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1、体系结构作业解题参考第1章习题6某处理机时钟频率为f=30MHz，处理速度为20MIPS，用它来执行一个已知混合程序。假定每次存储器访问延迟时间为1个时钟周期。问： 此处理机的有效CPI是多少？ 假定新处理机的时钟频率f提高到60MHz，但存储子系统速率不变。这样，每次存储器访问需2个时钟周期。如果30%的指令每条只需要1次访存，而另外5%指令每条需2次访存，且假定已知混合程序的指令数不变，并与原处理机兼容，请定量分析改进后的新处理机性能。解： 由得 设已知混合程序的总指令执行数为IC，则改进前程序执行所需的总时钟周期数NCO为而改进后的混合程序的指令数不变，且每次访存需增加1个时钟周期，故改
2、进后程序执行所需的总时钟周期数NCn为所以，改进后，处理机的有效CPI为故改进后的处理机速度为第2章习题6一条线性流水线有4个流水段，每个流水段的延迟时间都为t。开始5个t，每间隔一个t向流水线输入一个任务，然后停顿2个t，如此重复。 画出流水线的时空图。 求流水线的实际吞吐率、加速比和效率。解： 时空图如下： 设流入流水线的任务总数为n，若以5个任务为一组，则共可分为组。由于两组任务之间间隔2个时钟周期，所以完成n个任务的总时间为所以有 ， ， 。7用一条5个流水段的浮点加法流水线计算 。每个流水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
3、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P、S、E值。解：流水线时空图如下由时空图可知，完成全部计算共用了21t，共执行了9次加法运算。所以 ， ， 。10在一台流水线处理机上执行下面程序。每条指令都要经过“取指”、“译码”、“执行”、“写结果”4 个流水段，每个流水段延迟时间都是5ns。但在“执行”流水段LS部件和ALU部件只能其中一个工作，其中LS部件完成LOAD和STORE操作，ALU部件完成其它操作。这两个操作部件的输出端和输入端有直接输出通路相互切换连接，且ALU部件产生的条件码也能直接送入控制器。 I1 SUB R0,R0 I2 LOAD R1,#8 I3 LOOP:
4、LOAD R2,A(R1) I4 MUL R2,R1 I5 ADD R0,R2 I6 DNE R1 LOOP I7 STORE R0,M(X)假定采用静态分支预测技术，每次都预测转移不成功。要求： 画出指令流水线的时空图。 计算流水线的吞吐率和加速比，并分别计算译码部件和ALU部件的使用效率。解： 时空图如下： ， ， ， 。第3章习题7第6题中假设所有运算型指令都在译码（ID）段读寄存器，在写结果（WB）段写寄存器，采用顺序发射顺序完成的调度策略。 画出流水线执行指令序列的时空图。 计算执行这个程序所用的时间。I1 LOAD R0，M（A）I2 ADD R1，R0I3 LOAD R2，M（B
5、）I4 MUL R3，R4I5 AND R4，R5I6 ADD R2，R5解： 执行时间=10ns11=110ns .8第6题中假设所有运算型指令都在译码（ID）段读寄存器，在写结果（WB）段写寄存器，采用顺序发射乱序完成的调度策略。 画出流水线执行指令序列的时空图。 计算执行这个程序所用的时间。解： 执行时间=10ns10=100ns .9第6题中假设每个操作部件的输出端都有直接数据通路与输入端相连，采用顺序发射乱序完成的调度策略。 画出流水线执行指令序列的时空图。 计算执行这个程序所用的时间。解： 执行时间=10ns8=80ns .11解：两种静态指令调整方案的时空图如下：第4章习题3解：
6、 向量链接图如下 T=(1+7+1)+(1+3+1)+(1+4+1)+(1+2+1)+(64-1)=87（拍）。 流过时间=1+7+1+1+3+1+1+4+1+1+2+1=24（拍）。4解： 第1、2两条指令并行执行，然后与第3条指令链接，第4条指令顺序执行。 T=(1+6+1)+(1+7+1)+(32-1)+(1+6+1)+(32-1)=87（拍）。5 V0存储器V1V2+V3V4V5*V6 3条指令全并行执行，总时间为T=（1+7+1）+（32-1）=40（拍） V2V0*V1V3存储器V4V2+V3第1、2条指令并行执行，第3条指令顺序执行。总时间为T=（1+7+1）+（32-1）+（1
7、+6+1）+（32-1）=79（拍） V0存储器 V11/V0 V3V1+V2 V5V3*V44条指令全部链接执行。总时间为T=（1+6+1）+（1+14+1）+（1+6+1）+（1+7+1）+（32-1）=72 V0存储器 V1V2+V3 V4V5*V6 S0S1+S24条指令全部并行执行。总时间为T=（1+7+1）+（32-1）=40（拍） V3存储器 V2V0+V1 V3V2*V1 V5V3*V4第1、2条指令并行执行，第3、4条指令均顺序执行。总时间为T=（1+6+1）+（32-1）+（1+7+1）+（32-1）+（1+7+1）+（32-1）=1197某机有16个向量寄存器，其中V0V
