編碼的平均碼長(zhǎng)。解：某計(jì)機(jī)九指令各令使頻分別為I1：52% I2：14% I3：12% I4：7% I5：6%I6：5% I7：2% I8：1% I9：l%試分別用Huffman編碼和2-4-6等長(zhǎng)擴(kuò)展編碼為其操作碼編碼，并分別計(jì)算平均碼長(zhǎng)。解：Huffman編碼平均碼長(zhǎng)：l=2.24位，2-4-6擴(kuò)展碼：l=2.52位4(0～9)“_”字符空進(jìn)統(tǒng)后得出們出頻分為 4527 王 1293李 0247四 李四12930247__：20% 0：17% 1：6%2：8% 4：8%5：5% 6：8% 7：13%8：3% 9：l%16（4Huffman平均碼長(zhǎng)l=3.23位(2)每個(gè)字符平均長(zhǎng)度為：3.23*(4+1)=16.15，傳送106個(gè)，則需要傳輸?shù)亩M(jìn)制位數(shù)為：1.615*107位(3)需要傳輸?shù)亩M(jìn)制位數(shù)為：4*(4+1)*106位=2*107位。42551612位，每個(gè)地址碼長(zhǎng)為3位，問(wèn)能否以擴(kuò)展操作碼為其編碼？如果其中一地址指令為254條呢？說(shuō)明其理由。（）23位對(duì)于三地址指令地址占據(jù)12-3*3=3，三地址指令最多23=8條，現(xiàn)三地址指令需4條,∴可有4條編碼作為擴(kuò)展碼，∴一地址指令最多為4×23×23=28=256條，現(xiàn)要求單地址指令255條，∴可有一條編碼作擴(kuò)展碼∴零地址指令最多為1×23＝8條不滿足題目要求∴不可能以擴(kuò)展碼為其編碼。（2）若一地址指令有254條，根據(jù)（1）一地址指令可以用2條編碼作為擴(kuò)展碼，∴零地址指令最多為2×23＝16條∴可以以擴(kuò)展碼作為編碼166x條，問(wèn)一地址指令最多可以有多少條？答：雙地址指令最多是2(16-6-6)=24=16條，現(xiàn)雙地址指令有x條,∴可有(16-x)條編碼作為擴(kuò)展碼，∴單地址指令最多為(16-x)×26ADD：30%SUB：24%LOD：6%STO：7%JMP：7%SHR：2%ROL：3%MOV：20%STP：1%16mHuffman解（1）Huffman編碼指令PiHuffman編碼碼長(zhǎng)ADD0.301SUB0.241113MOV0.21103STO0.0710114JMP0.0710104LOD0.0610004ROL0.03100105SHR0.021001106STP0.011001116平均碼長(zhǎng)l=2.75指令Pi擴(kuò)展碼2-5碼長(zhǎng)ADD0.3002SUB0.24012MOV0.2102STO0.07110005JMP0.07110015LOD0.06110105ROL0.03110115SHR0.02111005STP0.01111015平均碼長(zhǎng)l=2.782位 3位 3位操作碼寄存器1寄存器2長(zhǎng)指令5位 3位 3位 5位操作碼寄存器1變址寄存器相對(duì)位移通用寄存器8個(gè)最大相對(duì)位移量2^5=32個(gè)字節(jié)。35%25%20%10%5%3%(l)請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)七條指令操作碼的Huffman編碼，并計(jì)算操作碼的平均碼長(zhǎng)。(2)若要求設(shè)計(jì)8位長(zhǎng)的寄存器一寄存器型指令三條，16位長(zhǎng)的寄存器一存儲(chǔ)器型變址尋址指令四條，變址范圍為-127～+127，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)指令格式，并給出指令各字段的長(zhǎng)度和操作碼編碼。（）指令PiHuffman編碼I10.3511I20.2510I30.200I40.1010I50.050110I60.0301110I70.0201111平均碼長(zhǎng)l=2*(0.35+0.25+0.2)+3*0.1+4*0.05+5*(0.03+0.02)=2.35位三條令作分為10,00四條令作分為0100, 0101, 166位。如果二地址指令有15（）154001；一地址指令地址占了6位，操作碼占了10位，其中4位用于和二地址區(qū)分由1111占據(jù)，還剩6位一地指條數(shù)26-1=63條操碼其中需留零址零地址指令地址占了0位，操作碼占了16位，其中10位用于和一地址區(qū)分由1111111111占據(jù)，還剩6位零地址指令條數(shù)26=64條，操作碼1111111111000000-1111111111111111(2)二址令14條，作碼一地指令63+63=126，操碼+ 零地令64+64=128條.操作碼 +CISCRISC答：一般原則P45P46-P48CPICISCRISC答：

