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1、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 張晨曦 王志英等 高等教育出版社 第1章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念 1.1 解釋下列術(shù)語 層次機(jī)構(gòu)：按照計(jì)算機(jī)語言從低級(jí)到高級(jí)的次序，把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)按功能劃分成多級(jí)層次結(jié)構(gòu)，每一層以一種不同的語言為特征。這些層次依次為：微程序機(jī)器級(jí)，傳統(tǒng)機(jī)器語言機(jī)器級(jí)，匯編語言機(jī)器級(jí)，高級(jí)語言機(jī)器級(jí)，應(yīng)用語言機(jī)器級(jí)等。 虛擬機(jī)：用軟件實(shí)現(xiàn)的機(jī)器。 翻譯：先用轉(zhuǎn)換程序把高一級(jí)機(jī)器上的程序轉(zhuǎn)換為低一級(jí)機(jī)器上等效的程序，然后再在這低一級(jí)機(jī)器上運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)程序的功能。 解釋：對(duì)于高一級(jí)機(jī)器上的程序中的每一條語句或指令，都是轉(zhuǎn)去執(zhí)行低一級(jí)機(jī)器上的一段

2、等效程序。執(zhí)行完后，再去高一級(jí)機(jī)器取下一條語句或指令，再進(jìn)行解釋執(zhí)行，如此反復(fù)，直到解釋執(zhí)行完整個(gè)程序。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：傳統(tǒng)機(jī)器程序員所看到的計(jì)算機(jī)屬性，即概念性結(jié)構(gòu)與功能特性。 在計(jì)算機(jī)技術(shù)中，把這種本來存在的事物或?qū)傩裕珡哪撤N角度看又好像不存在的概念稱為透明性。 計(jì)算機(jī)組成：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)，包含物理機(jī)器級(jí)中的數(shù)據(jù)流和控制流的組成以及邏輯設(shè)計(jì)等。 計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)：計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)，包括處理機(jī)、主存等部件的物理結(jié)構(gòu)，器件的集成度和速度，模塊、插件、底板的劃分與連接，信號(hào)傳輸，電源、冷卻及整機(jī)裝配技術(shù)等。 系統(tǒng)加速比：對(duì)系統(tǒng)中某部分進(jìn)行改進(jìn)時(shí)，改進(jìn)后系

3、統(tǒng)性能提高的倍數(shù)。 Amdahl定律：當(dāng)對(duì)一個(gè)系統(tǒng)中的某個(gè)部件進(jìn)行改進(jìn)后，所能獲得的整個(gè)系統(tǒng)性能的提高，受限于該部件的執(zhí)行時(shí)間占總執(zhí)行時(shí)間的百分比。 程序的局部性原理：程序執(zhí)行時(shí)所訪問的存儲(chǔ)器地址不是隨機(jī)分布的，而是相對(duì)地簇聚。包括時(shí)間局部性和空間局部性。 CPI：每條指令執(zhí)行的平均時(shí)鐘周期數(shù)。 測(cè)試程序套件：由各種不同的真實(shí)應(yīng)用程序構(gòu)成的一組測(cè)試程序，用來測(cè)試計(jì)算機(jī)在各個(gè)方面的處理性能。 存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)：馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)。其基本點(diǎn)是指令驅(qū)動(dòng)。程序預(yù)先存放在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中，機(jī)器一旦啟動(dòng)，就能按照程序指定的邏輯順序執(zhí)行這些程序，自動(dòng)完成由程序所描述的處理工作。

4、 系列機(jī)：由同一廠家生產(chǎn)的具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、但具有不同組成和實(shí)現(xiàn)的一系列不同型號(hào)的計(jì)算機(jī)。 軟件兼容：一個(gè)軟件可以不經(jīng)修改或者只需少量修改就可以由一臺(tái)計(jì)算機(jī)移植到另一臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。差別只是執(zhí)行時(shí)間的不同。 向上（下）兼容：按某檔計(jì)算機(jī)編制的程序，不加修改就能運(yùn)行于比它高（低）檔的計(jì)算機(jī)。 向后（前）兼容：按某個(gè)時(shí)期投入市場(chǎng)的某種型號(hào)計(jì)算機(jī)編制的程序，不加修改地就能運(yùn)行于在它之后（前）投入市場(chǎng)的計(jì)算機(jī)。 兼容機(jī)：由不同公司廠家生產(chǎn)的具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)。 模擬：用軟件的方法在一臺(tái)現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)（稱為宿主機(jī)）上實(shí)現(xiàn)另一臺(tái)計(jì)算機(jī)（稱為虛擬機(jī)）的指令系統(tǒng)。

5、仿真：用一臺(tái)現(xiàn)有計(jì)算機(jī)（稱為宿主機(jī)）上的微程序去解釋實(shí)現(xiàn)另一臺(tái)計(jì)算機(jī)（稱為目標(biāo)機(jī)）的指令系統(tǒng)。 并行性：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在同一時(shí)刻或者同一時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行多種運(yùn)算或操作。只要在時(shí)間上相互重疊，就存在并行性。它包括同時(shí)性與并發(fā)性兩種含義。 時(shí)間重疊：在并行性概念中引入時(shí)間因素，讓多個(gè)處理過程在時(shí)間上相互錯(cuò)開，輪流重疊地使用同一套硬件設(shè)備的各個(gè)部分，以加快硬件周轉(zhuǎn)而贏得速度。 資源重復(fù)：在并行性概念中引入空間因素，以數(shù)量取勝。通過重復(fù)設(shè)置硬件資源，大幅度地提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能。 資源共享：這是一種軟件方法，它使多個(gè)任務(wù)按一定時(shí)間順序輪流使用同一套硬件設(shè)備。 耦合度：反映多機(jī)系

6、統(tǒng)中各計(jì)算機(jī)之間物理連接的緊密程度和交互作用能力的強(qiáng)弱。 緊密耦合系統(tǒng)：又稱直接耦合系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)之間的物理連接的頻帶較高，一般是通過總線或高速開關(guān)互連，可以共享主存。 松散耦合系統(tǒng)：又稱間接耦合系統(tǒng)，一般是通過通道或通信線路實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)之間的互連，可以共享外存設(shè)備（磁盤、磁帶等）。計(jì)算機(jī)之間的相互作用是在文件或數(shù)據(jù)集一級(jí)上進(jìn)行。 異構(gòu)型多處理機(jī)系統(tǒng)：由多個(gè)不同類型、至少擔(dān)負(fù)不同功能的處理機(jī)組成，它們按照作業(yè)要求的順序，利用時(shí)間重疊原理，依次對(duì)它們的多個(gè)任務(wù)進(jìn)行加工，各自完成規(guī)定的功能動(dòng)作。 同構(gòu)型多處理機(jī)系統(tǒng)：由多個(gè)同類型或至少擔(dān)負(fù)同等功能的處理機(jī)組成，它們

7、同時(shí)處理同一作業(yè)中能并行執(zhí)行的多個(gè)任務(wù)。 1.2 試用實(shí)例說明計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)之間的相互關(guān)系。 答：如在設(shè)計(jì)主存系統(tǒng)時(shí)，確定主存容量、編址方式、尋址范圍等屬于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。確定主存周期、邏輯上是否采用并行主存、邏輯設(shè)計(jì)等屬于計(jì)算機(jī)組成。選擇存儲(chǔ)芯片類型、微組裝技術(shù)、線路設(shè)計(jì)等屬于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。 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)。一種體系結(jié)構(gòu)可以有多種組成。一種組成可以有多種實(shí)現(xiàn)。 1.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的Flynn分類法是按什么來分類的？共分為哪幾類？ 答：Flynn分類法是按照指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性進(jìn)行分類。把

