计算机组织结构 第五章重要练习题详解

考查：分支缓冲命中和分支预测

题目1：假设有一条长流水线，仅仅对条件转移指令使用分支目标缓冲。假设分支预测错误的开销为 4 个时钟周期，缓冲不命中的开销为 3 个时钟周期。
假设：命中率为 90%，预测精度为 90%，分支频率为 15%，没有分支的基本 CPI 为 1。

（1） 求程序执行的 CPI。
（2） 相对于采用固定的 2 个时钟周期延迟的分支处理，哪种方法程序执行速度更快

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解：
（1）假设总指令数量是100条，则分支指令的数量是15条
我们需要考虑，命中之后，还要预测正确才行

缓冲命中不预测准确的开销+不命中的开销

所以，额外的$CPI=0.15\ast (0.9\ast 0.1\ast 4+0.1\ast 3)=0.099$
总$CPI=1.099$

（2）额外的开销$CPI=0.15\ast 2=0.3$
更大，所以第一种更好。

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考查指令的调度思想

题目2： 对于两路超标量处理器，从存储器取数据有两拍附加延迟，其它操作均有 1 拍附加延迟，对于下列代码，请按要求进行指令调度。

（1） 假设两路功能部件中同时最多只有一路可以是访问存储器的操作，同时也最多只有 一路可以是运算操作，指令顺序不变。
（2） 假设两路功能部件均可以执行任何操作，指令顺序不变。
（3） 假设指令窗口足够大，指令可以乱序（out-of-order）流出，两路功能部件均可以执行任何操作

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解：
（1）题目要求：

• 顺序不变（也就是说我们的指令不能跳着来输出，必须按照顺序）
• 只能是一路运算器，一路是存储器。也就是说，当某一路正在进行存储或者运算操作还没结束的时候不能更换。
• 注意指令的相关冲突，比如LW R7之后才能进行ADD R9,R4,R7那条指令，所以我们不能马上在第二路进行安排

调度表如下：

（2）题目要求：

• 顺序不变
• 两路可以执行任何操作
  
  LD 后面可以直接就进行SUB指令，因为等待延迟只是为了避免发生冲突，并不是因为该路拥塞。

（3）题目要求：

• 顺序可变化
• 两路可以执行任何操作

这个时候我们先调整顺序出最优情况，再按（2）来写。首先我们先找出相关的对子：
$L{W}_1\to ADD$
$L{W}_2\to ADD$
$L{W}_1\to MU{L}_2$
$L{W}_2\to MU{L}_2$
$SUB\to S{W}_1$
$MU{L}_2\to S{W}_3$

第一路	第二路
$L{W}_1$	$L{W}_2$
$LD$	$SUB$
$MU{L}_1$	$S{W}_2$
$ADD$	$MU{L}_2$
$S{W}_1$
$S{W}_3$

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考查超标量处理机，超长字处理机，超流水线处理机

题目3： 设指令流水线由取指令、分析指令和执行指令 3 个部件构成，每个部件经过的时间为 △t，连续流入 12 条指令。分别画出标量流水处理机以及 ILP 均为 4 的超标量处理机、超长 指令字处理机、超流水处理机的时空图，并分别计算它们相对于标量流水处理机的加速比。

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解：

解：
标量流水线：

多指令流出流水线的时空图：
ILP=4
超标量处理机：

超长指令处理机：
超长指令字流水线，把四条指令合并成一条长指令，所以只有三条长指令。

超流水线处理机：

把每个块分为四分。

问加速比，就是求：改进前时间/改进后的时间

改进前的时间（标量流水线）：14$\Delta$t

超标量处理机的时间：5$\Delta$ t

超长指令字处理机的时间：5$\Delta$ t

超流水线处理机的时间：5.75$\Delta$ t

加速比分别是：2.8和2.435