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(yǔ)

層次機(jī)構(gòu)：按照計(jì)算機(jī)語(yǔ)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(yǔ)

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(yǔ)言機(jī)器級(jí)，匯編語(yǔ)言機(jī)器級(jí)，高級(jí)語(yǔ)言機(jī)器級(jí)，應(yīng)用語(yǔ)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?zhuān)簩?duì)于高一級(jí)機(jī)器上的程序中的每一條語(yǔ)句或指令，都是轉(zhuǎn)去執(zhí)行低一級(jí)機(jī)器上的一段等效程序。執(zhí)行完后，再

去高一級(jí)機(jī)器取下一條語(yǔ)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(lái)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(chēng)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(wèn)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(lái)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i-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。

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(chēng)為宿主機(jī)）上實(shí)現(xiàn)另一臺(tái)計(jì)算機(jī)（稱(chēng)為虛擬機(jī)）的指令系統(tǒng)。

仿真：用一臺(tái)現(xiàn)有計(jì)算機(jī)（稱(chēng)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(chēng)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，就存在開(kāi)行性。

它包括同時(shí)性與并發(fā)性?xún)煞N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(guò)程在時(shí)間上相互錯(cuò)開(kāi)，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(guò)重兔設(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)：乂稱(chēng)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(guò)總線或高速開(kāi)關(guān)

互連，可以共享主存。

松散耦合系統(tǒng)：又稱(chēng)間接耦合系統(tǒng)，一般是通過(guò)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(pán)、

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(lèi)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(lèi)型或至少擔(dān)負(fù)同等功能的處理機(jī)組成，它們同時(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(shuō)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(lèi)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(lèi)法是按什么來(lái)分類(lèi)的？共分為哪兒類(lèi)？

答：Flynn分類(lèi)法是按照指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性進(jìn)行分類(lèi)。把計(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(shuō)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=/CXCP/X時(shí)鐘周期時(shí)間。(4)程序的局部性

原理。程序在執(zhí)行時(shí)所訪問(wèn)地址的分布不是隨機(jī)的，而是相對(duì)地簇聚。

L5分別從執(zhí)行程序的角度和處理數(shù)據(jù)的角度來(lái)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(lái)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(kāi)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(chēng)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)行處埋。這是最高一級(jí)的并行。

從執(zhí)行程序的角度來(lái)看，并行性等級(jí)從低到高可分為：

(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(guò)程級(jí)并行：并行執(zhí)行兩個(gè)或兩個(gè)以上的過(guò)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(lèi)型、執(zhí)行數(shù)量和平均時(shí)鐘周期數(shù)如下：

指令類(lèi)型指令執(zhí)行數(shù)量平均時(shí)鐘周期數(shù)

整數(shù)450001

數(shù)據(jù)傳送750002

浮點(diǎn)80004

分支15002

求該計(jì)算機(jī)的有效CPI、MIPS和程序執(zhí)行時(shí)間。

解：(1)CPI=(45000X1+75000X2+8000X4+1500X2)/129500=1.776

(2)MIPS速率="CPI=400/1.776=225.225MIPS

(3)程序執(zhí)行時(shí)間=(45000X1+75000X2+8000X4+1500X2)/400=575s

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：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(lái)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)在多個(gè)部件可改進(jìn)情況下，Amdahl定理的擴(kuò)展：

已知S]=30,Sz=20,$3=10,Sn=10,Fi=0.3,F2=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(mén),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&=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：

1.9假諛某應(yīng)用程序中有4類(lèi)操作，通過(guò)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:

程序中的數(shù)量改進(jìn)前的執(zhí)行時(shí)間改進(jìn)后的執(zhí)行時(shí)間

操作類(lèi)型

（百萬(wàn)條指令）（周期）（周期）

操作11021

操作2302015

操作335103

操作41541

（1）改進(jìn)后，各類(lèi)操作的加速比分別是多少？

（2）各類(lèi)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(lèi)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

（1-辰）+1

Se

各類(lèi)操作的指令條數(shù)在各類(lèi)操作單獨(dú)改進(jìn)后，

操作類(lèi)型各類(lèi)操作的加速比$

程序中所占的比例R程序獲得的加速比

操作111.1%21.06

操作233.3%1.331.09

操作338.9%3.331.37

操作416.7%41.14

4類(lèi)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(lèi)

2.1解釋下列術(shù)語(yǔ)

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)算機(jī)

尋址方式：指令系統(tǒng)中如何形成所要訪問(wèn)的數(shù)據(jù)的地址。?般來(lái)說(shuō)，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(lèi)？

