计算机组织结构 第三章重要练习题详解

考查：线性流水线和时空图

题目1： 有一指令流水线如下所示

（1） 求连续输入10条指令，该流水线的实际吞吐率和效率；
（2） 该流水线的“瓶颈”在哪一段？请采取两种不同的措施消除此“瓶颈”。对于你所给出的 两种新的流水线，连续输入10条指令时，其实际吞吐率和效率各是多少？

解：
（1）线性流水线解题，先画出时空图

$TP=\frac{10}{200\ast 10+50\ast 4}=\frac{1}{220}$

$E=\frac{200\ast 10+100\ast 10+50\ast 20}{2200\ast 4}=\frac{4000}{8800}=\frac{5}{11}$

（2）瓶颈在S3和S4，
方法一：
把S3和S4分开拆为几步。

方法二：

由时空图可知，两者的实际吞吐率和效率一致的。

$TP=\frac{10}{17\ast 50}=\frac{1}{85}$

$E=\frac{1}{17}$

考查：非线性流水线和流水线调度问题

题目2： 在一个5 段流水线处理机上，各段执行时间均为Δt，需经9Δt 才能完成一个任务，其预约表如表3.8所示：

（1） 画出流水线任务调度的状态转移图。
（2） 求流水线的最优调度策略和最大吞吐率。 
（3） 按最优调度策略连续输入6 个任务，求流水线的实际吞吐率是多少。

解：
（1）我们解题的逻辑是：
预约表$\to$禁止表$\to$初始冲突标量$\to$所有冲突变量$\to$状态机

$S_1$: 8
$S_2$: 1
$S_3$: 3,4
$S_4$: 1

先写出禁止表：F={8,4,3,1}F=\{8,4,3,1\}F={8,4,3,1}

然后二进制位元化得到初始冲突变量：$C_0=10001101$
根据 $new{C}_0=sh{r}^j\vee C_0$ 计算出所有的冲突变量

第一轮：
F1={7,6,5,2}F_1=\{7,6,5,2\}F1​={7,6,5,2}

$J=2\to C_{1A}=10101111$
$J=5\to C_1=10001101=C_0$
$J=6\to C_{1B}=10001111$
$J=7\to C_1=10001101=C_0$

第二轮：
（1）$C_{1A}=10101111$

F2={7,5}F_2=\{7,5\}F2​={7,5}
$J=7\to C_2=10001101=C_0$
$J=5\to C_2=10001101=C_0$

（2）$C_{1B}=10001111$

F2={7,6,5}F_2=\{7,6,5\}F2​={7,6,5}
$J=7\to C_2=10001101=C_0$
$J=6\to C_2=10001111=C_{1B}$
$J=5\to C_2=10001101=C_0$

画出状态机：

（2）先找出所有的调度策略：（先写一个的，再写两个的，再写三个的，有条理的写）
枚举出所有的量：2，5，6，7

（5） AVG=5
（7） AVG=7
（2，5） AVG=3.5
（2，7） AVG=4.5
（6，5） AVG=5.5
（6，7） AVG=6.5
（6，6，7） AVG=9.5
（6，6，5） AVG=8.5

最小是（2，5），所以最优策略是（2，5）

因为最小的延迟是3.5
最大吞吐率 $T{P}_{max}=\frac{1}{3.5\Delta t}$

（3）
按最优调度策略画出时空图，才能计算各种性能标准：

总共需要到25个$\Delta t$，$TP=\frac{6}{25\Delta t}$（实际吞吐率就是算完成每个任务所消耗的单位时间）