8、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為： （1） 單指令流單數(shù)據(jù)流SISD （2） 單指令流多數(shù)據(jù)流SIMD （3） 多指令流單數(shù)據(jù)流MISD （4） 多指令流多數(shù)據(jù)流MIMD 1.4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用的4個(gè)定量原理是什么？并說出它們的含義。 答：（1）以經(jīng)常性事件為重點(diǎn)。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，對(duì)經(jīng)常發(fā)生的情況，賦予它優(yōu)先的處理權(quán)和資源使用權(quán)，以得到更多的總體上的改進(jìn)。（2）Amdahl定律。加快某部件執(zhí)行速度所獲得的系統(tǒng)性能加速比，受限于該部件在系統(tǒng)中所占的重要性。（3）CPU性能公式。執(zhí)行一個(gè)程序所需的CPU時(shí)間 = IC ×CPI ×?xí)r鐘周期時(shí)間。（4）程序的局部性原理。程序在執(zhí)行

9、時(shí)所訪問地址的分布不是隨機(jī)的，而是相對(duì)地簇聚。 1.5 分別從執(zhí)行程序的角度和處理數(shù)據(jù)的角度來看，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中并行性等級(jí)從低到高可分為哪幾級(jí)？ 答：從處理數(shù)據(jù)的角度來看，并行性等級(jí)從低到高可分為： （1）字串位串：每次只對(duì)一個(gè)字的一位進(jìn)行處理。這是最基本的串行處理方式，不存在并行性； （2）字串位并：同時(shí)對(duì)一個(gè)字的全部位進(jìn)行處理，不同字之間是串行的。已開始出現(xiàn)并行性； （3）字并位串：同時(shí)對(duì)許多字的同一位（稱為位片）進(jìn)行處理。這種方式具有較高的并行性； （4）全并行：同時(shí)對(duì)許多字的全部位或部分位進(jìn)行處理。這是最高一級(jí)的并行。 從執(zhí)行程序的角度來看，并行性等級(jí)從低到高可分為：

10、 （1）指令內(nèi)部并行：?jiǎn)螚l指令中各微操作之間的并行； （2）指令級(jí)并行：并行執(zhí)行兩條或兩條以上的指令； （3）線程級(jí)并行：并行執(zhí)行兩個(gè)或兩個(gè)以上的線程，通常是以一個(gè)進(jìn)程內(nèi)派生的多個(gè)線程為調(diào)度單位； （4）任務(wù)級(jí)或過程級(jí)并行：并行執(zhí)行兩個(gè)或兩個(gè)以上的過程或任務(wù)（程序段），以子程序或進(jìn)程為調(diào)度單元； （5）作業(yè)或程序級(jí)并行：并行執(zhí)行兩個(gè)或兩個(gè)以上的作業(yè)或程序。 1.6 某臺(tái)主頻為400MHz的計(jì)算機(jī)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試程序，程序中指令類型、執(zhí)行數(shù)量和平均時(shí)鐘周期數(shù)如下： 指令類型 指令執(zhí)行數(shù)量 平均時(shí)鐘周期數(shù) 整數(shù) 45000 1 數(shù)據(jù)傳送 75000 2 浮點(diǎn) 80

11、00 4 分支 1500 2 求該計(jì)算機(jī)的有效CPI、MIPS和程序執(zhí)行時(shí)間。 解：（1）CPI ＝(45000×1＋75000×2＋8000×4＋1500×2) / 129500＝1.776 (或) （2）MIPS速率＝f/ CPI ＝400/1.776 ＝225.225MIPS (或MIPS) （3）程序執(zhí)行時(shí)間= (45000×1＋75000×2＋8000×4＋1500×2)／400=575ms 1.7 將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中某一功能的處理速度加快10倍，但該功能的處理時(shí)間僅為整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的40%，則采用此增強(qiáng)功能方法后，能使整個(gè)系統(tǒng)的性能提高多少？ 解 由題可知：

12、 可改進(jìn)比例 = 40% = 0.4 部件加速比 = 10 根據(jù)Amdahl定律可知： 采用此增強(qiáng)功能方法后，能使整個(gè)系統(tǒng)的性能提高到原來的1.5625倍。 1.8 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有三個(gè)部件可以改進(jìn)，這三個(gè)部件的部件加速比為： 部件加速比1=30； 部件加速比2=20； 部件加速比3=10 （1） 如果部件1和部件2的可改進(jìn)比例均為30%，那么當(dāng)部件3的可改進(jìn)比例為多少時(shí)，系統(tǒng)加速比才可以達(dá)到10？ （2） 如果三個(gè)部件的可改進(jìn)比例分別為30%、30%和20%，三個(gè)部件同時(shí)改進(jìn)，那么系統(tǒng)中不可加速部分的執(zhí)行時(shí)間在總執(zhí)行時(shí)間中占的比例是多少？ 解：（1）在

13、多個(gè)部件可改進(jìn)情況下，Amdahl定理的擴(kuò)展： 已知S1＝30，S2＝20，S3＝10，Sn＝10，F(xiàn)1＝0.3，F(xiàn)2＝0.3，得： 得F3＝0.36，即部件3的可改進(jìn)比例為36%。 （2）設(shè)系統(tǒng)改進(jìn)前的執(zhí)行時(shí)間為T，則3個(gè)部件改進(jìn)前的執(zhí)行時(shí)間為：（0.3+0.3+0.2）T = 0.8T，不可改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間為0.2T。 已知3個(gè)部件改進(jìn)后的加速比分別為S1＝30，S2＝20，S3＝10，因此3個(gè)部件改進(jìn)后的執(zhí)行時(shí)間為： 改進(jìn)后整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行時(shí)間為：Tn = 0.045T+0.2T = 0.245T 那么系統(tǒng)中不可改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間在總執(zhí)行時(shí)間中占的比例是：

14、 1.9 假設(shè)某應(yīng)用程序中有4類操作，通過改進(jìn)，各操作獲得不同的性能提高。具體數(shù)據(jù)如下表所示： 操作類型 程序中的數(shù)量 （百萬條指令） 改進(jìn)前的執(zhí)行時(shí)間 （周期） 改進(jìn)后的執(zhí)行時(shí)間 （周期） 操作1 10 2 1 操作2 30 20 15 操作3 35 10 3 操作4 15 4 1 （1）改進(jìn)后，各類操作的加速比分別是多少？ （2）各類操作單獨(dú)改進(jìn)后，程序獲得的加速比分別是多少？ （3）4類操作均改進(jìn)后，整個(gè)程序的加速比是多少？ 解：根據(jù)Amdahl定律可得 操作類型 各類操作的指令條數(shù)在程序中所占的比例Fi 各類操作

15、的加速比Si 各類操作單獨(dú)改進(jìn)后，程序獲得的加速比 操作1 11.1% 2 1.06 操作2 33.3% 1.33 1.09 操作3 38.9% 3.33 1.37 操作4 16.7% 4 1.14 4類操作均改進(jìn)后，整個(gè)程序的加速比： 第2章 指令集結(jié)構(gòu)的分類 2.1 解釋下列術(shù)語 堆棧型機(jī)器：CPU 中存儲(chǔ)操作數(shù)的單元是堆棧的機(jī)器。 累加器型機(jī)器：CPU 中存儲(chǔ)操作數(shù)的單元是累加器的機(jī)器。 通用寄存器型機(jī)器：CPU 中存儲(chǔ)操作數(shù)的單元是通用寄存器的機(jī)器。 CISC：復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī) RISC：精簡(jiǎn)指令集計(jì)

16、算機(jī) 尋址方式：指令系統(tǒng)中如何形成所要訪問的數(shù)據(jù)的地址。一般來說，尋址方式可以指明指令中的操作數(shù)是一個(gè)常數(shù)、一個(gè)寄存器操作數(shù)或者是一個(gè)存儲(chǔ)器操作數(shù)。 數(shù)據(jù)表示：硬件結(jié)構(gòu)能夠識(shí)別、指令系統(tǒng)可以直接調(diào)用的那些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 2.2 區(qū)別不同指令集結(jié)構(gòu)的主要因素是什么？根據(jù)這個(gè)主要因素可將指令集結(jié)構(gòu)分為哪3類？ 答：區(qū)別不同指令集結(jié)構(gòu)的主要因素是CPU中用來存儲(chǔ)操作數(shù)的存儲(chǔ)單元。據(jù)此可將指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為堆棧結(jié)構(gòu)、累加器結(jié)構(gòu)和通用寄存器結(jié)構(gòu)。 2.3 常見的3種通用寄存器型指令集結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)有哪些？ 答： 指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類型 優(yōu) 點(diǎn) 缺 點(diǎn) 寄存器-寄存器型