第三章 流水線技術(shù)與向量處理技術(shù)指令的重疊解釋方式：在解釋第k條指令的操作完成之前，就可開(kāi)始解釋第k+l條指令。一次重疊：任何時(shí)候，指令分析部件和指令執(zhí)行部件都只有相鄰兩條指令在重疊解釋。k+lk“k”k+1、k+l“”。數(shù)相關(guān)：如果第k+l條指令的源操作數(shù)地址i正好是第k條指令存放運(yùn)算結(jié)果的地址，在笫k、k+1條指令的數(shù)據(jù)地址之間有了關(guān)聯(lián)，稱(chēng)為發(fā)生了“數(shù)相關(guān)”。靜態(tài)流水線：是指在同一時(shí)間內(nèi)，多功能流水線中的各個(gè)功能段只能按一種功能的連接方式工作。動(dòng)態(tài)流水線：是指在同一時(shí)間內(nèi)，多功能流水線中的各個(gè)功能段可以實(shí)現(xiàn)多種連接，同時(shí)執(zhí)行多種功能。線性流水線：是指流水線各段串行連接，數(shù)據(jù)順序流經(jīng)流水線各段一次且僅流過(guò)一次。非線性流水線：是指在流水線各段之間除有串行連接之外，還有某種反饋回路，使一個(gè)任務(wù)流經(jīng)流水線時(shí)，需多次經(jīng)過(guò)某個(gè)段或越過(guò)某些段流水線的實(shí)際吞吐率：流水線的實(shí)際吞吐率TP是指從啟動(dòng)流水線處理機(jī)開(kāi)始到流水線操作結(jié)束，單位時(shí)間內(nèi)能流出的任務(wù)數(shù)或能流出的結(jié)果數(shù)流水線的加速比：是指流水方式與非流水線順序方式工作，完成同樣任務(wù)量時(shí)的工作速度提高的比值。流水線的效率：是指流水線的設(shè)備利用率，即流水線在整個(gè)運(yùn)行時(shí)間里，流水線的設(shè)備實(shí)際使用時(shí)間所占的比率“√”是一個(gè)n-1局部性相關(guān)：指指令相關(guān)、主存空間數(shù)相關(guān)和通用寄存器組數(shù)相關(guān)等全局性相關(guān)：指的是已進(jìn)入流水線的轉(zhuǎn)移指令（尤其是條件轉(zhuǎn)移指令）和其后面的指令之間的相關(guān)。先寫(xiě)后讀相關(guān)：如果指令j的源操作數(shù)地址與指令h的目的操作數(shù)地址相同，而當(dāng)指令j到達(dá)讀段時(shí)，指令h還沒(méi)有到達(dá)寫(xiě)段完成寫(xiě)入操作，則指令j讀出的數(shù)據(jù)就是錯(cuò)誤的，指令h和j就發(fā)生了先寫(xiě)后讀的操作數(shù)相關(guān)。