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chap4-1指令级并行

第四章指令级并行

刘飞

liufeildu@https://www.wendangku.net/doc/1314436986.html,

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与电气工程学院目录

1.指令级并行的概念

2.指令的动态调度

3.控制相关的动态解决技术

4.多指令流出技术

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与电气工程学院

4.1指令级并行的概念

?当指令之间不存在相关时，它们在流水线中是可以重叠起来并行执行的。这种指令序列中存在的潜在并行性称为指令级并行。

（Instruction-Level Parallelism，简记为ILP）

?本章研究：如何通过各种可能的技术，获得更多的指令级并行性。

（硬件技术和软件技术）

?必须要硬件技术和软件技术互相配合，才能够最大限度地挖掘出程序中存在的指令级并行。

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与电气工程学院1.流水线处理器的实际CPI

?CPI流水线= CPI理想+ 各类停顿周期数的总和流水线的理想CPI是流水线的最大流量。

各类停顿包括：

?结构相关停顿：是由于两条指令使用同一

个功能部件而导致的停顿。

?控制相关停顿：是由于指令流的改变（如

分支指令）而导致的停顿。

?RAW、WAR和WAW停顿：由数据相关造成的。

?减少其中的任何一种停顿，都可以有效地减少CPI，从而提高流水线的性能。

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与电气工程学院3.几个概念

?基本程序块

?一段除了入口和出口以外不包含其它分支的线

性代码段。

?程序平均每6～7条指令就会有一个分支。

?循环体中指令之间的并行性称为循环级并行性。

?开发循环体中存在的并行性。

最常见、最基本

?是指令级并行研究的重点之一。

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与电气工程学院?最基本的开发循环级并行的技术?指令调度（scheduling）技术?循环展开（loop unrolling）技术?换名（renaming）技术

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与电气工程学院4.1.1循环展开调度的基本方法

1. 指令调度

通过改变指令在程序中的位置，将相关指令之间的距离加大到不小于指令执行延迟，将

单片机指令周期怎么计算

单片机指令周期怎么计算指令周期：指令周期执行某一条指令所消耗的时间，它等于机器周期的整数倍。传统的80C51单片机的指令周期大多数是单周期指令，也就是指令周期=机器周期，少部分是双周期指令。现在（截至2012）新的单片机已经能做到不分频了，并且尽量单指令周期，就是指令周期=机器周期=时钟周期。来看这张8051单片机外部数据，这里ALE和$PSEN$的变化频率已经小于一个机器周期，如果使用C语言模拟这个信号是没有办法做到的一一对应的，所以只能尽量和上面的时序相同，周期延长。指令周期是不确定的，因为她和该条指令所包含的机器周期有关。一个指令周期=1个（或2个或3个或4个）机器周期，像乘法或除法就含有4个机器周期，单指令就只含有1个机器周期。对于大多说的51单片机来说，1个机器周期=12个时钟周期（或振荡周期）也有部分单片机时钟周期和振荡周期不相等，例如，1个时钟周期=2个振荡周期。该定义指的是执行一条指令所需要的时间，通常一个指令周期会由若干个机器周期组成。指令不同，所需的机器周期数也不同。对于一些简单的的单字节指令，在取指令周期中，指令取出到指令寄存器后，立即译码执行，不再需要其它的机器周期。对于一些比较复杂的指令，例如转移指令、乘法指令，则需要两个或者两个以上的机器周期。通常含一个机器周期的指令称为单周期指令，包含两个机器周期的指令称为双周期指令。 PIC单片机指令周期计算PIC单片机的每四个时钟周期为一个内部指令周期例如：8MHz的晶振，则内部指令周期为1/（8/4）= 0.5 uS 实例一：35us，8MHz的晶振，8位定时器，分频比1/2 ，初值E4 实例二：156.25us ，32768Hz的晶振，8位定时器，分频比1/32 ，初值FC 计算方法一：35 = =（256-初值）*分频*4/晶振+ 14/分频=（256-初值）+14/2