17、（0，3） 指令字長(zhǎng)固定，指令結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，是一種簡(jiǎn)單的代碼生成模型，各種指令的執(zhí)行時(shí)鐘周期數(shù)相近。 與指令中含存儲(chǔ)器操作數(shù)的指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，指令條數(shù)多，目標(biāo)代碼不夠緊湊，因而程序占用的空間比較大。 寄存器-存儲(chǔ)器型 （1，2） 可以在ALU指令中直接對(duì)存儲(chǔ)器操作數(shù)進(jìn)行引用，而不必先用load指令進(jìn)行加載。容易對(duì)指令進(jìn)行編碼，目標(biāo)代碼比較緊湊。 由于有一個(gè)操作數(shù)的內(nèi)容將被破壞，所以指令中的兩個(gè)操作數(shù)不對(duì)稱。在一條指令中同時(shí)對(duì)寄存器操作數(shù)和存儲(chǔ)器操作數(shù)進(jìn)行編碼，有可能限制指令所能夠表示的寄存器個(gè)數(shù)。指令的執(zhí)行時(shí)鐘周期數(shù)因操作數(shù)的來源（寄存器或存儲(chǔ)器）不同而差別比較大。 存儲(chǔ)器-存儲(chǔ)器

18、型 （2，2）或（3，3） 目標(biāo)代碼最緊湊，不需要設(shè)置寄存器來保存變量。 指令字長(zhǎng)變化很大，特別是3操作數(shù)指令。而且每條指令完成的工作也差別很大。對(duì)存儲(chǔ)器的頻繁訪問會(huì)使存儲(chǔ)器成為瓶頸。這種類型的指令系統(tǒng)現(xiàn)在已不用了。 2.4 指令集應(yīng)滿足哪幾個(gè)基本要求？ 答：對(duì)指令集的基本要求是：完整性、規(guī)整性、高效率和兼容性。 完整性是指在一個(gè)有限可用的存儲(chǔ)空間內(nèi)，對(duì)于任何可解的問題，編制計(jì)算程序時(shí)，指令集所提供的指令足夠使用。 規(guī)整性主要包括對(duì)稱性和均勻性。對(duì)稱性是指所有與指令集有關(guān)的存儲(chǔ)單元的使用、操作碼的設(shè)置等都是對(duì)稱的。均勻性是指對(duì)于各種不同的操作數(shù)類型、字長(zhǎng)、操作種類和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

19、單元，指令的設(shè)置都要同等對(duì)待。 高效率是指指令的執(zhí)行速度快、使用頻度高。 2.5 指令集結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所涉及的內(nèi)容有哪些？ 答： (1) 指令集功能設(shè)計(jì)：主要有RISC和CISC兩種技術(shù)發(fā)展方向； (2) 尋址方式的設(shè)計(jì)：設(shè)置尋址方式可以通過對(duì)基準(zhǔn)程序進(jìn)行測(cè)試統(tǒng)計(jì)，察看各種尋址方式的使用頻率，根據(jù)適用頻率設(shè)置必要的尋址方式。 (3) 操作數(shù)表示和操作數(shù)類型：主要的操作數(shù)類型和操作數(shù)表示的選擇有：浮點(diǎn)數(shù)據(jù)類型、整型數(shù)據(jù)類型、字符型、十進(jìn)制數(shù)據(jù)類型等等。 (4) 尋址方式的表示：可以將尋址方式編碼于操作碼中，也可以將尋址方式作為一個(gè)單獨(dú)的域來表示。 (5) 指令集格式的設(shè)計(jì)：有變長(zhǎng)編碼格式、

20、固定長(zhǎng)度編碼格式和混合型編碼格式3種。 2.6 簡(jiǎn)述CISC指令集結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。從當(dāng)前的計(jì)算機(jī)技術(shù)觀點(diǎn)來看，CISC指令集結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)有什么缺點(diǎn)？ 答：主要目標(biāo)是增強(qiáng)指令功能，把越來越多的功能交由硬件來實(shí)現(xiàn)，并且指令的數(shù)量也是越來越多。 缺點(diǎn)： (1) CISC結(jié)構(gòu)的指令集中，各種指令的使用頻率相差懸殊。（2）CISC結(jié)構(gòu)指令的復(fù)雜性帶來了計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，這不僅增加了研制時(shí)間和成本，而且還容易造成設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。（3）CISC結(jié)構(gòu)指令集的復(fù)雜性給VLSI設(shè)計(jì)增加了很大負(fù)擔(dān)，不利于單片集成。（4）CISC結(jié)構(gòu)的指令集中，許多復(fù)雜指令需要很復(fù)雜的操作，因而運(yùn)行速度慢。 (5

21、) 在CISC結(jié)構(gòu)的指令集中，由于各條指令的功能不均衡性，不利于采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)技術(shù)（如流水技術(shù)）來提高系統(tǒng)的性能。 2.7 簡(jiǎn)述RISC指令集結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則。 答（1） 選取使用頻率最高的指令，并補(bǔ)充一些最有用的指令；（2）每條指令的功能應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單，并在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成；（3）所有指令長(zhǎng)度均相同；（4）只有Load和Store操作指令才訪問存儲(chǔ)器，其它指令操作均在寄存器之間進(jìn)行； (5) 以簡(jiǎn)單有效的方式支持高級(jí)語言。 2.8 指令中表示操作數(shù)類型的方法有哪幾種？ 答：操作數(shù)類型有兩種表示方法：（1）操作數(shù)的類型由操作碼的編碼指定，這是最常見的一種方法；（2）數(shù)

22、據(jù)可以附上由硬件解釋的標(biāo)記，由這些標(biāo)記指定操作數(shù)的類型，從而選擇適當(dāng)?shù)倪\(yùn)算。 2.9 表示尋址方式的主要方法有哪些？簡(jiǎn)述這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)。 答：表示尋址方式有兩種常用的方法：（1）將尋址方式編于操作碼中，由操作碼在描述指令的同時(shí)也描述了相應(yīng)的尋址方式。這種方式譯碼快，但操作碼和尋址方式的結(jié)合不僅增加了指令的條數(shù)，導(dǎo)致了指令的多樣性，而且增加了CPU對(duì)指令譯碼的難度。（2）為每個(gè)操作數(shù)設(shè)置一個(gè)地址描述符，由該地址描述符表示相應(yīng)操作數(shù)的尋址方式。這種方式譯碼較慢，但操作碼和尋址獨(dú)立，易于指令擴(kuò)展。 2.10 通常有哪幾種指令格式，請(qǐng)簡(jiǎn)述其適用范圍。 答： (1) 變長(zhǎng)編碼格式。

23、如果系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者感興趣的是程序的目標(biāo)代碼大小，而不是性能，就可以采用變長(zhǎng)編碼格式。（2）固定長(zhǎng)度編碼格式。如果感興趣的是性能，而不是程序的目標(biāo)代碼大小，則可以選擇固定長(zhǎng)度編碼格式。 (3) 混合型編碼格式。需要兼顧降低目標(biāo)代碼長(zhǎng)度和降低譯碼復(fù)雜度時(shí)，可以采用混合型編碼格式。 2.11 根據(jù)CPU性能公式簡(jiǎn)述RISC指令集結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)和CISC指令集結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的性能特點(diǎn)。 答：CPU性能公式：CPU時(shí)間＝IC×CPI×T 其中，IC為目標(biāo)程序被執(zhí)行的指令條數(shù)，CPI為指令平均執(zhí)行周期數(shù)，T是時(shí)鐘周期的時(shí)間。 相同功能的CISC目標(biāo)程序的指令條數(shù)ICCISC 少于RISC的ICRIS

