计算机组成与结构课后习题

二、问答题

1、指令执行过程采用顺序方式、一次重叠方式和流水线方式，它们的主要差别是什么？各有什么优点和缺点？

2、假设一条指令的执行过程分为"取指令"、"分析"和"执行"三段，每一段的时间分别为△t、2△t和3△t。在下各种情况下，个别写出连续执行n条指令所需要的时间表达式。
(1) 顺序执行方式。
(2) 仅"取指令"和"执行"重叠。
(3) "取指令"、"分析"和"执行"重叠。

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、指令译码各需要一个时钟周期，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 ：MOVE R1, R0 ；R1 ← （R0）
k+1：MUL R0, R2, R1 ；R0 ←（R2）×（R1）
k+2：ADD R0, 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，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。

4、用一条5个功能段的浮点加法器流水线计算F＝

。每个功能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，计算流水线的实际吞吐率、加速比和效率。

5、设有一个15000条指令的程序在一台时钟速率为25MHz的线性流水线处理机上执行。假设该指令流水线有5段，并且每个时钟周期发射一条指令。忽略由于转移指令和无序执行造成的损失。
（a）用该流水线执行这一程序，并用流过延迟与其相等的一个等效非流水线处理机执行同一程序，将两者加以比较，并计算其加速比。
（b）该流水线处理机的效率和吞吐率是多少？

6、一条线性流水线有4个功能段组成，每个功能段的延迟时间都相等，都为Δt。开始5个Δt，每间隔一个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。

7、在下列不同结构的处理机上运行8×8的矩阵乘法C=A×B，计算所需要的最短时间。只计算乘法指令和加法指令的执行时间，不计算取操作数、数据传送和程序控制等指令的执行时间。加法部件和乘法部件的延迟时间都是3个时钟周期，另外，加法指令和乘法指令还要经过一个"取指令"和"指令译码"的时钟周期，每个时钟周期为20ns，C的初始值为"0"。各操作部件的输出端有直接数据通路连接到有关操作部件的输入端，在操作部件的输出端设置有足够容量的缓冲寄存器。
（a）处理机内只有一个通用操作部件，采用顺序方式执行指令。
（b）单流水线标量处理机，有一条两个功能的静态流水线，流水线每个功能段的延迟时间均为一个时钟周期，加法操作和乘法操作各经过3个功能段。
（c）多操作部件处理机，处理机内有独立的乘法部件和加法部件，两个操作部件可以并行工作。只有一个指令流水线，操作部件不采用流水线结构。
（d）单流水线标量处理机，处理机内有两条独立的操作流水线，流水线每个功能段的延迟时间均为一个时钟周期。
（e）超标量处理机，每个时钟周期同时发射一条乘法指令和一条加法指令，处理机内有两条独立的操作流水线，流水线的每个功能段的延迟时间均为一个时钟周期。
（f）超流水线处理机，把一个时钟周期分为两个流水级，加法部件和乘法部件的延迟时间都为6个流水级，每个时钟周期能够分时发射两条指令，即每个流水级能够发射一条指令。
（g）超标量超流水线处理机，把一个时钟周期分为两个流水级，加法部件和乘法部件延迟时间都为6个流水级，每个流水级能够同时发射一条乘法指令和一条加法指令。
解释：要完成上面的矩阵乘法，我们可以计算需要完成的各种操作的数量（假定A和B都是8×8的矩阵。C语言代码如下：
int k;
　for(int i=0;i<8;i++)
　　for(int j=0;j<8;j++)
　　　{ sum=0; for(k=0;k<8;k++)
　　　　{ sum+=A[i][k]×B[k][j]
　　　　} C[i][j]=sum;
　　　}
需要完成的乘法数目为8×8×8=512次；
需要完成的加法数目为8×8×7=448次；