先讀后寫(xiě)相關(guān)：對(duì)同一單元，要求在先的指令先讀出，在后的指令后寫(xiě)入的關(guān)聯(lián)為“先讀后寫(xiě)”相關(guān)寫(xiě)后寫(xiě)相關(guān)：稱(chēng)這種對(duì)同一單元要求在先的指令先寫(xiě)入，在后的指令后寫(xiě)入的關(guān)聯(lián)為“寫(xiě)后寫(xiě)”相關(guān)超標(biāo)量流水線：在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)能夠同時(shí)發(fā)射多條指令VLIW：超長(zhǎng)指令字VeryLongInstructionWord，將多條指令中若干可并行執(zhí)行的操作安排在一個(gè)超長(zhǎng)指令字中的各指令操作字段上，形成一條可達(dá)數(shù)百位的指令，超流水線：指在每個(gè)節(jié)拍只發(fā)射一條指令，但每個(gè)機(jī)器周期內(nèi)可并發(fā)發(fā)射多條指令并產(chǎn)生多個(gè)結(jié)果的流水線超標(biāo)量超流水線：超標(biāo)量流水與超流水技術(shù)的結(jié)合答：差別之處：順序方式，指令不分解；“一次重疊”把一條指令的解釋分解為兩個(gè)子過(guò)程，而“流水”則是分解成更多個(gè)子過(guò)程。流水相比完全重復(fù)增加多套部件：優(yōu)點(diǎn)還是節(jié)省硬件，成本較低；缺點(diǎn)是控制復(fù)雜，需要解決好指令相關(guān)，數(shù)據(jù)相關(guān)以及流水線中斷等問(wèn)題。t、t分析t執(zhí)行(l)分別計(jì)算下列幾種情況下，執(zhí)行完100條指令所需時(shí)間的一般關(guān)系式。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”、“取指k+2”重疊。(2)分別在t取指=t分析=2、t執(zhí)行=1及t取指=t執(zhí)行=5、t分析=2兩種情況下，計(jì)算出上述各結(jié)果。解：①順序方式t=(t1+t2+t3)*100t1=t2=2，t3=1，t=(2+2+1)*100=500t1=t3=5，t2=2，t=(5+2+5)*100=1200②僅“執(zhí)行k”與“取指k+1”重疊。t=t1+100*t2+99*max(t1,t3)+t3t1=t2=2，t3=1，t=2+100*2+99*2+1=401t1=t3=5，t2=2，t=5+100*2+99*5+5=705③僅“執(zhí)行k”、“分析k+1”、“取指k+2”重疊t=t1+max(t1,t2)+98*max(t1,t2,t3)+max(t2,t3)+t3t1=t2=2，t3=1，t=2+2+98*2+2+1=203t1=t3=5，t2=2，t=5+5+98*5+5+5=510Δt105Δt連續(xù)輸入10個(gè)數(shù)據(jù)，如此重復(fù)。畫(huà)出時(shí)-空?qǐng)D，計(jì)算流水線的實(shí)際吞吐率、加速比和效率。解：時(shí)空?qǐng)DTP