时钟周期的计算1

单片机的定时器的周期怎么算？就是比如定时器TF0置1的时间，我的晶振是11。0592MHz的怎么算还有就是时钟周期，状态周期，机器周期的概念和联系及换算？你的不明白其实就是对于定时器的初值问题，11.0592是始终的晶振，时钟周期就是1/11.0592M 而定时器的周期就是12/11.0592 因为51单片机是12分频的。还有很多...... 如果你写的是C的话建议这样写 TMOD=0X01// 定时器0方式1 TH0=(65535-50000)/256；//因为是16位计数假设晶振为12MHZ 11.0592的是4600多吧，自己算算... TL=(65536-50000)%256; EA=1; ET0=1; TR0=1; 主要的计算就是其中的50000 中断一次所需要的时间就是50000乘以刚才所算的定时器的周期（这个是50MS）也就是你说的：就是比如定时器TF0置1的时间中断的时候TF0 要求CPU 中断而引起中断好了 12倍的时间周期就是机械周期，（刚才说过是12分频的）时钟周期：时钟周期也称为振荡周期，定义为时钟脉冲的倒数（可以这样来理解，时钟周期就是单片机外接晶振的倒数，例如12M的晶振，它的时间周期就是1/12 us），是计算机中最基本的、最小的时间单位。在一个时钟周期内，CPU仅完成一个最基本的动作。对于某种单片机，若采用了1MHZ的时钟频率，则时钟周期为1us；若采用4MHZ的时钟频率，则时钟周期为250us。由于时钟脉冲是计算机的基本工作脉冲，它控制着计算机的工作节奏（使计算机的每一步都统一到它的步调上来）。显然，对同一种机型的计算机，时钟频率越高，计算机的工作速度就越快。 8051单片机把一个时钟周期定义为一个节拍（用P表示），二个节拍定义为一个状态周期（用S表示）。机器周期：

计算程序运行时间 time t clock t

计算程序运行时间time t clock t 计算程序运行时间(time_t,clock_t) 转载我们有时需要得到程序的运行时间，但我们也要知道，根本不可能精确测量某一个程序运行的确切时间，文献中说的很明白，现摘录如下。我们平时常用的测量运行时间的方法并不是那么精确的，换句话说，想精确获取程序运行时间并不是那么容易的。也许你会想，程序不就是一条条指令么，每一条指令序列都有固定执行时间，为什么不好算?真实情况下，我们的计算机并不是只运行一个程序的，进程的切换，各种中断，共享的多用户，网络流量，高速缓存的访问，转移预测等，都会对计时产生影响。文献中还提到：对于进程调度来讲，花费的时间分为两部分，第一是计时器中断处理的时间，也就是当且仅当这个时间间隔的时候，操作系统会选择，是继续当前进程的执行还是切换到另外一个进程中去。第二是进程切换时间，当系统要从进程A切换到进程B时，它必须先进入内核模式将进程A的状态保存，然后恢复进程B的状态。因此，这个切换过程是有内核活动来消耗时间的。具体到进程的执行时间，这个时间也包括内核模式和用户模式两部分，模式之间的切换也是需要消耗时间，不过都算在进程执行时间中了。那么有哪些方法能统计程序的运行时间呢?通过查找一些资料并结合自己的实践体会，摘录和总结了下面几种方法。一、Linux的time命令 Linux系统下统计程序运行实践最简单直接的方法就是使用time命令，文献[1,2]中详细介绍了time命令的用法。此命令的用途在于测量特定指令执行时所需消耗的时间及系统资源等资讯，在统计的时间结果中包含以下数据：实际时间(real time)：从命令行执行到运行终止的消逝时间；用户CPU时间(user CPU time)：命令执行完成花费的系统CPU时间，即命令在用户态中执行时间的总和；

eterm操作指令(完整流程)

eterm操作指令（完整流程） 1. 航班信息查询A V：城市对/日期/起飞时间/航空公司代码/经停标志/座位等级“-”表示昨天“.”表示今天“+”表示明天“N”表示经停“D”表示直达 2.航班经停点及起降时间的显示 FF:航班号/日期例：FF:1321/19MAY 3．票价查询 FD：城市对/航空公司代码例：FD:PEKSHA/CA 从已有的A V中查询票价 FD:序号 4.订票：（注：请一次性封口）（成人）SD1(航段)Y（舱位）/1（人数）（回车） NM1计算1管理（名字中间用数字1隔开）（回车） TKTL(预定时间)/1200/19MAY/SIA000（回车） SSR FOID MU HK/NI545123152(身份证)（回车） CT4524545(联系电话) （回车） @或\ F12(输入) （儿童）SD1(航段)Y（舱位）/1（人数）（回车） NM1计算CHD1管理CHD（名字中间用数字1隔开，在名字后面加上CHD标志）（回车） TKTL(预定时间)/1200/19MAY/SIA000（回车） XN:IN/名字INF（出生月和年）/P1（回车） CT4524545(联系电话) （回车） @或\ F12(输入) （婴儿）与大人在同一个记录，但是婴儿不占座位（回车）

SD1(航段)Y（舱位）/1（人数）（回车） NM1计算1管理（名字中间用数字1隔开）（回车） TKTL(预定时间)/1200/19MAY/SIA000（回车） XN:IN/名字INF（出生月和年）/P1（回车） SSR FOID MU HK/NI545123152(身份证) （回车） CT4524545(联系电话) （回车） @或\ F12(输入) 5.做假RR RTSKIKS（记录编号）（输入） XE(出票时限项) （回车） TKT/999-0000000000(假票号) （回车） 2RR(把航程项做RR) 输入 6.PNR取消整个记录：XEPNR@SKSKI(加记录编号) 取消记录中的一个人：XEP1(1代表所取消的第几个人) PNR的历史记录.,先提记录，在RTU1要往下翻页：RTC|记录|PN 如果是记录往下翻：RT记录|PN 7.团队定位（注请一次性封口）例： A V查询航班（输入） SD1(航段)Y（舱位）/25（人数）（回车） GN:25kxun （回车） TKTL(预定时间)/1200/19MAY/SIA000（回车） CT4524545(联系电话) （回车）