24、C，但是CISC的CPICISC和TCISC都大于RISC的CPIRISC和TRISC，因此，CISC目標(biāo)程序的執(zhí)行時(shí)間比RISC的更長(zhǎng)。 第3章 流水線技術(shù) 3.1解釋下列術(shù)語 流水線：將一個(gè)重復(fù)的時(shí)序過程，分解成為若干個(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它子過程同時(shí)執(zhí)行。 單功能流水線：指流水線的各段之間的連接固定不變、只能完成一種固定功能的流水線。 多功能流水線：指各段可以進(jìn)行不同的連接，以實(shí)現(xiàn)不同的功能的流水線。 靜態(tài)流水線：指在同一時(shí)間內(nèi)，多功能流水線中的各段只能按同一種功能的連接方式工作的流水線。當(dāng)流水線要切換到另一種功能時(shí)，必須等

25、前面的任務(wù)都流出流水線之后，才能改變連接。 動(dòng)態(tài)流水線：指在同一時(shí)間內(nèi)，多功能流水線中的各段可以按照不同的方式連接，同時(shí)執(zhí)行多種功能的流水線。它允許在某些段正在實(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。 部件級(jí)流水線：把處理機(jī)中的部件進(jìn)行分段，再把這些部件分段相互連接而成。它使得運(yùn)算操作能夠按流水方式進(jìn)行。這種流水線也稱為運(yùn)算操作流水線。 處理機(jī)級(jí)流水線：又稱指令流水線。它是把指令的執(zhí)行過程按照流水方式進(jìn)行處理，即把一條指令的執(zhí)行過程分解為若干個(gè)子過程，每個(gè)子過程在獨(dú)立的功能部件中執(zhí)行。 處理機(jī)間流水線：又稱為宏流水線。它是把多個(gè)處理機(jī)串行連接起來，對(duì)同一數(shù)據(jù)流進(jìn)行處

26、理，每個(gè)處理機(jī)完成整個(gè)任務(wù)中的一部分。前一個(gè)處理機(jī)的輸出結(jié)果存入存儲(chǔ)器中，作為后一個(gè)處理機(jī)的輸入。 線性流水線：指各段串行連接、沒有反饋回路的流水線。數(shù)據(jù)通過流水線中的各段時(shí)，每一個(gè)段最多只流過一次。 非線性流水線：指各段除了有串行的連接外，還有反饋回路的流水線。 順序流水線：流水線輸出端任務(wù)流出的順序與輸入端任務(wù)流入的順序完全相同。 亂序流水線：流水線輸出端任務(wù)流出的順序與輸入端任務(wù)流入的順序可以不同，允許后進(jìn)入流水線的任務(wù)先完成。這種流水線又稱為無序流水線、錯(cuò)序流水線、異步流水線。 吞吐率：在單位時(shí)間內(nèi)流水線所完成的任務(wù)數(shù)量或輸出結(jié)果的數(shù)量。 流水線的加

27、速比：使用順序處理方式處理一批任務(wù)所用的時(shí)間與按流水處理方式處理同一批任務(wù)所用的時(shí)間之比。 流水線的效率：即流水線設(shè)備的利用率，它是指流水線中的設(shè)備實(shí)際使用時(shí)間與整個(gè)運(yùn)行時(shí)間的比值。 數(shù)據(jù)相關(guān)：考慮兩條指令i和j，i在j的前面，如果下述條件之一成立，則稱指令j與指令i數(shù)據(jù)相關(guān)： （1）指令j使用指令i產(chǎn)生的結(jié)果； （2）指令j與指令k數(shù)據(jù)相關(guān)，而指令k又與指令i數(shù)據(jù)相關(guān)。 名相關(guān)：如果兩條指令使用了相同的名，但是它們之間并沒有數(shù)據(jù)流動(dòng)，則稱這兩條指令存在名相關(guān)。 控制相關(guān)：是指由分支指令引起的相關(guān)。它需要根據(jù)分支指令的執(zhí)行結(jié)果來確定后面該執(zhí)行哪個(gè)分支上的指令。

28、 反相關(guān)：考慮兩條指令i和j，i在j的前面，如果指令j所寫的名與指令i所讀的名相同，則稱指令i和j發(fā)生了反相關(guān)。 輸出相關(guān)：考慮兩條指令i和j，i在j的前面，如果指令j和指令i所寫的名相同，則稱指令i和j發(fā)生了輸出相關(guān)。 換名技術(shù)：名相關(guān)的兩條指令之間并沒有數(shù)據(jù)的傳送，只是使用了相同的名。可以把其中一條指令所使用的名換成別的，以此來消除名相關(guān)。 結(jié)構(gòu)沖突：因硬件資源滿足不了指令重疊執(zhí)行的要求而發(fā)生的沖突。 數(shù)據(jù)沖突：當(dāng)指令在流水線中重疊執(zhí)行時(shí)，因需要用到前面指令的執(zhí)行結(jié)果而發(fā)生的沖突。 控制沖突：流水線遇到分支指令或其它會(huì)改變PC值的指令所引起的沖突。 定

29、向：用來解決寫后讀沖突的。在發(fā)生寫后讀相關(guān)的情況下，在計(jì)算結(jié)果尚未出來之前，后面等待使用該結(jié)果的指令并不見得是馬上就要用該結(jié)果。如果能夠?qū)⒃撚?jì)算結(jié)果從其產(chǎn)生的地方直接送到其它指令需要它的地方，那么就可以避免停頓。 寫后讀沖突：考慮兩條指令i和j，且i在j之前進(jìn)入流水線，指令j用到指令i的計(jì)算結(jié)果，而且在i將結(jié)果寫入寄存器之前就去讀該寄存器，因而得到的是舊值。 讀后寫沖突：考慮兩條指令i和j，且i在j之前進(jìn)入流水線，指令j的目的寄存器和指令i的源操作數(shù)寄存器相同，而且j在i讀取該寄存器之前就先對(duì)它進(jìn)行了寫操作，導(dǎo)致i讀到的值是錯(cuò)誤的。 寫后寫沖突：考慮兩條指令i和j，且i在j之

30、前進(jìn)入流水線，，指令j和指令i的結(jié)果單元（寄存器或存儲(chǔ)器單元）相同，而且j在i寫入之前就先對(duì)該單元進(jìn)行了寫入操作，從而導(dǎo)致寫入順序錯(cuò)誤。這時(shí)在結(jié)果單元中留下的是i寫入的值，而不是j寫入的。 鏈接技術(shù)：具有先寫后讀相關(guān)的兩條指令，在不出現(xiàn)功能部件沖突和Vi沖突的情況下，可以把功能部件鏈接起來進(jìn)行流水處理，以達(dá)到加快執(zhí)行的目的。 分段開采：當(dāng)向量的長(zhǎng)度大于向量寄存器的長(zhǎng)度時(shí)，必須把長(zhǎng)向量分成長(zhǎng)度固定的段，然后循環(huán)分段處理，每一次循環(huán)只處理一個(gè)向量段。 半性能向量長(zhǎng)度：向量處理機(jī)的性能為其最大性能的一半時(shí)所需的向量長(zhǎng)度。 向量長(zhǎng)度臨界值：向量流水方式的處理速度優(yōu)于標(biāo)量串行方式

31、的處理速度時(shí)所需的向量長(zhǎng)度的最小值。 3.2 指令的執(zhí)行可采用順序執(zhí)行、重疊執(zhí)行和流水線三種方式，它們的主要區(qū)別是什么？各有何優(yōu)缺點(diǎn)。 答：（1）指令的順序執(zhí)行是指指令與指令之間順序串行。即上一條指令全部執(zhí)行完后，才能開始執(zhí)行下一條指令。 優(yōu)點(diǎn)：控制簡(jiǎn)單，節(jié)省設(shè)備。缺點(diǎn)：執(zhí)行指令的速度慢，功能部件的利用率低。 （2）指令的重疊指令是在相鄰的指令之間，讓第k條指令與取第k+l條指令同時(shí)進(jìn)行。重疊執(zhí)行不能加快單條指令的執(zhí)行速度，但在硬件增加不多的情況下，可以加快相鄰兩條指令以及整段程序的執(zhí)行速度。與順序方式相比，功能部件的利用率提高了，控制變復(fù)雜了。 （3）指令的流水執(zhí)行是把一個(gè)指令