1015t

0.67/t加速比ST0Tm效率

10*E4*10t0.674*15t3.50圖3.50流水線結(jié)構(gòu)其中，段S1和S3的執(zhí)行時(shí)間均為200ns，段S2和S4的執(zhí)行時(shí)間均為100ns。(l)(2)S1S3別使用公式和時(shí)一空?qǐng)D求連續(xù)流入四條指令的實(shí)際吞吐率和效率。（）s44321432143214321200ns實(shí)際吞吐率TP

4

t0.0033ns1E

24*100

50%（2）時(shí)空?qǐng)Dss4s3bs3as2s12s1112342413123412341234

100nst實(shí)際吞吐率TP

4

0.0044ns1E

6*4006*9*100

44%Δt10F i1畫(huà)出流水線時(shí)-空?qǐng)D，計(jì)算流水線的實(shí)際吞吐率、加速比和效率。Δt(1)當(dāng)在流水線間隔Δt連續(xù)流入任務(wù)時(shí)，會(huì)發(fā)生什么情況？(2)該流水線的最大吞吐率是多少？如果每2Δt輸入一個(gè)任務(wù)，連續(xù)流入10個(gè)任務(wù)，流水線的實(shí)際吞吐率和效率分別是多少？(3)如何改造該流水線，以提高吞吐率？仍然連續(xù)流入10個(gè)任務(wù)，改造后的流水線的實(shí)際吞吐率相對(duì)于改造前的流水線吞吐率提高了多少？（1）答：會(huì)發(fā)生流水線阻塞現(xiàn)象（2）解：第三段是瓶頸段占用2Δt，所以最大吞吐率TPmax=1/2Δt如果每2Δt輸入一個(gè)任務(wù)，連續(xù)流入10個(gè)任務(wù)時(shí)：（3）重復(fù)設(shè)置部件，并聯(lián)在流水線上，6Δt6F(ii)i1畫(huà)出流水線時(shí)-空?qǐng)D，并計(jì)算流水線的實(shí)際吞吐率、加速比和效率。解：ΔtΔtΔt5ΔtΔtΔt542361因?yàn)槭庆o態(tài)流水線，所以需要乘法完成之后，再啟動(dòng)加法。Δt。輸入端和輸出端的緩沖器足夠大，且輸出端的數(shù)據(jù)可以直接返回到輸入端。若用流水線按最快的處理方式計(jì)算(l)畫(huà)出流水線計(jì)算f的時(shí)一空?qǐng)D。

44f(ii)i1ΔtΔΔtΔtΔt542361答案略

Δt Δt Δt8ABA·B的時(shí)-(l)處理器有一個(gè)乘法部件和一個(gè)加法部件，不能同時(shí)工作，部件內(nèi)也只能按順序方式工作，完成一次加法或乘法均需5Δt。與(l)Δt。Δt。MOVE、ADD和MUL的執(zhí)行分別需要二個(gè)、三個(gè)和四個(gè)時(shí)鐘周期，且都在第一個(gè)時(shí)鐘周期從通用寄存器中讀取源操作數(shù)，在最后一個(gè)時(shí)鐘周期把目的操作數(shù)寫(xiě)到通用寄存器中。k: MOVERl， R0 ; R1←(R0)k+l: MUL R0, R2, Rl ; k+2: ADD R0, R2, R3 ; R0←(R2)+(R3)(l)就程序本身而言，哪些指令之間可能發(fā)生何種數(shù)據(jù)相關(guān)？(2)畫(huà)出按指令序列的順序流水執(zhí)行的時(shí)一空?qǐng)D。共使用了多少個(gè)時(shí)鐘周期？(2)3.2表3.2預(yù) 約 表時(shí)間段號(hào)t0t1t2t3t4t5t6t7t8S1√√S2√√S3√√√S4√√S5√√(l)分別寫(xiě)出禁止表F、沖突向量C。(2)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖（3）最佳調(diào)度方案（2,5）TPmax=1/3.5Δt6實(shí)際吞吐率3.3F、沖突向量C；畫(huà)出流水線狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖；求出最小平均延遲及流水線的最大吞吐率及其調(diào)度時(shí)的最佳方案。按此流水調(diào)度方案，輸入六個(gè)任務(wù)，求實(shí)際的吞吐率。表3.2預(yù) 約 表時(shí)間段號(hào)t1t2t3t4t5t6t7S1√√√S2√√S3√S4√√12別畫(huà)出在標(biāo)量流水處理機(jī)及并行度m均為4的超標(biāo)量處理機(jī)、超長(zhǎng)指令字處理機(jī)、起流水線處理機(jī)上工作的時(shí)-空?qǐng)D，分別計(jì)算出它們相對(duì)標(biāo)量流水處理機(jī)的加速比Sp。解，標(biāo)量處理機(jī)超標(biāo)量m=4超長(zhǎng)指令字m=4超流水線m=4Sp=14/5.75=2.43某VLIWΔt，12、14、16解：任務(wù)數(shù)分別為12時(shí)，分12/4=3條長(zhǎng)指令，執(zhí)行時(shí)間為(5+3-1)=7Δt任務(wù)數(shù)分別為14時(shí)，分4條長(zhǎng)指令，執(zhí)行時(shí)間為(5+4-1)=8Δt任務(wù)數(shù)分別為16時(shí)，分4條長(zhǎng)指令，執(zhí)行時(shí)間為(5+4-1)=8Δt若上題的VLIWΔt12、14、16時(shí)，各需要的時(shí)間是多少？解：n=2,m=4124 1任務(wù)數(shù)分別為12時(shí)，執(zhí)行時(shí)間為：T5