答：區(qū)別不同指令集結(jié)構(gòu)的主要因素是CPU中用來(lái)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(jiàn)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？

指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類(lèi)型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)

指令字長(zhǎng)固定，指令結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)

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，

寄存器■寄存器型潔，是一種簡(jiǎn)單的代碼生成

指令條數(shù)多，目標(biāo)代碼不夠緊湊，因而程序占用

（0,3）模型，各種指令的執(zhí)行時(shí)鐘

的空間比較大。

周期數(shù)相近。

由于有一個(gè)操作數(shù)的內(nèi)容將被破壞，所以指令中

可以在ALU指令中直接對(duì)

的兩個(gè)操作數(shù)不對(duì)稱(chēng)。在一條指令中同時(shí)對(duì)寄存

存儲(chǔ)器操作數(shù)進(jìn)行引用，而

寄存器-存儲(chǔ)器型器操作數(shù)和存儲(chǔ)器操作數(shù)進(jìn)行編碼，有可能限制

不必先用load指令進(jìn)行加

（1,2）指令所能夠表示的寄存器個(gè)數(shù)。指令的執(zhí)行時(shí)鐘

載。容易對(duì)指令進(jìn)行編碼,

周期數(shù)因操作數(shù)的來(lái)源（寄存器或存儲(chǔ)器）不同

目標(biāo)代碼比較緊湊。

而差別比較大。

存儲(chǔ)器-存儲(chǔ)器型目標(biāo)代碼最緊湊，不需要設(shè)指令字長(zhǎng)變化很大，特別是3操作數(shù)指令。而且

指令集應(yīng)滿(mǎn)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(wèn)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(chēng)性和均勻性。對(duì)稱(chēng)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(chēng)的。

均勻性是指對(duì)于各種不同的操作數(shù)類(lèi)型、字長(zhǎng)、操作種類(lèi)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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。

2.1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(guò)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(lèi)型：主要的操作數(shù)類(lèi)型和操作數(shù)表示的選擇有：浮點(diǎn)數(shù)據(jù)類(lèi)型、整型數(shù)據(jù)類(lèi)型、字符型、十進(jìn)制數(shù)據(jù)類(lèi)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(lái)表示。（5）指

令集格式的設(shè)計(jì)：有變長(zhǎng)編碼格式、固定長(zhǎng)度編碼格式和混合型編碼格式3種。

2.2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(lái)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(lái)越多的功能交由硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且指令的數(shù)量也是越來(lái)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(lái)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)雜指令需要很更雜的操作，因而運(yùn)行速度慢。（5）

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(lái)提

高系統(tǒng)的性能。

2.3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(wèn)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(yǔ)言。

2.4指令中表示操作數(shù)類(lèi)型的方法有哪幾種？

答：操作數(shù)類(lèi)型有兩種表示方法：（1）操作數(shù)的類(lèi)型由操作碼的編碼指定，這是最常見(jiàn)的一種方法；（2）數(shù)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(lèi)型，從而選擇適當(dāng)?shù)倪\(yùn)算。

2.5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。

2.6通營(yíng)杓哪幾種指令格式，請(qǐng)簡(jiǎn)述具適用范圍。

答：（1）變長(zhǎng)編碼格式。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。

2.7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=ICXCPIXT

其中，1C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ICRISC，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(yǔ)

流水線：將一個(gè)重復(fù)的時(shí)序過(guò)程，分解成為若干個(gè)子過(guò)程，而每一個(gè)子過(guò)程都可有效地在其專(zhuān)用功能段上與其它子過(guò)

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(chēng)為運(yùn)算操作流水線。

處理機(jī)級(jí)流水線：又稱(chēng)指令流水線,它是把指令的執(zhí)行過(guò)程按照流水方式進(jìn)行處理，即把一條指令的執(zhí)行過(guò)程分解為

若干個(gè)子過(guò)程，每個(gè)子過(guò)程在獨(dú)立的功能部件中執(zhí)行。

處理機(jī)間流水線：又稱(chēng)為宏流水線。它是把多個(gè)處理機(jī)串行連接起來(lái)，對(duì)同一數(shù)據(jù)流進(jìn)行處理，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(méi)有反饋回路的流水線。數(shù)據(jù)通過(guò)流水線中的各段時(shí)，每一個(gè)段最多只流過(guò)一次。

非線性流水線：指各段除了有串行的連接外，還有反饋I口I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(chēng)為無(wú)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，和j,i在/的前面，如果下述條件之一成立，則稱(chēng)指令j與指令i數(shù)據(jù)相關(guān)：