高级计算机系统结构期末考试复习总结

第一章量化设计与分析基础 1.计算机性能提升表现在哪些方面：半导体技术不断提高，如特征尺寸和时钟频率；计算机体系结构不断改进，如高级语言编译器、标准化的操作系统和指令更为简单的RISC 体系结构。 2.并行分类： 1）应用程序的并行分类：数据级并行(DLP)：同时操作多数据任务级并行(TLP)：创建了一些能够独立处理但大量采用并行方式执行的工作任务 2）硬件的体系结构：指令级并行(ILP)：在编译器帮助下。利用流水线的思想开发数据级并行，利用推理执行的思想以中等水平开发数据集并行。向量体系结构和图像处理单元(GPUs)：将单条指令并行应用于一个数据集，来达到数据集并行线程级并行：在紧耦合硬件模型中开发数据集并行或任务及并行，这种模型允许在线程之间进行交互。请求级并行：在程序员或操作系统制定的大量去耦合任务之间开发并行 3.Flynn’s分类是如何分类的？ Flynn’s分类主要分为四类： 1）单指令流、单数据流(SISD)：一条指令处理一个数据，可以利用指令级并行(ILP) 2）单指令流、多数据流(SIMD)：将大量重复设置的处理单元按一定方式互连成阵列，在单一控制部件CU(Contrul Unit)控制下对各自所分配的不同数据并行执行同一指令规定的操作，主要应用于向量体系结构、多媒体扩展指令和图像处理单元(Graphics processor units) 3）多指令流、单数据流(MISD)：用多个指令作用于单个数据流，没有商业实现 4）多指令流多数据流(MIMD)：每个处理器都提取自己的指令，对自己的数据进行操作，主要用于开发线程级并行TLP（紧耦合MIMD）和请求级并行RLP（松耦合MIMD） 4.什么是“真正”的计算机体系结构？ 1）满足目标和功能需求的组成和硬件； 2）限制条件下最大化性能：成本、功耗、可用性； 3）包括指令集体系结构(ISA)，微体系结构，硬件 5.计算题：可靠性的计算平均无故障时间：Mean time to failure (MTTF)，MTTF是故障率的倒数。平均修复时间：Mean time to repair (MTTR) 平均故障间隔时间：Mean time between failures (MTBF) = MTTF + MTTR 可用性：Availability = MTTF / MTBF 例：设磁盘子系统的组件及MTTF如下： 10个磁盘，1000000小时MTTF; 1个ATA控制器，500000小时MTTF; 1个电源，200000小时MTTF; 1个风扇，200000小时MTTF; 1根ATA电缆，1000000小时MTTF; 采用简化假设，寿命符合指数分布，各故障相互独立，试计算整个系统的MTTF. 解答：系统故障率=10*1/1000000+1/500000+1/200000+1/200000+1/1000000=23000FIT(每10亿小时）

指令流水线的计算

若指令流水线把一条指令分为取指、分析和执行三部分，且三部分的时间分别是t取指=2ns ，t 分析=2ns，t 执行=1ns。则100 条指令全部执行完毕需 (4) ns。 (4)A．163 B．183 C．193 D．203 答案：D 本类题有两类: 第一类是各指令段,有同步时间,即有指令流操作周期.当某指令段执行完毕后,必须等到下一个操作周期来临时,才能执行下一条指令的相同段.第一题与2005年的题就是这样.其计算公式是: (指令所分段数-1)*指令流操作周期 +指令数*指令流操作周期. 第二类是各指令段,没有同步时间,每段执行完毕,不需要等待,直接执行下一条执令相同的段.2006的题就是这个.其计算方法是第一条指令执行时间+(指令数-1)*各指令段执行时间中最大的执行时间 ========================================================== 本题为第二类：（2+2+1）+（100-1）*2=203 指令流水线的计算 1.现有四级指令流水线，分别完成取指、取作的时间依次为数、运算、传送结果四步操作。若完成上述操9ns、10ns、6ns、8ns。则流水线的操作周期应设计为（1）n s。（1）A．6B．8C．9D．10 试题解析：取最大的那个微指令时间作为流水线操作周期。答案：D 2.若每一条指令都可以分解为取指、分析和执行三步。已知取指时间t取指=4△t，分析时间t分析=3△t，执行时间t执行=5△t。如果按串行方式执行完100条指令需要（2）△t。如果按照流水方式执行，执行完100条指令需要（3）△t。（2）A．1190B．1195C．1200D．1205（3）A．504B．507C．508D．510 试题解析：串行执行时，总执行时间=100×（t取指+ t分析+ t执行） =100×12△t=1200△t。连续两条指令的执行时间差为t执行= 5△t，因此100条指令的总执行时间=（t取指+ t分析+ t执行）+99×t执行= 507△t。答案：（2）C（3）B

