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1、第5章 课后习题1填空题(1) 衡量流水线性能的主要指标有 、 和 。(2) 指令乱序流动可能造成 、 、 三种数据相关。(3) 解决数据相关主要有 法和 法。(4) 超标量处理机开发的是 并行性，而超流水线处理机开发的是 并行性。 (1). 吞吐率、加速比、效率(2). 先写后读、先读后写、写写(3). 推后分析、设置专用路径 (4). 空间、时间 2假设一条指令的执行过程分为取指令、分析和执行三段，每一段的时间分别为t、2t和3t。在下列各种情况下，分别写出连续执行n条指令所需要的时间表达式。(1) 顺序执行方式。(2) 仅取指令和执行重叠。(3) 取指令、分析和执行重叠。第2题(1) 顺
2、序执行时每条指令用时=t+2t+3t=6t，因此n条指令所需要的时间=6n*t(2) 第一条指令完成需要时间=t+2t+3t=6t，根据题义，下一条指令的取指令与上一条指令执行的最后一个t重叠。因此，自从第一条指令完成后，每隔4t完成一条指令。所以余下的n-1条指令用时(n-1)*4t. 所以，n条指令所需要的时间=6t+(n-1)*4t=2(2n+1)t。(3) 第一条指令完成需要时间=t+2t+3t=6t，由于一条指令的取指令和分析阶段和下一条指令的执行阶段重叠，因此，此后每3t 完成一条指令，余下的n-1条指令用时(n-1)*3t.因此n条指令所需要的时间=6t+(n-1)*3t=3(n
3、+1)t3用一条5个功能段的浮点加法器流水线计算F。每个功能段的延迟时间均相等，流水线的输出端与输入端之间有直接数据通路，而且设置有足够的缓冲寄存器。要求用尽可能短的时间完成计算，画出流水线时空图，计算流水线的实际吞吐率、加速比和效率。第3题假设每个功能段的延迟时间为t。F =(A1+1A2)+6(A3+2A4)+8(A5+3A6)+9(A7+4A8)+7(A9+5A10)由上面的时空图可以看出，在20t时间内共完成9个加法操作。因此：吞吐率为：TP= 9/20=0.45 加速比为：Sp= 9*5/20=2.5效率为： E= 45/(20*5)=45%4 设有一个15000条指令的程序在一台时
4、钟速率为25MHz的线性流水线处理机上执行。假设该指令流水线有5段，并且每个时钟周期发射一条指令。忽略由于转移指令和无序执行造成的损失。 (1) 用该流水线执行这一程序，并用流过延迟与其相等的一个等效非流水线处理机执行同一程序，将两者加以比较，并计算其加速比。(2) 该流水线处理机的效率是多少？(3) 计算该流水线的吞吐率。第4题(1) 等效的非流水处理机执行一条指令需要的时间是5个时钟周期。依照加速比定义，(2) 效率E为(3) 吞吐率TP为5 设有5段流水线处理机的预约表如下：(1) 列出禁止等待时间和冲突向量集。(2) 画出状态转换图，说明不引起流水线冲突的所有可能的启动序列（循环）。(
5、3) 根据状态图列出所有简单循环。(4) 从简单循环中找出迫切循环。(5) 此流水线的最小平均等待时间(MAL)是多少？(6) 使用此流水线时，列出可允许的最小恒定循环。(7) 该流水线的最大吞吐率是多少？(8) 如果使用最小恒定循环，则吞吐率是多少？123456S1XXS2XXS3XS4XS5XX第5题(1) 禁止等待时间是：3，4，5。冲突向量为(11100)。(2) 状态转换图如下所示：(3) 简单循环如下：(1，1，6)，(2，6)，(6)，(1，6)(4) 迫切(最小启动)循环为(1，1，6)(5) 最小平均等待时间MAL为(6) 最小恒定循环为(6)。(7) 设该流水线的时钟周期为
6、，则该流水线的最大吞吐率TPMAX为(8) 使用最小恒定循环时，设该流水线的时钟周期为，该流水线的吞吐率为6 下列汇编代码在一台3段流水线处理机上执行，每一段都有冒险(相关)检测和分解。这三段是取指令、取操作数（根据要求取一个或者多个）和执行（包括写回操作）。试说明在代码执行中所有可能的相关情况。Inc R0/R0(R0)+1/Mul ACC,R0/ACC(ACC)(R0)/Store R1,ACC/R1(ACC)/Add ACC,R0/ACC(ACC)+(R0)/Store M,ACC /M(ACC)/第6题我们首先给上面的指令序列编号如下：I1： IncR0 /R0(R0)+1/I2： M
