1樓：匿名使用者
4.3 根據需要下面的迴圈並進行指令排程，直到沒有任何延遲。指令的延遲如表4.4。
loop: l.d f0,0(r1)
mul.d f0,f0,f2
l.d f4,0(r2)
add.d f0,f0,f4
s.d f0,0(r2)
dsubi r1,r1,#8
dsubi r2,r2,#8
bnez r1,loop
解：將迴圈兩次，進行指令排程，即可以消除延遲，**如下：
loop： l.d f0，0（r1）
l.d f10，-8（r1）
mul.d f0，f0，f2
mul.d f10，f10，f2
l.d f4，0（r2）
l.d f14，-8（r2）
add.d f0，f0，f4
add.d f10，f10，f14
dsubi r1，r1，16
s.d 0（r2），f0
dsubi r2，r2，16
bnez r1，loop
s.d 8（r2），f10
4.4 假設有一條長流水線，僅僅對條件轉移指令使用分支目標緩衝。假設分支**錯誤的開銷為4個時鐘週期，緩衝不命中的開銷為3個時鐘週期。
假設：命中率為90%，**精度為90%，分支頻率為15%，沒有分支的基本cpi為1。
（1） 求程式執行的cpi。
（2） 相對於採用固定的2個時鐘週期延遲的分支處理，哪種方法程式執行速度更快？
解：（1）程式執行的cpi = 沒有分支的基本cpi（1） + 分支帶來的額外開銷
分支帶來的額外開銷是指在分支指令中，緩衝命中但**錯誤帶來的開銷與緩衝沒有命中帶來的開銷之和。
分支帶來的額外開銷= 15% * (90%命中×10%**錯誤×4 + 10％沒命中×3)= 0.099
所以，程式執行的cpi ＝ 1 ＋ 0.099 = 1.099
（2）採用固定的2 個時鐘週期延遲的分支處理cpi = 1 + 15%×2 = 1.3
由（1）（2）可知分支目標緩衝方法執行速度快。
4.5 假設分支目標緩衝的命中率為90%，程式中無條件轉移指令的比例為5%，沒有無條件轉移指令的程式cpi值為1。假設分支目標緩衝中包含分支目標指令，允許無條件轉移指令進入分支目標緩衝，則程式的cpi值為多少？
解：設每條無條件轉移指令的延遲為x，則有：
1＋5%×x＝1.1
x＝2當分支目標緩衝命中時，無條件轉移指令的延遲為0。
所以 程式的cpi ＝ 1 ＋ 2 × 5% ×(1 －90%) ＝1.01
4.6 下面的一段mips彙編程式是計算高斯消去法中的關鍵一步，用於完成下面公式的計算：
y = a x + y
其浮點指令延遲如表4.3所示，整數指令均為1個時鐘週期完成，浮點和整數部件均採用流水。整數操作之間以及與其它所有浮點操作之間的延遲為0，轉移指令的延遲為0。
x中的最後一個元素存放在儲存器中的地址為done。
foo: l.d f2,0(r1)
mut.d f4,f2,f0
l.d f6,0(r2)
add.d f6,f4,f6
s.d f6,0[r2]
daddiu r1,r1,#8
daddiu r2,r2,#8
dsubiu r3,r1,#done
bnez r3, foo
(1) 對於標準的mips單流水線，上述迴圈計算一個y值需要多少時間？其中有多少空轉週期？
(2) 對於標準的mips單流水線，將上述迴圈順序4次，不進行任何指令排程，計算一個y值平均需要多少時間？加速比是多少？其加速是如何獲得的？
(3) 對於標準的mips單流水線，將上述迴圈順序4次，優化和排程指令，使迴圈處理時間達到最優，計算一個y值平均需要多少時間？加速比是多少？
(1) 對於採用如圖4.8前瞻執行機制的mips處理器（只有一個整數部件）。當迴圈第二次執行到
bnez r3,foo
時，寫出前面所有指令的狀態，包括指令使用的保留站、指令起始節拍、執行節拍和寫結果節拍，並寫出處理器當前的狀態。
(2) 對於2路超標量的mips流水線，設有兩個指令流出部件，可以流出任意組合的指令，系統中的功能部件數量不受限制。將上述迴圈4次，優化和排程指令，使迴圈處理時間達到最優。計算一個y值平均需要多少時間？
加速比是多少？
(3) 對於如圖4.13結構的超長指令字mips處理器，將上述迴圈4次，優化和排程指令，使迴圈處理時間達到最優。計算一個y值平均需要多少時間？加速比是多少？
解：（1）
l.d f2, 0(r1) 1
stall
mut.d f4, f2, f0 2
l.d f6, 0(r2) 3
stall
stall
add.d f6, f4, f6 4
stall
stall
s.d f6, 0[r2] 5
daddiu r1, r1, #8 6
daddiu r2, r2, #8 7
dsubiu r3, r1, #done 8
bnez r3, foo 9
所以，共有14 個時鐘週期，其中有5 個空轉週期。
（2）迴圈順序4 次，不進行任何指令排程，則指令1～5 及其間的stall 都是必要的，只是指令6～9 只需執行一次，因此，共有 10 × 4 ＋ 4 ＝ 44 個時鐘週期，計算出4 個y 值，所以計算一個y 值需要11 個時鐘週期，加速比為：14/11 = 1.27 。
加速主要是來自減少控制開銷，即減少對r1、r2 的整數操作以及比較、分支指令而來的。
（3）迴圈順序4 次，優化和排程指令，如下：
l.d f2, 0(r1)