计算取指令时间

计算取指令时间 ●若每一条指令都可以分解为取指、分析和执行三步。已知取指时间t取指＝5，分析时间t 分析＝2t，执行时间t执行＝5t，。如果按顺序方式从头到尾执行完500条指令需（4）t。如果按照[执行]k、[分析] k+1、[取指]k+2重叠的流水线方式执行指令，从头到尾执行完500指令需要（5）t。(05年下半年网工) （4）A. 5590 B. 5595 C. 6000 D. 6007 （5）A. 2492 B. 2500 C. 2510 D. 2515 解析: 先取出最长的单步执行周期:5t 顺序执行完为: (5t+2t+5t)*500=6000t 流水执行第一步指令为: 5t(最长单步执行时间)*3(指令步数)=15t 流水全部执行完: 15t+(500-1)*5t(最长单步执行时间)=2510t 得答案为: (4)C (5)C ●若指令流水线把一条指令分为取指、分析和执行三部分，且三部分的时间分别是t取指＝2ns，t分析＝2ns，t执行＝1ns。则100条指令全部执行完毕需__(4)__ns。(04年下午网工) (4)A.163 B.183 C.193 D.203 解析: 先取出最长的单步执行周期:2t 顺序执行完为: (2t+2t+1t)*100=500t 流水执行第一步指令为: 2t(最长单步执行时间)*3(指令步数)=6t 流水全部执行完: 6t+(100-1)*2t(最长单步执行时间)=204t 答案: (4)D ●现采用四级流水线结构分别完成一条指令的取指、指令译码和取数、运算以及送回运算结果四个基本操作，每步操作时间依次为：60ns,100ns,50ns,70ns。该流水线的操作周期应为（1）ns，若有一小段程序需要用20条基本指令完成（这些指令完全适合于流水线上执行），则第一步指令执行完需（2）ns,完成该段程序需（3）ns. 解析: 先取出最长的单步执行周期:100ns 顺序执行完为: (60+100+50+70)*20=5600ns 流水执行第一步指令为: 100(最长单步执行时间)*4(指令步数)=400ns 流水全部执行完: 400+(20-1)*100=2300ns

1、设一条流水线的执行过程分成取指令、分析指令和执行指令三个阶段

1、设一条流水线的执行过程分成取指令、分析指令和执行指令三个阶段，每个阶段所需的时间分别为t、t和2t，分别求出下列各种情况下，连续执行N条指令所需的时间。（1）顺序执行方式；（2）只有取指令和执行指令重叠执行；（3）取指令、分析指令和执行指令重叠执行； 2、有一条流水线如下所示（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2种不同的措施消除此“瓶颈”。对于你所给出的新流水线，计算连续输入10 条指令时，其实际吞吐率和效率； 3、在改进的DLX 流水线上运行如下代码序列： LOOP: LW R1, 0(R2) ADDI R1, R1, # 1 SW 0(R2), R1 ADDI R2, R2, # 4 SUB R4, R3, R2 BNEZ R4, LOOP 其中，R3 的初始值是R2＋396。假设：在整个代码序列的运行过程中，所有的存储器访问都是命中的，并且在一个时钟周期中对同一个寄存器的读操作和写操作可以通过寄存器“定向”。问：（1）在没有任何其它定向（或旁路）硬件的支持下，请画出该指令序列执行的流水线时空图。假设采用排空流水线的策略处理分支指令，且所有的存储器访问都可以命中Cache，那么执行上述循环需要多少个时钟周期？（2）假设该DLX 流水线有正常的定向路径，请画出该指令序列执行的流水线时空图。假设采用预测分支失败的策略处理分支指令，且所有的存储器访问都可

以命中Cache，那么执行上述循环需要多少个时钟周期？（3）假设该DLX 流水线有正常的定向路径，请对该循环中的指令进行调度。注意可以重新组织指令的顺序，也可以修改指令的操作数，但是不能增加指令的条数。请画出该指令序列执行的流水线时空图，并计算执行上述循环需要的时钟周期数？ 4.根据需要展开下面的循环并且进行指令调度，直到没有任何延迟。指令的延迟如表： Code： Loop: LD F0,0(R1) MULTD F0,F0,F2 LD F4,0(R2) ADDD F0,F0,F4 SD 0(R2),F0 SUBI R1,R1,8 SUBI R2,R2,8 BNEQZ R1,LOOP 5.列举下面循环中的所有相关，包括输出相关，反相关，真相关和循环相关。