32、的執(zhí)行過程分解為若干個(gè)子過程，每個(gè)子過程由專門的功能部件來實(shí)現(xiàn)。把多個(gè)處理過程在時(shí)間上錯(cuò)開，依次通過各功能段，每個(gè)子過程與其它的子過程并行進(jìn)行。依靠提高吞吐率來提高系統(tǒng)性能。流水線中各段的時(shí)間應(yīng)盡可能相等 3.3 簡(jiǎn)述先行控制的基本思想。 答：先行控制技術(shù)是把緩沖技術(shù)和預(yù)處理技術(shù)相結(jié)合。緩沖技術(shù)是在工作速度不固定的兩個(gè)功能部件之間設(shè)置緩沖器，用以平滑它們的工作。預(yù)處理技術(shù)是指預(yù)取指令、對(duì)指令進(jìn)行加工以及預(yù)取操作數(shù)等。 采用先行控制方式的處理機(jī)內(nèi)部設(shè)置多個(gè)緩沖站，用于平滑主存、指令分析部件、運(yùn)算器三者之間的工作。這樣不僅使它們都能獨(dú)立地工作，充分忙碌而不用相互等待，而且使指令分析部件和

33、運(yùn)算器分別能快速地取得指令和操作數(shù)，大幅度地提高指令的執(zhí)行速度和部件的效率。這些緩沖站都按先進(jìn)先出的方式工作，而且都是由一組若干個(gè)能快速訪問的存儲(chǔ)單元和相關(guān)的控制邏輯組成。 采用先行控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多條指令的重疊解釋執(zhí)行。 3.4 設(shè)一條指令的執(zhí)行過程分成取指令、分析指令和執(zhí)行指令三個(gè)階段，每個(gè)階段所需的時(shí)間分別為△t、△t和2△t 。分別求出下列各種情況下，連續(xù)執(zhí)行N條指令所需的時(shí)間。 （1）順序執(zhí)行方式； （2）只有“取指令”與“執(zhí)行指令”重疊； （3）“取指令”、“分析指令”與“執(zhí)行指令”重疊。 解：（1）每條指令的執(zhí)行時(shí)間為：△t＋△t＋2△t＝4△t 連續(xù)執(zhí)行N條

34、指令所需的時(shí)間為：4N△t （2）連續(xù)執(zhí)行N條指令所需的時(shí)間為：4△t＋3（N-1）△t＝（3N＋1）△t （3）連續(xù)執(zhí)行N條指令所需的時(shí)間為：4△t＋2（N-1）△t＝（2N＋2）△t 3.5 簡(jiǎn)述流水線技術(shù)的特點(diǎn)。 答：流水技術(shù)有以下特點(diǎn)： （1） 流水線把一個(gè)處理過程分解為若干個(gè)子過程，每個(gè)子過程由一個(gè)專門的功能部件來實(shí)現(xiàn)。因此，流水線實(shí)際上是把一個(gè)大的處理功能部件分解為多個(gè)獨(dú)立的功能部件，并依靠它們的并行工作來提高吞吐率。 （2） 流水線中各段的時(shí)間應(yīng)盡可能相等，否則將引起流水線堵塞和斷流。 （3） 流水線每一個(gè)功能部件的前面都要有一個(gè)緩沖寄存器，稱為流水寄存器。

35、（4） 流水技術(shù)適合于大量重復(fù)的時(shí)序過程，只有在輸入端不斷地提供任務(wù)，才能充分發(fā)揮流水線的效率。 （5） 流水線需要有通過時(shí)間和排空時(shí)間。在這兩個(gè)時(shí)間段中，流水線都不是滿負(fù)荷工作。 3.6 解決流水線瓶頸問題有哪兩種常用方法？ 答：細(xì)分瓶頸段與重復(fù)設(shè)置瓶頸段 3.7 減少流水線分支延遲的靜態(tài)方法有哪些？ 答：（1）預(yù)測(cè)分支失敗：沿失敗的分支繼續(xù)處理指令，就好象什么都沒發(fā)生似的。當(dāng)確定分支是失敗時(shí)，說明預(yù)測(cè)正確，流水線正常流動(dòng)；當(dāng)確定分支是成功時(shí)，流水線就把在分支指令之后取出的指令轉(zhuǎn)化為空操作，并按分支目標(biāo)地址重新取指令執(zhí)行。 （2）預(yù)測(cè)分支成功：當(dāng)流水線ID段檢測(cè)到分支指

36、令后，一旦計(jì)算出了分支目標(biāo)地址，就開始從該目標(biāo)地址取指令執(zhí)行。 （3）延遲分支：主要思想是從邏輯上“延長(zhǎng)”分支指令的執(zhí)行時(shí)間。把延遲分支看成是由原來的分支指令和若干個(gè)延遲槽構(gòu)成。不管分支是否成功，都要按順序執(zhí)行延遲槽中的指令。 3種方法的共同特點(diǎn)：它們對(duì)分支的處理方法在程序的執(zhí)行過程中始終是不變的。它們要么總是預(yù)測(cè)分支成功，要么總是預(yù)測(cè)分支失敗。 3.8 簡(jiǎn)述延遲分支方法中的三種調(diào)度策略的優(yōu)缺點(diǎn)。 調(diào)度策略 對(duì)調(diào)度的要求 對(duì)流水線性能改善的影響 從前調(diào)度 分支必須不依賴于被調(diào)度的指令 總是可以有效提高流水線性能 從目標(biāo)處調(diào)度 如果分支轉(zhuǎn)移失敗，必須保證被調(diào)度的指令對(duì)程

37、序的執(zhí)行沒有影響，可能需要復(fù)制被調(diào)度指令 分支轉(zhuǎn)移成功時(shí)，可以提高流水線性能。但由于復(fù)制指令，可能加大程序空間 從失敗處調(diào)度 如果分支轉(zhuǎn)移成功，必須保證被調(diào)度的指令對(duì)程序的執(zhí)行沒有影響 分支轉(zhuǎn)移失敗時(shí)，可以提高流水線性能 3.9列舉出下面循環(huán)中的所有相關(guān)，包括輸出相關(guān)、反相關(guān)、真相關(guān)。 for (i=2; i<100; i=i+1) a[i]=b[i]+a[i] ;/* s1 */ c[i+1]=a[i]+d[i] ; /* s2 */ a[i-1]=2*b[i] ; /* s3 */ b[i+1]=2*b[i] ;/* s4 */ 解

38、：展開循環(huán)兩次： a[i] = b[i] + a[i] ; /* s1 */ c[i+1] = a[i] + d[i] ; /* s2 */ a[i-1] = 2 * b[i] ; /* s3 */ b[i+1] = 2 * b[i] ; /* s4 */ a[i+1] = b[i+1] + a[i+1] ; /* s1’ */ c[i+2] = a[i+1] + d[i+1] ; /* s2 ‘*/ a[i] = 2 * b[i+1] ; /* s3 ‘*/ b[i+2] = 2 * b[i+1] ; /* s4 ‘*/ 輸出相關(guān)：無 反相關(guān)：無 真相關(guān)：S1&S2

39、 由于循環(huán)引入的相關(guān)：S4&S4’（真相關(guān)）、S1’&S4（真相關(guān)）、S3’&S4（真相關(guān)）、S1&S3’（輸出相關(guān)、反相關(guān)）、S2&S3’（反相關(guān)）。 3.10 簡(jiǎn)述三種向量處理方式，它們對(duì)向量處理機(jī)的結(jié)構(gòu)要求有何不同？ 答 (1)橫向處理方式：若向量長(zhǎng)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)縱向處理方式：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