6t4 2144 1任務(wù)數(shù)分別為14時(shí)，執(zhí)行時(shí)間為：T5

4 2164 1任務(wù)數(shù)分別為16時(shí)，執(zhí)行時(shí)間為：T5

4 23-15題的VLIW12、14、16解：超流水n=41任務(wù)分為12，時(shí)間：T5 1141任務(wù)分為14，時(shí)間：T5 141任務(wù)分為16，時(shí)間：T5 4D=A·(B+C)N令：①V3←存器； 取A送向寄器V3②V2←VO+Vl； B+C→K③V4←V2*V3； K*A→D設(shè)啟動(dòng)存儲(chǔ)器、啟動(dòng)乘/加流水線、數(shù)據(jù)輸入寄存器各需要時(shí)間Δt，向量加流水線完成一次加法需要時(shí)間6Δt，訪存一次需要時(shí)間6Δt，向量乘流水線完成一次乘法需要時(shí)間7Δt。求出分別采用下列三種方式工作時(shí)，完成三條向量指令共需的時(shí)間。(l)三條指令依序串行。解：(1)T=1+6+N+ 1+6+N+ 1+7+N=(22+3N)ΔtT=1+6+N+ 1+7+N=(15+2N)Δt第三條與一、二條并行執(zhí)行T=1+6+ 1+ 1+7 +N=(16+N)Δtf=200MHz/12VSnV1←存儲(chǔ)器V2←V1×SV3←存儲(chǔ)器V4←V2+V3存儲(chǔ)器←V4(l)處理機(jī)順序執(zhí)行各向量指令且不鏈接，若n=64，計(jì)算處理機(jī)的執(zhí)行時(shí)間。MFLOPS（）T12++6411+7+1+64-11+12+1+64-1+1+6+1+64-1+1+12+1+64-1=374Δt=374/(200*106)=187*10-8s(2)MFLOPS=2*64/（187*10-8*106）=68(3)5條向量指令在標(biāo)量處理機(jī)上以順序方式處理，各自需要的處理時(shí)間分別為：T1=64×12Δt=768ΔtT2=64×7Δt=448ΔtT3=64×12Δt=768ΔtT4=64×6Δt=384ΔtT5=64×12Δt=768Δt標(biāo)量處理機(jī)順序執(zhí)行所需要的時(shí)間為：T=T1+T2+T3+T4+T5=3136/(200*106)=1568*10-8s加速比：Sp=1568/187=8.3932，SVΔt/6Δt算需要時(shí)間6Δt，完成一對(duì)數(shù)據(jù)的乘運(yùn)算需要時(shí)間7Δt。問(wèn)下列各指令組中，哪些指令可以同時(shí)并行？哪些指令可以鏈接？分別計(jì)算各指令組的執(zhí)行時(shí)間。(1)V0←存儲(chǔ)器V1←V2+V3(2)V3←存儲(chǔ)器V2←V0+V1V4←V5×V6S0←S2+S3(3)S0←S1+S2V3←存儲(chǔ)器(2)V3←V1×V4V0←存儲(chǔ)器V2←V0+V1V2