计算机体系结构第二章练习题参考解答

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1、第二章2.13在一台单流水线多操作部件的处理机上执行下面的程序，每条指令的取指令、指令译码需要一个时钟周期，MOVE、ADD和MUL操作分别需要2个、3个和4个时钟周期，每个操作都在第一个时钟周期从通用寄存器中读操作数，在最后一个时钟周期把运算结果写到通用寄存器中。k：MOVER1，R0；R1←(R0)k+1：MULR0，R2，R1；R0←(R2)×(R1)k+2：ADDR0，R2，R3；R0←(R2)+(R3)(1)就程序本身而言，可能有哪几种数据相关?(2)在程序实际执行过程中，哪几种数据相关会引起流水线停顿?(3)画出指令执行过程的流水线时空图，并计算完成这3条指令共需要多少个时钟周

2、期？解：（1）就程序本身而言，可能有三种数据相关。若3条指令顺序流动，则k指令对R1寄存器的写与k+1指令对R1寄存器的读形成的“先写后读”相关。若3条指令异步流动，则k指令对R0寄存器的读与k+1指令对R0寄存器的写形成的“先读后写”相关，k+2指令对R0寄存器的写与k+1指令对R0寄存器的写形成的“写—写”相关。（2）在程序实际执行过程中，二种数据相关会引起流水线停顿。一是“先写后读”相关，k指令对R1的写在程序执行开始后的第四个时钟；k+1指令对R1的读对指令本身是第三个时钟，但k+1指令比k指令晚一个时钟进入流水线，则在程序执行开始后的第四个时钟要读R1。不能在同一时钟周期内读写同

3、一寄存器，因此k+1指令应推迟一个时钟进入流水线，产生了流水线停顿。二是“写—写”相关，k+1指令对R0的写对指令本身是第六个时钟，而要求该指令进入流水线应在程序执行开始后的第三个时钟，所以对R0的写是在程序执行开始后的第八个时钟。k+2指令对R0的写对指令本身是第五个时钟，而k+2指令比k+1指令晚一个时钟进入流水线，则在程序执行开始后的第四个时钟，所以对R0的写是在程序执行开始后的第八个时钟。不能在同一时钟周期内写写同一寄存器，因此k+2指令应推迟一个时钟进入流水线，产生了流水线停顿。另外，可分析“先读后写”相关不会产生流水线的停顿。（3）由题意可认位该指令流水线由六个功能段取指、译码

4、、取数、运一、运二和存数等组成，则程序指令执行过程的流水线时空图如下图所示。若3条指令顺序流动，共需要9个时钟周期。空间存数K存数K+1存数K+2存数运二K+1运二运一K+1运一K+2运一取数K取数K+1取数K+2取数译码K译码K+1译码K+2译码取指K取指K+1取指K+2取指时间01234567892.23有一条5个功能段的线性动态多功能流水线如图所示，其中1→2→3→5功能段组成加法流水线，1→4→5功能段组成乘法流水线，设每个功能段的延迟时间均相等为△t。用这条流水线计算F=，画出流水线时空图，并计算流水线的实际吞吐率、加速比和效率。S1S2S3S5S4XYZ解：由于该流水线为动态双

5、功能流水线，计算要求先加后乘，因此应先设置加法功能，连续计算出（a1+b1）、（a2+b2）、（a3+b3）、（a4+b4）四个加法后；再设置乘法功能，而且按[(a1+b1)×(a2+b2)]×[(a3+b3)×(a4+b4)]顺序做3个乘法。因此可画出该流水线的时空图如图所示，图中A=a1+b1，B=a2+b2，C=a3+b3，D=a4+b4。空间S5S4S3S2S11234三一二一二一二1234ABCDA·BC·D(A·B)×(C·D)t7t13a1b1a2b2a3b3a4b4ABCDA·BC·D时间12341234三三由时空图可以看出，在总共12个△t的时间内输出7个结果，所以有：T

6、P=n/Tn=7/12△t而当用串行方法完成操作时，需要四次加法和三次乘法，完成一次加法需要4△t，完成一次乘法需要3△t，完成该运算总共需要时间为：T0=4×4△t+3×3△t=25△t所以S=T0/Tn=2.08E=有效时空区面积/全部时空区面积=(4×4△t+3×3△t)/(5×12△t)=0.422.24有一条3个功能段的流水线如下图所示，每个功能段的延迟时间均为△t，但是，功能段S2的输出要返回到它自己的输入端循环执行一次。S1S2S3输入输出△t△t△t（1）如果每隔一个△t向流水线连续输入任务，这条流水线会发生什么问题？（2）求这条流水线能够正常工作的实际吞吐率、加速比和效率

7、。（3）可用什么办法来提高流水线的吞吐率，画出改进后的流水线结构。解：（1）每个任务在段S2要反馈循环一次，执行时间为2Δt，其它各段的执行时间为Δt，因此应按瓶颈段的执行时间2Δt流入任务，才不会发生冲突现象，否则会发生流水线的阻塞。（2）若连续输入n个任务，则流水线的实际吞吐率、加速比和效率分别为：TP=n/（4Δt+2（n–1）Δt）=n/2（n+1）Δt→1/2ΔtS=4nΔt/（4Δt+2（n–1）Δt）=2n