40、線。 (3)縱橫處理方式：把長(zhǎng)度為N的向量分為若干組，每組長(zhǎng)度為n，組內(nèi)按縱向方式處理，依次處理各組，組數(shù)為「N/n」，適合流水處理?？稍O(shè)長(zhǎng)度為n的向量寄存器，使每組向量運(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。 3.11 可采用哪些方法來提高向量處理機(jī)的性能？ 答：可采用多種方法： （1） 設(shè)置多個(gè)功能部件，使它們并行工作； （2） 采用鏈接技術(shù)，加快一串向量指令的執(zhí)行； （3） 采用循環(huán)開采技術(shù)，加快循環(huán)的處理； （4） 采用多處理機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)一步提高性能。 3.12 有一指令流水線如下所示 （1） 求

41、連續(xù)輸入10條指令，該流水線的實(shí)際吞吐率和效率； （2） 該流水線的“瓶頸”在哪一段？請(qǐng)采取兩種不同的措施消除此“瓶頸”。對(duì)于你所給出的兩種新的流水線，連續(xù)輸入10條指令時(shí)，其實(shí)際吞吐率和效率各是多少？ 解：（1） （2）瓶頸在3、4段。 n 變成八級(jí)流水線（細(xì)分） n 重復(fù)設(shè)置部件 1 2 3-1 3-2 4-1 4-2 4-3 4-4 3.13有一個(gè)流水線由4段組成，其中每當(dāng)流經(jīng)第3段時(shí)，總要在該段循環(huán)一次，然后才能流到第4段。如果每段經(jīng)過一次所需要的時(shí)間都是，問： （1） 當(dāng)在流水線的輸入端連續(xù)地每時(shí)間

42、輸入任務(wù)時(shí)，該流水線會(huì)發(fā)生什么情況？ （2） 此流水線的最大吞吐率為多少？如果每輸入一個(gè)任務(wù)，連續(xù)處理10個(gè)任務(wù)時(shí)的實(shí)際吞吐率和效率是多少？ （3） 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。 第1個(gè)任務(wù) S1 S2 S3 S3 S4 第2個(gè)任務(wù) S1 S2 stall S3 S3 S4 第3個(gè)任務(wù) S1 stall S2 stall S3 S3 S4 第4個(gè)任務(wù) S1 stall S2

43、 stall S3 S3 S4 （2） （3）重復(fù)設(shè)置部件 吞吐率提高倍數(shù)＝＝1.64 3.14 有一條靜態(tài)多功能流水線由5段組成，加法用1、3、4、5段，乘法用1、2、5段，第3段的時(shí)間為2△t，其余各段的時(shí)間均為△t，而且流水線的輸出可以直接返回輸入端或 暫存于相應(yīng)的流水寄存器中。現(xiàn)要在該流水線上計(jì)算 ，畫出其時(shí)空?qǐng)D，并計(jì)算其吞吐率、加速比和效率。 解：首先，應(yīng)選擇適合于流水線工作的算法。對(duì)于本題，應(yīng)先計(jì)算A1＋B1、A2＋B2、A3＋B3和A4＋B4；再計(jì)算(A1＋B1) ×(A2＋B2)和(A3＋B

44、3) ×(A4＋B4)；然后求總的結(jié)果。 其次，畫出完成該計(jì)算的時(shí)空?qǐng)D，如圖所示，圖中陰影部分表示該段在工作。 由圖可見，它在18個(gè)△t時(shí)間中，給出了7個(gè)結(jié)果。所以吞吐率為： 如果不用流水線，由于一次求積需3△t，一次求和需5△t，則產(chǎn)生上述7個(gè)結(jié)果共需（4×5+3×3）△t =29△t。所以加速比為： 該流水線的效率可由陰

45、影區(qū)的面積和5個(gè)段總時(shí)空區(qū)的面積的比值求得： 3.15 動(dòng)態(tài)多功能流水線由6個(gè)功能段組成，如下圖： 其中，S1、S4、S5、S6組成乘法流水線，S1、S2、S3、S6組成加法流水線，各個(gè)功能段時(shí)間均為50ns，假設(shè)該流水線的輸出結(jié)果可以直接返回輸入端，而且設(shè)置有足夠的緩沖寄存器，若以最快的方式用該流水計(jì)算： （1） 畫出時(shí)空?qǐng)D； （2） 計(jì)算實(shí)際的吞吐率、加速比和效率。 解：機(jī)器一共要做10次乘法，4次加法。 3.1

46、6 在MIPS流水線上運(yùn)行如下代碼序列： LOOP： LW R1，0（R2） DADDIU R1，R1，#1 SW R1， 0（R2） DADDIU R2，R2，#4 DSUB R4，R3，R2 BNEZ R4，LOOP 其中：R3的初值是R2+396。假設(shè)：在整個(gè)代碼序列的運(yùn)行過程中，所有的存儲(chǔ)器訪問都是命中的，并且在一個(gè)時(shí)鐘周期中對(duì)同一個(gè)寄存器的讀操

47、作和寫操作可以通過寄存器文件“定向”。問： （1） 在沒有任何其它定向（或旁路）硬件的支持下，請(qǐng)畫出該指令序列執(zhí)行的流水線時(shí)空?qǐng)D。假設(shè)采用排空流水線的策略處理分支指令，且所有的存儲(chǔ)器訪問都命中Cache，那么執(zhí)行上述循環(huán)需要多少個(gè)時(shí)鐘周期？ （2） 假設(shè)該流水線有正常的定向路徑，請(qǐng)畫出該指令序列執(zhí)行的流水線時(shí)空?qǐng)D。假設(shè)采用預(yù)測(cè)分支失敗的策略處理分支指令，且所有的存儲(chǔ)器訪問都命中Cache，那么執(zhí)行上述循環(huán)需要多少個(gè)時(shí)鐘周期？ （3） 假設(shè)該流水線有正常的定向路徑和一個(gè)單周期延遲分支，請(qǐng)對(duì)該循環(huán)中的指令進(jìn)行調(diào)度，你可以重新組織指令的順序，也可以修改指令的操作數(shù)，但是注意不能增加指令的條數(shù)。

48、請(qǐng)畫出該指令序列執(zhí)行的流水線時(shí)空?qǐng)D，并計(jì)算執(zhí)行上述循環(huán)所需要的時(shí)鐘周期數(shù)。 解： 寄存器讀寫可以定向，無其他旁路硬件支持。排空流水線。 第i次迭代（i＝0..98）開始周期：1＋（i×17） 總的時(shí)鐘周期數(shù)：（98×17）＋18＝1684 有正常定向路徑，預(yù)測(cè)分支失敗。 第i次迭代（i＝0..98）開始周期：1＋（i×10） 總的時(shí)鐘周期數(shù)：（98×10）＋11＝991 有正常定向路徑。單周期延遲分支。 LOOP: LW R1，0(R2) DADDIU R2，R2，#4 DADDIU R1，R1，#1 DSUB R4，R3，R2 B

49、NEZ R4，LOOP SW R1，-4(R2) 第i次迭代（i ＝0..98）開始周期：1＋（i ×6 ） 總的時(shí)鐘周期數(shù)：（98×6）＋10＝598 3.17 假設(shè)各種分支指令數(shù)占所有指令數(shù)的百分比如下： 條件分支 20%（其中的60%是分支成功的） 跳轉(zhuǎn)和調(diào)用 5% 現(xiàn)有一條段數(shù)為4的流水線，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)才能夠被解析出來。第一個(gè)流水段是完全獨(dú)立于指令類型的，即所有類型的指令都必須經(jīng)過第一個(gè)流水段的處理。請(qǐng)問在沒有任何控制相關(guān)的情況下，該流水線相對(duì)于存在上述控制相關(guān)情況下的