(I)指令)使用指令i產(chǎn)生的結(jié)果；

(2)指令/與指令女?dāng)?shù)據(jù)相關(guān)，而指令女又與指令i數(shù)據(jù)相關(guān)。

名相關(guān)：如果兩條指令使用r相同的名，但是它們之間并沒(méi)有數(shù)據(jù)流動(dòng)，則稱(chēng)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(lái)確定后面該執(zhí)行哪個(gè)分支上的指令。

反相關(guān)：考慮兩條指令i和j,i在/的前面，如果指令,所寫(xiě)的名與指令i所讀的名相同，則稱(chēng)指令，和,發(fā)生了反相關(guān)。

輸出相關(guān)：考慮兩條指令i和i在/的前面，如果指令/和指令所寫(xiě)的名相同，則稱(chēng)指令i和/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(méi)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(lái)消除名相關(guān)。

結(jié)構(gòu)沖突：因硬件資源滿(mǎn)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。

定向：用來(lái)解決寫(xiě)后讀沖突的。在發(fā)生寫(xiě)后讀相關(guān)的情況下，在計(jì)算結(jié)果尚未出來(lái)之前，后面等待使用該結(jié)果的指令

并不見(jiàn)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(xiě)后讀沖突：考慮兩條指令i和「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(xiě)入寄存

器之前就去讀該寄存器，因而得到的是舊值。

讀后寫(xiě)沖突：考慮兩條指令i和＞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(xiě)操作，導(dǎo)致i讀到的值是錯(cuò)誤的。

寫(xiě)后寫(xiě)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(xiě)入之前就先對(duì)該單元進(jìn)行了寫(xiě)入操作，從而導(dǎo)致寫(xiě)入順序錯(cuò)誤。這時(shí)在結(jié)果單元中留下的是i寫(xiě)入的

值，而不是j寫(xiě)入的。

鏈接技術(shù)：具有先寫(xiě)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(lái)進(jìn)行

流水處理，以達(dá)到加快執(zhí)行的目的。

分段開(kāi)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見(jiàn)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(kāi)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+1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)指令的執(zhí)行過(guò)程分解為若干個(gè)子過(guò)程，每個(gè)子過(guò)程由專(zhuān)門(mén)的功能部件來(lái)實(shí)現(xiàn)。把多

個(gè)處理過(guò)程在時(shí)間上錯(cuò)開(kāi)，依次通過(guò)各功能段，每個(gè)子過(guò)程與其它的子過(guò)程并行遂行。依靠提高吞吐率來(lái)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(wèn)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(guò)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、At#2

△to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+Zii+2Z\t=4Z\t

連續(xù)執(zhí)行N條指令所需的時(shí)間為：4NAt

(2)連續(xù)執(zhí)行N條指令所需的時(shí)間為：4At+3(N-l)At=(3N+DAt

(3)連續(xù)執(zhí)行N條指令所需的時(shí)間為：4At+2(N-l)At=(2N+2)At

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(guò)程分解為若干個(gè)子過(guò)程，每個(gè)子過(guò)程由一個(gè)專(zhuān)門(mén)的功能部件來(lái)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(lái)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(chēng)為流水寄存器。

(4)流水技術(shù)適合于大量重復(fù)的時(shí)序過(guò)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(guò)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(mǎn)負(fù)荷工作。

3.6解決流水線瓶頸問(wèn)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(méi)發(fā)生似的。當(dāng)確定分支是失敗時(shí)，說(shuō)明預(yù)

測(cè)止確，流水線止常流動(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)到分支指令后，一旦計(jì)算出了分支目標(biāo)地址，就開(kāi)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(lái)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(guò)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(lài)于被調(diào)度的指令總是可以方.效提高流水線性能

如果分支轉(zhuǎn)移失敗，必須保證被調(diào)度的指令對(duì)程分支轉(zhuǎn)移成功時(shí)，可以提高流水線性能。

從目標(biāo)處調(diào)度

序的執(zhí)行沒(méi)有影響，可能需要復(fù)制被調(diào)度指令但由于復(fù)制指令，可能加大程序空間

如果分支轉(zhuǎn)移成功，必須保證被調(diào)度的指令對(duì)程分支轉(zhuǎn)移失敗時(shí)，可以提高流水線性能

從失敗處調(diào)度

序的執(zhí)行沒(méi)有影響

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)。

fbr(i=2;i<100;i=i+l)

a[i]=b[i]+a[i]^*sl*/

c[i+l]=a[i]+d[i];/*s2*/

a[i-l]=2*b[i];/*s3*/

b[i+l]=2*b[i];/*s4*/

解：展開(kāi)循環(huán)兩次：

a[ij=b[ij+a[ij;/*si*/

c[i+l]=a[i]+d[i];/*s2*/

a[i-l]=2*b[ij;/*s3*/

b[i+l]=2*b[i];/*s4*/

a[i+l]=b[i+l]+a[i4-l];/*sr*/

c[i+2]=a[i+l]+d[i+l];/*s2*?/

a[i]=2*b[i+l];/*s3**/

b[i+2]=2*b[i+l];/*s4**/

輸出相關(guān)：無(wú)