第3章-指令级并行及其动态开发

高等计算机系统结构第3章-指令级并行及其动态开发流水线技术就是指令重叠执行技术，达到加快运算速度的目的。三种流水线冲突： ◆结构冲突(structure hazard)：由硬件资源冲突引起(资源冲突) 当硬件在指令重叠执行中不能支持指令所有可能的组合时发生的冲突。(需要更多的硬件资源) ◆数据冲突(data hazard)：下一条指令要用到上一条指令的结果。在同时执行的几条指令中，一条指令依赖于前一条指令的数据，却得不到时发出的冲突。(需要定向，编译器调度) ◆控制冲突(control hazard)：由转移指令或其他改变PC指令引起.(尽早检测条件，计算目标地址，延迟转移，预测) 由于这三种流水线冲突，导致流水线性能降低，不能运作在理想的重叠状态，需要插入停顿周期，从而使流水线性能降低。指令之间可重叠执行性称为指令级并行性(Instruction Parallelism-ILP)。因此进一步研究和开发指令之间的并行性，等于拓宽指令重叠执行的可能性，从而能进一步提高流水线的性能。

提高指令级并行度方法： ◆流水线动态调度：依赖硬件技术广泛用于桌面电脑和服务去处理器中，包括Pentium III 和 Pentium 4,Athlon,MIPS R10000/12000,Sun UltrSPARC III 等◆流水线静态调度：依赖软件技术更多的用于嵌入式处理器中，一些桌面电脑和服务产品也使用，如IA-64系统结构和Intel 的Itanium . 术语： ◆流水级（pipe stage):流水线由多个流水级组成，通常一条指令由n 级流水级完成。每个流水级完成指令的部分任务。◆吞吐量（throughput):单位时间内流出流水线的指令数。◆机器周期（machine cycle):不同流水线完成指令功能不等，所需时间有长有短，因此设计流水线的关键是合理划分指令功能，使每一流水级完成指令功能的时间大致相等。机器周期由最长流水级的时间决定，通常等于时钟周期。第3章指令级并行及其动态开发 3.1 指令级并行概念

计算机体系结构张晨曦版本第四章解答-new

第四章习题四 4.1解释下列术语：指令级并行：指令序列中存在的潜在的并行性称为指令级并行。指令调度：指令调度是一种用以避免冲突的方法，但并不改变相关。通过改变指令在程序中的位置，将相关指令间的距离加大到不小于指令执行延迟的时钟数，以此消除相关指令造成的流水线冲突。指令的动态调度：在程序执行过程中，依靠专门的硬件对代码进行调度，重新安排指令的执行顺序，来调整相关指令实际执行时的关系，减少可能的冲突。指令的静态调度：在程序的编译期间，由编译器进行代码调度和优化，重新安排指令的执行顺序，把相关的指令拉开距离，以减少可能产生的冲突。保留站：在Tomasulo算法实现结构中，保留站设置在运算部件的入口，每个保留站中保存一条已经流出并等待到本功能部件执行的指令的相关信息，包括操作码、操作数以及用于检测和解决冲突的信息。在一条指令流出到保留站的时候，如果该指令的操作数已经在寄存器中就绪，则将之取到该保留站中。如果操作数还没有计算出来，则在该保留站中记录将产生这个操作数的保留站的标识。 CDB：公共数据总线，是Tomasulo算法实现结构中的一条重要的数据通路，所有功能部件的计算结果都要送到CDB上，由它把这些结果直接送到各个需要该结果的地方。动态分支预测技术：用硬件动态地进行分支处理的方法。这些方法是在程序运行时，根据分支指令过去的表现来预测其将来的行为。如果分支行为发生了变化，预测结果也随之改变。其目的有两个：预测分支是否成功和尽快找到分支目标地址（或指令），从而避免控制相关造成流水线停顿。 BHT：分支历史表，也称之为分支预测缓冲器，用来记录分支指令最近一次或几次的执行情况（成功或不成功），并根据此进行预测。分支目标缓冲：将分支成功的分支指令的地址和它的分支目标地址都放到一个缓冲区中保存起来，缓冲区以分支指令的地址作为标识，取指令阶段，所有指令地址都与保存的标示作比较，一旦相同，就认为本指令是分支指令，且认为它转移成功，并且它的分支目标地址就是保存在缓冲区的分支目标地址。前瞻执行：基于硬件的前瞻执行结合了以下三种思想：