7、ulACC,R0 /ACC(ACC)(R0)/I3： StoreR1,ACC /R1(ACC)/I4： Add ACC,R0 /ACC(ACC)+(R0)/I5： StoreM,ACC/M(ACC)/我们使用IF、OF和EX来分别代表流水线的取指令、取操作数和执行三段。下面的图表显示了执行的序列：图中的箭头方向是同一条指令在流水线中的流动方向，从图中我们可以看出：在t3时刻：O(I1) I(I2)= R0 ，会发生RAW相关；在t4时刻：O(I2) I(I3)= Acc ，会发生RAW相关；在t6时刻：O(I4) I(I5)= Acc ，会发生RAW相关。其中我们用O(I1)表示指令I1的输出
8、寄存器(如R0表示寄存器，而Acc表示表示累加器)，I(I2)表示指令I2的输入寄存器。下面的调度方法能够避免相关的发生：其中，Stall表示流水线停顿，通过这种方法，可以避免相关的发生。7 设有4段流水线处理机如下，此流水线的总求值时间为6个时钟周期，所有相继段必须在每个时钟周期之后才能使用。(1) 列出这一流水线的4行六列预约表。(2) 列出任务启动之间的禁止等待时间集。(3) 画出表示所有可能的等待时间循环的状态图。(4) 根据状态图列出所有的迫切（最小启动）循环。(5) 最小平均等待时间值是多少？ 第7题可能会有多种方案。答案一：(1) 预约表如下所示：123456S1XXS2XXS3
9、XS4X(2) 禁止等待时间为：4，冲突向量为：(1000)。(3) 状态转移图如下：(4) 简单循环如下所示：(1，5)，(1，1，5)，(1，1，1，5)，(1，2，5)，(1，2，3，5)，(1，2，3，2，5)，(1，2，3，2，1，5)，(2，5)，(2，1，5)(2，1，2，5)，(2，1，2，3，5)，(2，3，5)，(3，5)，(3)，(3，2，5)，(3，2，1，5)，(3，2，1，2，5)，(5)，(3，2，1，5)(5) 最小启动循环如下：(1，1，1，5)和(1，2，3，2)(6) 平均最小等待时间为：(7) 最大的吞吐量为：答案二：(1) 预约表如下所示：123456
10、S1XXS2XXXS3XXS4X(2) 禁止等待时间为：2和4，冲突向量为：(1010)。(3) 状态转移图如下：(4) 简单循环如下所示： (3)，(5)，(1，5)和(3，5) (5) 最小启动循环如下：(1，5)和(3) (6) 最小平均等待时间为： (7) 最大吞吐量为：8 三条功能流水线f1，f2和f3可用下面的预约表来描述： 用这三条流水线还可形成一个组合流水线网络如下： 通过此组合流水线的每个任务按以下的次序使用流水线：第一是f1，其次是f2和f3，再是f1，然后得到输出。双多路转换器从（A,B）或（X,Y）中选择一对输入，并把他们输入给f1。组合流水线的使用也是用组合的预约表来
11、描述的。(1) 为此组合流水线填充下列预约表： 123456789101112S1XS2XS3XT1T2T3XU1XU2U3(2) 写出禁止启动循环和初始冲突向量。(3) 画出能清楚表示所有等待时间循环的状态图。(4) 列出所有简单循环和迫切（最小启动）循环。(5) 计算此组合流水线的MAL和最大吞吐率。第8题(1) 预约表如下：123456789101112S1XXS2XXS3XXXXT1XXT2XT3XU1XXU2XU3X(2) 禁止等待时间为：8，1，7，9，3，2；初始冲突向量为：(111000111)(3) 状态转换图如下：(4) 简单循环为：(5)，(6)，(10)，(4，6)，(4，10)，(5，6)，(5，10)；其中最小启动循环为：(5)和(4，6)；(5) 最小平均启动距离为：(6) 最大吞吐量为；9 假设一个四段流水线（其时钟周期=20ns）的预约表如下：123456S1XXS2XXS3XS4XX(1) 哪些是禁止等待时间和初始冲突向量？(2) 画出调度该流水线的状态变换图。