8、5分别放有A、B、C、D、E、F，向量长度均为32，向量各元素均为浮点数；处理部件采用两个单功能流水线，加法功能部件时间为2拍，乘法功能部件时间为3拍。采用链接技术，先计算（A+B）*C，在流水线不停顿的情况下，接着计算（D+E）*F。 设寄存器入/出各需1拍，此链接流水线的流过时间为多少拍？ 假设每拍为50ns，完成这些计算并把结果存入相应寄存器，此部件的实际吞吐率是多少MFLOPS？解：写出向量操作序列如下：V6V0+V1V7V6*V2V8V3+V4V9V8*V5显然可将第1、2两条指令链接，第3、4两条指令链接；且第2组操作紧随第1组操作流入流水线，使流水线不停顿。 流过时间=1+2+1
9、+1+3+1=9（拍）。 总时间T=（1+2+1）+（1+3+1）+（64-1）* 50ns =3600ns ， 完成的浮点运算总次数N=2*64=128，所以，该部件的实际吞吐率为8在某向量机上计算D=A*（B+C），设A、B、C均为长度为128的向量，并已存放在相应寄存器中，都利用浮点功能部件和链接技术。该机向量寄存器长度为64。 完成计算任务所需要的最短时间为多少拍？ 实际吞吐率是多少MFLOPS？解：本题的向量需要分两段处理，每段长度均为64。设各向量存放的向量寄存器为：A存于V0和V1，B存于V2和V3，C存于V4和V5，D存于V6和V7，且该机有足够的向量寄存器。则完成计算所需的操
10、作序列如下：V8V2+V4V6V0*V8V8V3+V5V7V1*V8 显然可将第1、2两条指令链接，第3、4两条指令链接。设加法功能部件时间为6拍，乘法功能部件时间为7拍，向量寄存器入/出各需1拍，则总时间为T=（1+6+1）+（1+7+1）+（64-1）*2=160（拍） 完成计算任务所做的浮点操作总次数为N=2*128=256。设该机的时钟频率为f，则其实际吞吐率为4设E为交换函数，S为均匀洗牌函数，B为蝶式函数，PM2I为移数函数，函数的自变量是十进制数表示的处理机编号。现有32台处理机，其编号为0，1，2，31. 分别计算下列互连函数： E2（12） S（8） B（9） PM2I+3（
11、28） E0（S（4） S（E0（18） 用E0和S构成均匀洗牌交换网（每步只能使用E0和S一次），网络直径是多少？从5号处理机发送数据到7号处理机，最短路径要经过几步？请列出经过的处理机编号。 采用移数函数构成互连网，网络直径是多少？结点度是多少？与2号处理机距离最远的是几号处理机？解： E2（12）E2（01100）（01000）28， S（8）S（01000）（10000）216， B（9）B（01001）（11000）224， PM2I+3（28）28+23 mod 32=4， E0（S（4）E0（S（00100）E0（01000）（01001）29， S（E0（18）S（E0（100
12、10）S（10011）（00111）27. 依题意，均匀洗牌交换网的互连函数设计为：S（E0（X）。 S（E0（00000）00010，S（E0（00001）00000， S（E0（00010）00110，S（E0（00011）00100， S（E0（00100）01010，S（E0（00101）01000， S（E0（00110）01110，S（E0（00111）01100， S（E0（01000）10010，S（E0（01001）10000， S（E0（01010）10110，S（E0（01011）10100， S（E0（01100）11010，S（E0（01101）11000， S（E0
13、（01110）11110，S（E0（01111）11100， S（E0（10000）00011，S（E0（10001）00001，S（E0（10010）00111，S（E0（10011）00101，S（E0（10100）01011，S（E0（10101）01001，S（E0（10110）01111，S（E0（10111）01101，S（E0（11000）10011，S（E0（11001）10001，S（E0（11010）10111，S（E0（11011）10101，S（E0（11100）11011，S（E0（11101）11001，S（E0（11110）11111，S（E0（11111）11101。以上互连关系用图形描述如下：026143031292517134102215282721916581871226231324191120所以有：网络直径=；从5号结点发送数据到7号结点，最短路径要经过3步，即58187。 采用移数函数构成互连网，结点间的互连关系是：PM2+0：（0 1 2 3 29 30 31）PM2-0：（31 30 29 28 2 1 0）PM2+1：（0 2 4 6