指令级并行

指令级并行我们知道,要从系统结构上提高计算机的性能,就必须设法以各种方式挖掘计算机工作的并行性。并行性又有粗粒度并行性(coarse-grained parallelism)和细粒度并行性(fine-grained parallelism)之分。所谓粗粒度并行性是在多处理机上分别运行多个进程,由多台处理机合作完成一个程序。所谓细粒度并行性是在一个进程中进行操作一级或指令一级的并行处理。这两种粒度的并行性在一个计算机系统中可以同时采用,在单处理机上则用细粒度并行性。指令级并行概念指令级并行（Instruction-Level Parallelism, ILP），是细粒度并行，主要是相对于粗粒度而言的。顾名思义，指令级并行是指存在于指令一级即指令间的并行性，主要是指机器语言一级，如存储器访问指令、整型指令、浮点指令之间的并行性等，它的主要特点是并行性由处理器硬件和编译程序自动识别和利用，不需要程序员对顺序程序作任何修改。正是由于这一优点，使得它的发展与处理器的发展紧密相连。指令级并行技术突破了每个时钟周期完成一条指令的框框,做到在单处理机上每个时钟周期能完成的指令数平均多于一条。我们已知道,向量处理机进行的是细粒度的并行处理,它在处理向量时由于采用了流水线,多功能部件河链接技术,能够做到每个时钟周期完成多个操作,相当于多条指令。但它在处理标量时,效率将大大降低,有时甚至还不及一个普通的通用计算机。现在几种新的系统结构设计,其基本思想是要挖掘指令级并行,使单处理机达到一个时钟周期完成多条指令。指令级并行性的含义可用下面的例子来说明: (1)Load C1←23(R2) Add R3←R3+1 FPAdd C4←C4+C3 并行度=3 (2)Add R3←R3+1 Add R4←R3+R2 Store R0←R4 并行度=1 上例中,(1)的三条指令是互相独立的,它们之间不存在数相关,所以可以并行执行。反之,(2)的三条指令中,第2条要用到第1条的结果,第3条要用到第2条的结果,它们都不能并行执行。(1)的并行度为3,它存在指令级的并行性。(2)的并行度为1,指令间没有并行性。如果能把程序中存在度指令级并行性挖掘出来,加以利用,就能达到一个机器周期执行几条指令的目

实验二指令级并行

实验二指令级并行 1. 实验目的 ⑴ 掌握DLXview的使用方法。 ⑵ 了解指令动态调度的基本过程。 ⑶ 了解记分牌算法和Tomasulo算法的基本结构、运行过程。 ⑷ 比较分析基本流水线与记分牌算法和Tomasulo算法的性能及优、缺点。 2. 实验环境 DLXview是一个图形化、交互式的DLX流水线仿真器。该模拟器能够实现对基本流水线，记分牌算法和Tomasulo算法的模拟。通过对内存访问延迟、功能部件的数目、功能部件的延迟的配置，实现不同的流水线的模拟。该模拟器使用的是DLX指令集描述的计算机体系结构，执行DLX汇编语言程序，指令在流水线中执行的过程能以图形的方式表示出来，还能得到流水线操作周期的统计信息。模拟基本流水线，我们能观察到流水线时空图、各流水段状态以及流水线的数据通路；模拟记分牌算法，可观察功能部件状态表，指令状态表，DLX处理器基本结构图；模拟Tomasulo算法可观察指令状态表，保留站信息，DLX浮点部件结构图。DLXview对流水线的理解，以及处理器性能的评价很有帮助。 DLXview可以装载三种扩展名的文件：*.s文件是汇编码文件；*.d文件是数据文件（不是必须的，数据和代码可以一并形成一个*.s文件）；*.i文件是初始化寄存器文件，用来设置整形、浮点形寄存器数目。 DLXview需要运行在装有Tcl7.4/Tk4.0（或更高版本）以及GNU gcc编译器的Unix系统。我们是把DLXview运行在RedHat 9.0上。 3. 实验内容 1）用DLX汇编语言编写代码文件*.s（程序中应包括指令的数据相关、控制相关以及结构相关），以及相关的初始化寄存器文件*.i和数据文件*.d。本次实验中代码编写的要求见附录。 2）观察程序中出现的数据/控制/结构相关，并指出三种相关的指令组合。 3）按照记分牌算法和Tomasulo算法，自己预测程序的执行过程，参照课本，绘制记分牌算法的功能部件状态表、指令状态表，以及Tomasulo算法的指令状态表、保留站信息。 4）将自己编写的程序*.s、*.i、*.d装载到DLXview模拟器上，并做如下分析： ⑴ 分别用基本流水线、记分牌算法和Tomasulo算法模拟，针对每一种模拟做如下分析： ①统计程序的执行周期，以及流水线中的stall数。 ②考察改变功能部件数目对性能的影响。