反相關(guān)：無(wú)

真相關(guān):S1&S2

由于循環(huán)引入的相關(guān)：S4&S4'（真相關(guān)）、sr&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FN/nJ,適合流水處理。可設(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(lái)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(kāi)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：⑴

（2）瓶頸在3、4段。

■變成八級(jí)流水線（細(xì)分）

■重復(fù)設(shè)置部件

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(guò)一次所需要的時(shí)間都是△，，問(wèn)：

（1）當(dāng)在流水線的輸入端連續(xù)地每加時(shí)間輸入任務(wù)時(shí)，該流水線會(huì)發(fā)生什么情況？

（2）比流水線的最大吞吐率為多少？如果每2。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)S1S2S3S3S4

第2個(gè)任務(wù)S1S2stallS3S3S4

第3個(gè)任務(wù)S1stallS2stallS3S3S4

第4個(gè)任務(wù)SIstallS2stallS3S3S4

(2)

(3)重復(fù)設(shè)置部件

吞吐率提高倍數(shù)=孕=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243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(huà)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AI+BI、A2+B2、A3+B3和A4+B4；再計(jì)算(Ai

加法

乘法

+B。XS2+B2)和(A3+B3)X(A44-B4);然后求總的結(jié)果。

其次，畫(huà)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(jiàn)，它在18個(gè)△/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3Af,一次求和需5Ah則產(chǎn)生上述7個(gè)結(jié)果共需(4x5+3x3)△t=29At.所

以加速比為：

該流水線的效率可由陰影區(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，SI、S4、S5、S6組成乘法流水線，SI、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：XxiVizi

(1)畫(huà)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。

3.16在MIPS流水線卜運(yùn)行如下代碼序列:

LOOP：LWR1,0(R2)

DADDIUR1,RI,#1

SWRI,0(R2)

DADDIUR2,R2,#4

DSUBR4,R3,R2

BNEZR4,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(guò)程中，所有的存儲(chǔ)器訪問(wèn)都是命中的，并且在一個(gè)時(shí)鐘

周期中對(duì)同一個(gè)寄存器的讀操作和寫(xiě)操作可以通過(guò)寄存器文件“定向”。問(wèn)：

(1)在沒(méi)有任何其它定向(或旁路)硬件的支持下，請(qǐng)畫(huà)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(wèn)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(huà)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(wèn)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)。請(qǐng)畫(huà)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(xiě)可以定向，無(wú)其他旁路硬件支持。排空流水線。

第i次迭代(i=0..98)開(kāi)始周期：1+(iX17)

總的時(shí)鐘周期數(shù)：(98X17)+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(kāi)始周期：1+(iXIO)

總的時(shí)鐘周期數(shù)：(98X10)+11=991

有正常定向路徑。單周期延遲分支。

LOOP:LWRI,0(R2)

DADDIUR2,R2,#4

DADDIUR1,RI,#1

DSUBR4,R3,R2

BNEZR4,LOOP

SWRI,-4(R2)

第i次迭代(i=0..98)開(kāi)始周期：1+(iX6)

總的時(shí)鐘周期數(shù)：(98X6)+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(wú)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(lái)，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(lái)。第一個(gè)流水段是完全獨(dú)立于指令類(lèi)型的，即所有類(lèi)型的指令都必須經(jīng)過(guò)第一個(gè)流水段的

處理。請(qǐng)問(wèn)在沒(méi)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)情況下的加速比是多少？

解：沒(méi)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(wú)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(lái)，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(lái)。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(wú)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(wú)條件分支和成功的條件分

支，有一個(gè)額外的stall1：

CPI=1+20%*(60%*1+40%*2)+5%*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(wú)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(wú)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/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I拍，試求此鏈接流水線的通過(guò)時(shí)間是多少拍？如果向量長(zhǎng)度為64,則

需多少拍才能得到全部結(jié)果？

Vo<—存儲(chǔ)器（從存儲(chǔ)器中取數(shù)：7拍）

V2<-V0+Vi（向量加:3拍）

V3-V2VA3（按（A3）左移：4拍）

V5^-V3AV4（向量邏輯乘：2拍）

解：通過(guò)時(shí)間就是每條向量指令的第一個(gè)操作數(shù)執(zhí)行完畢需要的時(shí)間，也就是各功能流水線由空到滿(mǎn)的時(shí)間，具體