50、加速比是多少？ 解：沒有控制相關(guān)時(shí)流水線的平均CPI＝1 存在控制相關(guān)時(shí)：由于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3個(gè)時(shí)鐘周期結(jié)束時(shí)才能被解析出來。所以： （1）若使用排空流水線的策略，則對(duì)于條件分支，有兩個(gè)額外的stall，對(duì)無條件分支，有一個(gè)額外的stall： CPI = 1+20%*2+5%*1 = 1.45 加速比S=CPI/1 = 1.45 （2） 若使用預(yù)測(cè)分支成功策略，則對(duì)于不成功的條件分支，有兩個(gè)額外的stall，對(duì)無條件分支和成功的條件分支，有一個(gè)額外的stall 1： CPI = 1+20%*(60%*1+40%*2) +5%*

51、1 = 1.33 加速比S=CPI/1 = 1.33 （3）若使用預(yù)測(cè)分支失敗策略，則對(duì)于成功的條件分支，有兩個(gè)額外的stall；對(duì)無條件分支，有一個(gè)額外的stall；對(duì)不成功的條件分支，其目標(biāo)地址已經(jīng)由PC 值給出，不必等待，所以無延遲： CPI = 1+20%*(60%*2 + 40%*0) +5%*1 = 1.29 加速比S=CPI/1 = 1.29 3.18 在CRAY-1機(jī)器上，按照鏈接方式執(zhí)行下述4條向量指令（括號(hào)中給出了相應(yīng)功能部件的執(zhí)行時(shí)間），如果向量寄存器和功能部件之間的數(shù)據(jù)傳送需要1拍，試求此鏈接流水線的通過時(shí)間是多少拍？如果向量長(zhǎng)度為64，則需多少拍才能

52、得到全部結(jié)果？ V0←存儲(chǔ)器 （從存儲(chǔ)器中取數(shù)：7拍） V2←V0+V1 （向量加：3拍） V3←V2

53、向量寄存器，其中V0~V5中分別放有向量A、B、C、D、E、F，向量長(zhǎng)度均為8，向量各元素均為浮點(diǎn)數(shù)；處理部件采用兩條單功能流水線，加法功能部件時(shí)間為2拍，乘法功能部件時(shí)間為3拍。采用類似于CARY-1的鏈接技術(shù)，先計(jì)算（A+B）*C，在流水線不停流的情況下，接著計(jì)算（D+E）*F。 （1） 求此鏈接流水線的通過時(shí)間？（設(shè)寄存器入、出各需1拍） （2） 假如每拍時(shí)間為50ns，完成這些計(jì)算并把結(jié)果存進(jìn)相應(yīng)寄存器，此處理部件的實(shí)際吞吐率為多少M(fèi)FLOPS？ 解：（1）我們?cè)谶@里假設(shè)A＋B的中間結(jié)果放在V6中，（A＋B）×C地最后結(jié)果放在V7中，D＋E地中間結(jié)果放在V8中，（D＋E）×F的最

54、后結(jié)果放在V9中。具體實(shí)現(xiàn)參考下圖： 通過時(shí)間應(yīng)該為前者（（A＋B）×C）通過的時(shí)間： T通過= (1+2+1)+(1+3+1) =9（拍） （2）在做完（A＋B）×C之后，作（C＋D）×E就不需要通過時(shí)間了。 V6←A＋B V7←V6×C V8←D＋E V9←V8×F 第4章 指令級(jí)并行 4.1解釋下列術(shù)語 指令級(jí)并行：簡(jiǎn)稱ILP。是指指令之間存在的一種并行性，利用它，計(jì)算機(jī)可以并行執(zhí)行兩條或兩條以上的指令。 指令調(diào)度：通過在編譯

55、時(shí)讓編譯器重新組織指令順序或通過硬件在執(zhí)行時(shí)調(diào)整指令順序來消除沖突。 指令的動(dòng)態(tài)調(diào)度：是指在保持?jǐn)?shù)據(jù)流和異常行為的情況下，通過硬件對(duì)指令執(zhí)行順序進(jìn)行重新安排，以提高流水線的利用率且減少停頓現(xiàn)象。是由硬件在程序?qū)嶋H運(yùn)行時(shí)實(shí)施的。 指令的靜態(tài)調(diào)度：是指依靠編譯器對(duì)代碼進(jìn)行靜態(tài)調(diào)度，以減少相關(guān)和沖突。它不是在程序執(zhí)行的過程中、而是在編譯期間進(jìn)行代碼調(diào)度和優(yōu)化的。 保留站：在采用Tomasulo算法的MIPS處理器浮點(diǎn)部件中，在運(yùn)算部件的入口設(shè)置的用來保存一條已經(jīng)流出并等待到本功能部件執(zhí)行的指令（相關(guān)信息）。 CDB：公共數(shù)據(jù)總線。 動(dòng)態(tài)分支預(yù)測(cè)技術(shù)：是用硬件動(dòng)態(tài)地進(jìn)行分

56、支處理的方法。在程序運(yùn)行時(shí)，根據(jù)分支指令過去的表現(xiàn)來預(yù)測(cè)其將來的行為。如果分支行為發(fā)生了變化，預(yù)測(cè)結(jié)果也跟著改變。 BHT：分支歷史表。用來記錄相關(guān)分支指令最近一次或幾次的執(zhí)行情況是成功還是失敗，并據(jù)此進(jìn)行預(yù)測(cè)。 分支目標(biāo)緩沖：是一種動(dòng)態(tài)分支預(yù)測(cè)技術(shù)。將執(zhí)行過的成功分支指令的地址以及預(yù)測(cè)的分支目標(biāo)地址記錄在一張硬件表中。在每次取指令的同時(shí)，用該指令的地址與表中所有項(xiàng)目的相應(yīng)字段進(jìn)行比較，以便盡早知道分支是否成功，盡早知道分支目標(biāo)地址，達(dá)到減少分支開銷的目的。 前瞻執(zhí)行：解決控制相關(guān)的方法，它對(duì)分支指令的結(jié)果進(jìn)行猜測(cè)，然后按這個(gè)猜測(cè)結(jié)果繼續(xù)取指、流出和執(zhí)行后續(xù)的指令。只是指令執(zhí)

57、行的結(jié)果不是寫回到寄存器或存儲(chǔ)器，而是放到一個(gè)稱為ROB的緩沖器中。等到相應(yīng)的指令得到“確認(rèn)”（即確實(shí)是應(yīng)該執(zhí)行的）后，才將結(jié)果寫入寄存器或存儲(chǔ)器。 ROB：ReOrder Buffer。前瞻執(zhí)行緩沖器。 超標(biāo)量：一種多指令流出技術(shù)。它在每個(gè)時(shí)鐘周期流出的指令條數(shù)不固定，依代碼的具體情況而定，但有個(gè)上限。 超流水：在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)分時(shí)流出多條指令。 超長(zhǎng)指令字：一種多指令流出技術(shù)。VLIW處理機(jī)在每個(gè)時(shí)鐘周期流出的指令條數(shù)是固定的，這些指令構(gòu)成一條長(zhǎng)指令或者一個(gè)指令包，在這個(gè)指令包中，指令之間的并行性是通過指令顯式地表示出來的。 循環(huán)展開：是一種增加指令間并行性最

58、簡(jiǎn)單和最常用的方法。它將循環(huán)展開若干遍后，通過重命名和指令調(diào)度來開發(fā)更多的并行性。 4.2 簡(jiǎn)述Tomasulo算法的基本思想。 答：核心思想是：① 記錄和檢測(cè)指令相關(guān)，操作數(shù)一旦就緒就立即執(zhí)行，把發(fā)生RAW沖突的可能性減小到最少；② 通過寄存器換名來消除WAR沖突和WAW沖突。寄存器換名是通過保留站來實(shí)現(xiàn)，它保存等待流出和正在流出指令所需要的操作數(shù)。 基本思想：只要操作數(shù)有效，就將其取到保留站，避免指令流出時(shí)才到寄存器中取數(shù)據(jù)，這就使得即將執(zhí)行的指令從相應(yīng)的保留站中取得操作數(shù)，而不是從寄存器中。指令的執(zhí)行結(jié)果也是直接送到等待數(shù)據(jù)的其它保留站中去。因而，對(duì)于連續(xù)的寄存器寫，只有最后一