计算机组成原理计算题

计算题: 【第三章】交叉方式的片选方法，交叉方式的地址分配，交叉存取度的概念，交叉存储器的带宽的计算多模块交叉存储器采用低位地址做偏选。模块存取一个字的存储周期为T ，总线传送时间为t ，存储器的交叉模块数为m，称m=T / t为交叉存取度。【例5】存储器容量32字，字长64位，模块数m=4，存储周期T=200ns，数据总线宽度为64位，总线传送周期t=50ns，若连续读出4个字，顺序和交叉的带宽各为多少？信息总量q=64b*4=256b 所需时间：交叉t1=T +（m-1）*t =350ns ；顺序t2=m*T=800ns；带宽：交叉W1=q / t1 =730Mb / s ；顺序W2=q / t2 =320Mb / s. 【2007】 1.设阶码3位，尾数6位，按浮点运算方法（否则不计分），完成x-y运算，x=2-011×0.100101, y=2-010×(-0.011110)。(共9分) 2.有一个1024K×16位的存储器，由256K×8位的SRAM芯片构成。（9分）问： (1) 总共需要多少DRAM芯片? （3分） (2) 设计此存储体组成框图。（6分） 3. 已知 x= -0.101011 , y=0.111010 ,要求：(共7分) (1)写出变形补码[x]补和[y]补和[-y]补；(3分) (2)用变形补码计算[x+y]补和[x-y]补，并判断是否溢出。(4分) 4.已知x= 0.10101, y=–0.11001，计算[x*y]补和其真值（要求有补码直接乘法的算式）。(9分) 5. 设有一微指令格式字长为24位，其中下址字段8位；判别测试字段3位；其余为操作控制字段。操作控制字段采用混合编码方式，有5位分别经一个3:8译码器和一个2:4译码器输出，其它均为直接控制。问：(共5分，要求有算式) (1) 这种指微指令格式中最多可以表示多少个微命令？(2分) (2) 一条微指令最多可同时发出多少个微命令？(2分) (3) 可直接寻址的控制存储器最大单元数是多少？(1分) ----------------------答案------------------ 1．设两数均以补码表示，阶码和尾数均采用双符号位，则它们的浮点表示分别为： [x]浮=11101,0.100101 [-y]浮=11110, 0.011110 1’ (1)求阶差并对阶 1’ ΔE=Ex-Ey=[Ex]补-[Ey]补=[Ex]补+[-Ey]补=11101 + 00 010 =11 111 即ΔE为-1，x阶码小，应使Mx右移1位，Ex加1 [x]浮=11 110,00.010010(1) (2)尾数求和 2’ 0 0. 0 1 0 0 1 0 (1) +0 0. 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 (1) (3)规格化 2’ 可见尾数运算结果的符号位与最高位不相同，不需要执行规格化处理 (4)舍入处理 11 110, 00.110001。 1’ (5)判溢出阶码两符号位为11，无溢出。1’ 故最后结果为[x]浮+[y]浮=11 110, 00.110001，真值为2-2*0.110001。 1’

计算机系统结构(章节知识点)

