4.标量处理机

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1、4.标量处理机4.1假设指令的解释分取指、分析与执行3步，每步的时间相应为t取指、t分析、t执行，（1）分别计算下列几种情况下，执行完100条指令所需要时间的一般关系式：（i）顺序方式。（ii）仅执行k与取指k+1重叠。（iii）仅执行k、分析K+1与取指k+2重叠。（2）分别在t取指=t分析=2，t执行=1和t取指=t执行=5，t分析=2时，计算出上述各结果。【参考答案】解：（1）执行完100条指令所需要的时间：（i）顺序方式：100·（t取指+t分析+t执行）（ii）仅执行k与取指k+1重叠：t取指+100t分析+99·max{t取指，t执

2、行}+t执行（iii）仅执行k、分析K+1与取指k+2重叠：t取指+max{t取指，t分析}+98·max{t取指，t分析，t执行}+max{t分析，t执行}+t执行（2）（i）当t取指=t分析=2，t执行=1时，代入上面各式，可求得100条指令执行所需的时间是：顺序方式为：100·（2+2+1）=500仅执行k与取指k+1重叠：2+100·2+99·max{2，1}+1=401仅执行k、分析K+1与取指k+2重叠：2+2+98·2+2+1=203（ii）当t取指=t执行=5，t分析=2时，代入上面各式，可求得100条指令执行所需的时间是：顺序

3、方式为：100·（5+2+5）=1200仅执行k与取指k+1重叠：5+100·2+99·5+5=705仅执行k、分析K+1与取指k+2重叠：5+5+98·5+5+5=5104.2假设指令的解释分取指、分析与执行3段，每段的时间相应为Δt、2Δt、3Δt，在下列各情况下，分别写出连续执行n条指令所需要时间的一般关系式：（1）顺序方式。（2）仅取指与执行重叠。（3）取指、分析与执行重叠。（4）先行控制方式。【参考答案】解：（1）Tk=n·6Δt（2）Tk=n·2Δt+(n-1)·3Δt+Δt+3Δt=(5n+1)Δt（3）Tk=Δt+2Δt+2Δt

4、+3Δt+(n-1)·3Δt=(3n+3)Δt（4）采用先行控制方式，只有“分析”与“执行”两段：Tk=2Δt+3Δt+(n-1)·3Δt=(3n+2)Δt4.3在一台单流水线多操作部件的处理机上执行下面的程序，取指令、指令译码各需要1个时钟周期，MOVE、ADD和MUL操作各需要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)+(R

5、3)（1）就程序本身而言，可能有哪几种数据相关？（2）在程序实际运行过程中，有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，并计算执行完这三条指令共使用了多少个时钟周期。【参考答案】解：（1）就程序本身而言，存在通用寄存器数据相关：R1(k)=R1(k+1)读写R1相关R0(k+1)=R0(k+2)写R0冲突R2(k+1)=R2(k+2)读R2冲突（2）引起流水线停顿的数据相关：R1(k)=R1(k+1)（3）由时空图可知，执行完这三条指令共使用了9个时钟周期（设执行指令3和指令2译码时对R1采用先写后读）。取指令译码M

6、OVEMULADD1231231320123456789t4.4流水线由4个功能段组成，每个功能段的延时时间都相等，为Δt。开始5个Δt，每间隔1个Δt向流水线输入一个任务，然后停顿2个Δt，如此重复。求流水线的实际吞吐率、加速比和效率。【参考答案】解：从输入端看，用7n个时钟周期输入3n个任务，1个周期排空。Tk=(7n+1)ΔtTP=3n/((7n+1)Δt)S=T0/Tk=12n/(7n+1)E=S/k=3n/(7n+1)4.5流水线由4个功能部件组成，每个功能部件的延时时间都为Δt。当输入10个数据后间歇5Δt又输入10个数据，如此周期

7、性工作。求流水线的实际吞吐率，并画出时空图。【参考答案】解：已知k=4，n=10，按题意可画出时空图可知：Tk=15时间Tk5Δt空间S41234……910S31234……910S21234……9101S11234……91012按周期性工作的流水线平均吞吐率为：TP=10/(15Δt)=2/(3Δt)4.6用一条5个功能段的浮点加法器流水线计算每个功能段的延时时间都相等，流水线的输出端与输入端之间有直接数据通路，而且设置足够的缓冲寄存器。要求用尽可能短的时间完成计算，求流水线的实际吞吐率、加速比和效率，并画出时空图。【参考答案】解：已知k=5，

8、令B1=A1+A2,B2=A3+A4,B3=A5+A6,B4=A7+A8,B5=A9+A10C1=B1+B2,C2=B3+B4D1=C1+C2E=D1