59、個(gè)才真正更新寄存器中的內(nèi)容。一條指令流出時(shí)，存放操作數(shù)的寄存器名被換成為對(duì)應(yīng)于該寄存器保留站的名稱（編號(hào)）。 4.3 根據(jù)需要展開下面的循環(huán)并進(jìn)行指令調(diào)度，直到?jīng)]有任何延遲。指令的延遲如表4.4。 LOOP: L.D F0,0(R1) MUL.D F0,F0,F2 L.D F4,0(R2) ADD.D F0,F0,F4 S.D F0,0(R2) DSUBI R1,R1,#8 DSUBI R2,R2,#8 BNEZ R1,LOOP 解：將循環(huán)展開兩次，進(jìn)行指令調(diào)度，即可以消除延遲，代碼如下： LOOP： L.D F0，0（R1） L.D F10，-8

60、（R1） MUL.D F0，F(xiàn)0，F(xiàn)2 MUL.D F10，F(xiàn)10，F(xiàn)2 L.D F4，0（R2） L.D F14，-8（R2） ADD.D F0，F(xiàn)0，F(xiàn)4 ADD.D F10，F(xiàn)10，F(xiàn)14 DSUBI R1，R1，16 S.D 0（R2），F(xiàn)0 DSUBI R2，R2，16 BNEZ R1，LOOP S.D 8（R2），F(xiàn)10 4.4 假設(shè)有一條長(zhǎng)流水線，僅僅對(duì)條件轉(zhuǎn)移指令使用分支目標(biāo)緩沖。假設(shè)分支預(yù)測(cè)錯(cuò)誤的開銷為4個(gè)時(shí)鐘周期，緩沖不命中的開銷為3個(gè)時(shí)鐘周期。假設(shè)：命中率為90%，預(yù)測(cè)精度為90%，分支頻率為15%，沒有分支的基本CPI為1。

61、 （1） 求程序執(zhí)行的CPI。 （2） 相對(duì)于采用固定的2個(gè)時(shí)鐘周期延遲的分支處理，哪種方法程序執(zhí)行速度更快？ 解：（1）程序執(zhí)行的CPI = 沒有分支的基本CPI（1） + 分支帶來的額外開銷 分支帶來的額外開銷是指在分支指令中，緩沖命中但預(yù)測(cè)錯(cuò)誤帶來的開銷與緩沖沒有命中帶來的開銷之和。 分支帶來的額外開銷= 15% * (90%命中×10%預(yù)測(cè)錯(cuò)誤×4 + 10％沒命中×3)= 0.099 所以，程序執(zhí)行的CPI ＝ 1 ＋ 0.099 = 1.099 （2）采用固定的2 個(gè)時(shí)鐘周期延遲的分支處理CPI = 1 + 15%×2 = 1.3 由（1）（2）可知分支目標(biāo)緩沖方法

62、執(zhí)行速度快。 4.5 假設(shè)分支目標(biāo)緩沖的命中率為90%，程序中無條件轉(zhuǎn)移指令的比例為5%，沒有無條件轉(zhuǎn)移指令的程序CPI值為1。假設(shè)分支目標(biāo)緩沖中包含分支目標(biāo)指令，允許無條件轉(zhuǎn)移指令進(jìn)入分支目標(biāo)緩沖，則程序的CPI值為多少？ 解：設(shè)每條無條件轉(zhuǎn)移指令的延遲為x，則有： 1＋5%×x＝1.1 x＝2 當(dāng)分支目標(biāo)緩沖命中時(shí)，無條件轉(zhuǎn)移指令的延遲為0。 所以 程序的CPI ＝ 1 ＋ 2 × 5% ×(1 －90%) ＝1.01 4.6 下面的一段MIPS匯編程序是計(jì)算高斯消去法中的關(guān)鍵一步，用于完成下面公式的計(jì)算： Y = a ′ X + Y 其浮點(diǎn)指令延遲如表4.3所

63、示，整數(shù)指令均為1個(gè)時(shí)鐘周期完成，浮點(diǎn)和整數(shù)部件均采用流水。整數(shù)操作之間以及與其它所有浮點(diǎn)操作之間的延遲為0，轉(zhuǎn)移指令的延遲為0。X中的最后一個(gè)元素存放在存儲(chǔ)器中的地址為DONE。 FOO: L.D F2,0(R1) MUT.D F4,F2,F0 L.D F6,0(R2) ADD.D F6,F4,F6 S.D F6,0[R2] DADDIU R1,R1,#8 DADDIU R2,R2,#8 DSUBIU R3,R1,#DONE BNEZ R3, FOO (1) 對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的MIPS單流水線，上述循環(huán)計(jì)算一個(gè)Y值需要多少時(shí)間？其中有

64、多少空轉(zhuǎn)周期？ (2) 對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的MIPS單流水線，將上述循環(huán)順序展開4次，不進(jìn)行任何指令調(diào)度，計(jì)算一個(gè)Y值平均需要多少時(shí)間？加速比是多少？其加速是如何獲得的？ (3) 對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的MIPS單流水線，將上述循環(huán)順序展開4次，優(yōu)化和調(diào)度指令，使循環(huán)處理時(shí)間達(dá)到最優(yōu)，計(jì)算一個(gè)Y值平均需要多少時(shí)間？加速比是多少？ (1) 對(duì)于采用如圖4.8前瞻執(zhí)行機(jī)制的MIPS處理器（只有一個(gè)整數(shù)部件）。當(dāng)循環(huán)第二次執(zhí)行到 BNEZ R3,FOO 時(shí)，寫出前面所有指令的狀態(tài)，包括指令使用的保留站、指令起始節(jié)拍、執(zhí)行節(jié)拍和寫結(jié)果節(jié)拍，并寫出處理器當(dāng)前的狀態(tài)。 (2) 對(duì)于2路超標(biāo)量的MIPS流水線，設(shè)有兩個(gè)

65、指令流出部件，可以流出任意組合的指令，系統(tǒng)中的功能部件數(shù)量不受限制。將上述循環(huán)展開4次，優(yōu)化和調(diào)度指令，使循環(huán)處理時(shí)間達(dá)到最優(yōu)。計(jì)算一個(gè)Y值平均需要多少時(shí)間？加速比是多少？ (3) 對(duì)于如圖4.13結(jié)構(gòu)的超長(zhǎng)指令字MIPS處理器，將上述循環(huán)展開4次，優(yōu)化和調(diào)度指令，使循環(huán)處理時(shí)間達(dá)到最優(yōu)。計(jì)算一個(gè)Y值平均需要多少時(shí)間？加速比是多少？ 解：（1） L.D F2, 0(R1) 1 Stall MUT.D F4, F2, F0 2 L.D F6, 0(R2) 3 Stall Stall ADD.D

66、 F6, F4, F6 4 Stall Stall S.D F6, 0[R2] 5 DADDIU R1, R1, #8 6 DADDIU R2, R2, #8 7 DSUBIU R3, R1, #DONE 8 BNEZ R3, FOO 9 所以，共有14 個(gè)時(shí)鐘周期，其中有5 個(gè)空轉(zhuǎn)周期。 （2）循環(huán)順序展開4 次，不進(jìn)行任何指令調(diào)度，則指令1～5 及其間的stall 都是必要的，只是指令6～9 只需執(zhí)行一次，因此，共有 10 × 4 ＋ 4 ＝ 44 個(gè)時(shí)鐘周期，計(jì)算出4 個(gè)Y 值，所以計(jì)算一個(gè)Y 值需要11 個(gè)時(shí)鐘周期，加速比為：14/11 = 1.27 。加速主要是來自減少控制開銷，即減少對(duì)R1、R2 的整數(shù)操作以及比較、分支指令而來的。 （3）循環(huán)順序展開4 次，優(yōu)化和調(diào)度指令，如下： L.D F2, 0(R1) L.D F8, 8(R1) L.D F14, 16(R1) L.D F20, 24(R1) MUT.D F4, F2, F0 MUT.D F10, F8,