過(guò)程如下圖所示。要得到全部結(jié)果，在流水線充滿(mǎn)之后，向量中后繼操作數(shù)繼續(xù)以流水方式執(zhí)行，直到整組向量執(zhí)

行完畢。

3.19某向量處理機(jī)有16個(gè)向量寄存器，其中Vo~Vs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(lèi)

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）*F0

（1）求此鏈接流水線的通過(guò)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）XC地最后結(jié)果放在V7中，D+E地中間結(jié)果放

在V8中，（D+E）XF的最后結(jié)果放在V9中。具體實(shí)現(xiàn)參考下圖：

通過(guò)時(shí)間應(yīng)該為前者（（A+B）XC）通過(guò)的時(shí)間：

T通過(guò)=（1+2+1）+（1+3+1）=9（拍）

（2）在做完（A+B）XC之后，作（C+D）XE就不需要通過(guò)時(shí)間了。

V6-A+B

V7-V6XC

V8-D+E

V9—V8XF

1=1通過(guò)+（8-1）+8=24（ft）=1200（ns）

32

TP=—=26.67MFLORS

T

第4章指令級(jí)并行

4.1解釋下列術(shù)語(yǔ)

指令級(jí)并行：簡(jiǎn)稱(chēng)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(guò)在編譯時(shí)讓編譯器重新組織指令順序或通過(guò)硬件在執(zhí)行時(shí)調(diào)整指令順序來(lái)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(guò)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(guò)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(lái)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)行分支處理的方法。在程序運(yùn)行時(shí)，根據(jù)分支指令過(guò)去的表現(xiàn)來(lái)預(yù)測(cè)其將來(lái)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(lái)記錄相關(guān)分支指令最遷一次或幾次的執(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(guò)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(kāi)銷(xiāo)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)行的結(jié)果不是寫(xiě)回到寄存器或存儲(chǔ)器，而是放到一個(gè)稱(chēng)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(xiě)入寄存器或存儲(chǔ)器。

ROB：ReOrderBuffer。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(guò)指令顯式地表示出來(lái)的。

循環(huán)展開(kāi)：是一種增加指令間并行性最簡(jiǎn)單和最常用的方法。它將循環(huán)展開(kāi)若干遍后，通過(guò)重命名和指令調(diào)度來(lái)開(kāi)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(guò)寄存器換名來(lái)消除WAR沖突和WAW沖突。寄存器換名是通過(guò)保留站來(lái)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(xiě)，只有最后一個(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(chēng)(編號(hào))。

4.3根據(jù)需要展開(kāi)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.DFO,O(R1)

MUL.DF0,F0,F2

L.DF4,0(R2)

ADD.DF0,F0,F4

S.DF0,0(R2)

DSUBIR1,R1,#8

DSUBIR2,R2,#8

BNEZRI,LOOP

解：將循環(huán)展開(kāi)兩次，進(jìn)行指令調(diào)度，即可以消除延遲，代碼如下：

LOOP：L.DF0,0(R1)

L.DF10,-8(RD

MUL.DF0,FO,F2

MUL.DF10,F10,F2

L.DF4,0(R2)

L.DF14,-8(R2)

ADD.DFO,FO,F4

ADD.DF10,FIO,F14

DSUBIR1,RI,16

S.DO(R2),FO

DSUBIR2,R2,16

BNEZR1,LOOP

S.D8(R2),F10

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(kāi)銷(xiāo)為4個(gè)時(shí)鐘周期，緩

沖不命中的開(kāi)銷(xiāo)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(méi)有分支的基本CPI為

lo

(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二沒(méi)有分支的基本CPI(1)+分支帶來(lái)的額外開(kāi)銷(xiāo)

分支帶來(lái)的額外開(kāi)銷(xiāo)是指在分支指令中，緩沖命中但預(yù)測(cè)錯(cuò)誤帶來(lái)的開(kāi)銷(xiāo)與緩沖沒(méi)有命中帶來(lái)的開(kāi)銷(xiāo)之和。

分支帶來(lái)的額外開(kāi)銷(xiāo)=15%*(90%命中X10%預(yù)測(cè)錯(cuò)誤X4+10%沒(méi)命中X3)=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%X2=1.3

由(1)(2)可知分支目標(biāo)緩沖方法執(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(wú)條件轉(zhuǎn)移指令的比例為5%,沒(méi)有無(wú)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(wú)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(wú)條件