l.d f8, 8(r1)
l.d f14, 16(r1)
l.d f20, 24(r1)
mut.d f4, f2, f0
mut.d f10, f8, f0
mut.d f16, f14, f0
mut.d f22, f20, f0
l.d f6, 0(r2)
l.d f12, 8(r2)
l.d f18, 16(r2)
l.d f24, 24(r2)
add.d f6, f4, f6
add.d f12, f10, f12
add.d f18, f16, f18
add.d f24, f22, f24
s.d f6, 0[r2]
s.d f12, 8[r2]
s.d f18, 16[r2]
s.d f24, 24[r2]
daddiu r1, r1, #32
daddiu r2, r2, #32
dsubiu r3, r1, #done
bnez r3, foo
共用了24 個時鐘週期，則計算一個y 值平均需要 24/4 = 6 個時鐘週期，
加速比：14/6 = 2.33
（4）指令 指令執行時鐘
流出 執行 寫結果 確認
l.d f2, 0（r1） 1 2 3 4
mul.d f4, f2, f0 2 4 5 6
l.d f6, 0（r2） 3 4 6 7
add.d f6, f4, f6 4 8 9 10
s.d f6, 0（r2） 5 11 12 13
daddiu r1, r1, #8 6 7 8
daddiu r2, r2, #8 7 8 9
dsubiu r3,r1,#done 8 9 10
bnez r3, foo 9 10
l.d f2, 0（r1） 10 11 13 14
mul.d f4, f2, f0 11 13 14 15
l.d f6, 0（r2） 12 13 15 16
add.d f6, f4, f6 13 17 18 19
s.d f6, 0（r2） 14 20 21 22
daddiu r1, r1, #8 15 16 17
daddiu r2, r2, #8 16 17 18
dsubiu r3,r1,#done 17 18 19
bnez r3, foo 18
名稱 保留站
busy op vj vk qj qk dest a
add1 yes add.d regs[f4] regs[f6 ]
add2 no
add3 no
mult1 yes
mult2 no
項號 rob
busy 指令 狀態 目的 value
1 yes add.d f6, f4, f6 執行 f6 regs[f4]＋regs[f6]
2 yes s.d f6, 0（r2） 流出 mem[0+regs[r2]] #2
欄位 浮點暫存器狀態
f0 f2 f4 f6 f8 f10 … f30
rob項編號 1
busy yes …
（5）整數指令 浮點指令 時鐘週期數
l.d f2, 0(r1) 1
l.d f8, 8(r1) 2
l.d f14, 16(r1) mut.d f4, f2, f0 3
l.d f20, 24(r1) mut.d f10, f8, f0 4
l.d f6, 0(r2) mut.d f16, f14, f0 5
l.d f12, 8(r2) mut.d f22, f20, f0 6
l.d f18, 16(r2) add.d f6, f4, f6 7
l.d f24, 24(r2) add.d f12, f10, f12 8
daddiu r1, r1, #32 add.d f18, f16, f18 9
s.d f6, 0(r2) add.d f24, f22, f24 10
s.d f12, 8(r2) 11
s.d f18,16(r2) 12
s.d f24, 24(r2) 13
daddiu r2, r2, #32 14
dsubiu r3, r1, #done 15
bnez r3, foo 16
計算一個y值需要 16/4 = 4 個時鐘週期，加速比 = 14/4 = 3.5
（6）訪存1 訪存2 浮點指令1 浮點指令2 整數指令 時鐘
週期l.df2, 0(r1) l.d f8, 8(r1) 1
l.df14, 16(r1) l.df20, 24(r1)
l.df6, 0(r2) l.df12, 8(r2) mut.df4, f2, f0 mut.df10, f8, f0 3
l.df18, 16(r2) l.df24, 24(r2) mut.df16, f14, f0 mut.df22, f20, f0 4
add.df6, f4, f6 add.df12, f10, f12 5
add.df18, f16, f18 add.df24, f22, f24 daddiu r1, r1, #32 6
daddiu r2, r2, #32 7
dsubiur3, r1, #done 8
bnez r3, foo 9
s.df6, -32(r2) s.df12, -24(r2) 10
s.df18,-16(r2) s.df24, -8(r2) 11
計算一個y值需要 11/4 個時鐘週期，加速比 = 14/(11/4) = 56/11
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