1、计算机高性能发展受益于：(1)电路技术的发展；(2)计算机体系结构技术的发展。 2、层次结构：计算机系统可以按语言的功能划分为多级层次结构，每一层以不同的语言为特征。第六级：应用语言虚拟机->第五级：高级语言虚拟机->第四级：汇编语言虚拟机->第三级：操作系统虚拟机->第二级：机器语言(传统机器级) ->第一级：微程序机器级。 3、计算机体系结构：程序员所看到的计算机的属性，即概括性结构与功能特性。 4、透明性：在计算机技术中，对本来存在的事物或属性，从某一角度来看又好像不存在的概念称为透明性。 5、Amdahl提出的体系结构是指机器语言级程序员所看见的计算机属性。 6、经典计算机体系结构概念的实质3是计算机系统中软、硬件界面的确定，也就是指令集的设计，该界面之上由软件的功能实现，界面之下由硬件和固件的功能来实现。 7、计算机组织是计算机系统的逻辑实现；计算机实现是计算机系统的物理实现。 8、计算机体系结构、计算机组织、计算机实现的区别和联系？答：一种体系结构可以有多种组成，一种组成可以有多种物理实现，体系结构包括对组织与实现的研究。 9、系列机：是指具有相同的体系结构但具有不同组织和实现的一系列不同型号的机器。 10、软件兼容：即同一个软件可以不加修改地运行于系统结构相同的各机器，而且它们所获得的结果一样，差别只在于运行时间的不同。 11、兼容机：不同厂家生产的、具有相同体系结构的计算机。 12、向后兼容是软件兼容的根本特征，也是系列机的根本特征。 13、当今计算机领域市场可划分为：服务器、桌面系统、嵌入式计算三大领域。 14、摩尔定律：集成电路密度大约每两年翻一番。 15、定量分析技术基础（1）性能的评测：（a）响应时间：从事件开始到结束之间的时间；计算机完成某一任务所花费的全部时间。（b）流量：单位时间内所完成的工作量。（c）假定两台计算机x、y；x比y快意思为：对于给定任务，x的响应时间比y少。x的性能是y的几倍是指：响应时间x /响应时间y = n，响应时间与性能成反比。 16、大概率事件优先原则：（基本思想）对于大概率事件（最常见的事件），赋予它优先的处理权和资源使用权，以获得全局的最优结果。 17、Amdahl定律：加快某部件执行速度所获得的系统性能加速比，受限于该部件在系统中所占的重要性。系统加速比=总执行时间（改进前）/总执行时间（改进后）= …… 18、Amdahl定律推论：如果仅仅对计算机中的一部分做性能改进，则改进越多，系统获得的效果越小。如果只针对整个任务的一部分进行优化，那么多获得的加速比不大于1 /（1-可改进比例）。 19、cpu性能：Cpu时间=总时钟周期数/时钟频率Cpi =总时钟周期数/ ic （cpi：平均每条指令的时钟周期数；ic：执行过程当中的指令条数。） Cpu性能公式：总cpu时间= cpi × ic /时钟频率其中：cpi反映了计算机实现技术、计算机指令集的结构和计算机组织；Ic反映了计算机指令集的结构和编程技术；时钟频率：反映了计算机实现技术，生产工艺和计算机组织。 20、并行性：是指在同一时刻或是同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不相同工作。第二章 1、根据cpu内部存储单元类型对指令集结构进行分类，一般可分为堆栈型指令集结构、累加器型指令集结构和通用寄存器型指令集结构。 2、通用寄存器型指令集机进一步细分为3种类型：寄存器-寄存器型（R-R）、寄存器-存储器型（R-M）、存储器-寄存器型。3、寻址方式：（1）寄存器寻址：例：ADD R4, R3 含义：Regs[R4]<-Regs[R4]+Regs[R3] （2）立即值寻址：例：ADD R4,＃3含义：Regs[R4]<-Regs[R4]+3 （3）偏移寻址：例：ADD R4, 100(R1)含义：Regs[R4]+Mem[100+Regs[R1]] （4）寄存器间接寻址：例：ADD R4, (R1)含义：Regs[R4]<-Regs[R4]+Mem[Regs[R1]] （5）索引寻址：例：ADD R3, (R1+R2)含义：Regs[R3]<-Regs[R3]+Mem[Regs[R1]+Regs[R2]] （6）直接寻址或绝对寻址：例：ADD R1, (1001)含义：Regs[R1]<-Regs[R1]+Mem[1001] （7）存储器间接寻址：例：ADD R1,a(R3)含义：Regs[R1]<-Regs[R1]+Mem[Mem[Regs[R3]]] （8）自增寻址：例：ADD R1, (R2)+含义：Regs[R1]<-Regs[R1]+Mem[Regs （9）自减寻址（10）缩放寻址 4、指令集结构的功能设计：指令集结构中操作的分类操作类型实例（1）算术与逻辑运算整数的算术和逻辑运算：加、减、与、或等（2）数据传输LOAD/STORE （3）控制分支、跳转、过程调用和返回、自陷等（4）系统操作系统调用、虚拟存储器管理。（5）浮点浮点加、减等操作（6）十进制十进制加、十进制乘、十进制到字符的转换（7）字符串字符串移动、比较（8）图形像素操作，压缩操作 5、复杂指令机（CISC）：是指强化指令功能，实现软件功能向硬件功能转移，基于这种指令集结构而设计实现的计算机系统。 CISC指令集存在的缺点：（1）在这种指令系统中，各种指令的使用频率相差悬殊。（2）CISC指令集结构的复杂性带来了计算机体系结构的复杂性，这不仅增加了研制时间和成本，而且还容易造成设计错误。（3）CISC指令集结构的复杂性给VLSI设计带来了很大负担，不利于单片集成。（4）在CISC指令集结构中，许多复杂指令需要很复杂的操作，因而运行速度慢。（5）在CISC指令集结构中，由于各条指令功能的不均衡，不利于采用先进的计算机体系结构技术（如流水技术）来提高系统的性能。 6、20世纪80年代发展起来的精简指令集计算机：其目的是尽可能地降低指令集结构的复杂性，以达到简化实现，提高性能的目的，也是当今指令集结构功能设计的一个主要趋势。

计算机体系结构测验考试及答案版本

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计算机体系结构试题及答案 1、计算机高性能发展受益于：(1)电路技术的发展；(2)计算机体系结构技术的发展。 2、层次结构：计算机系统可以按语言的功能划分为多级层次结构，每一层以不同的语言为特征。第六级：应用语言虚拟机 ->第五级：高级语言虚拟机 ->第四级：汇编语言虚拟机 ->第三级：操作系统虚拟机->第二级：机器语言(传统机器级) ->第一级：微程序机器级。 3、计算机体系结构：程序员所看到的计算机的属性，即概括性结构与功能特性。 4、透明性：在计算机技术中，对本来存在的事物或属性，从某一角度来看又好像不存在的概念称为透明性。 5、Amdahl提出的体系结构是指机器语言级程序员所看见的计算机属性。 6、经典计算机体系结构概念的实质3是计算机系统中软、硬件界面的确定，也就是指令集的设计，该界面之上由软件的功能实现，界面之下由硬件和固件的功能来实现。 7、计算机组织是计算机系统的逻辑实现；计算机实现是计算机系统的物理实现。

8、计算机体系结构、计算机组织、计算机实现的区别和联系？答：一种体系结构可以有多种组成，一种组成可以有多种物理实现，体系结构包括对组织与实现的研究。 9、系列机：是指具有相同的体系结构但具有不同组织和实现的一系列不同型号的机器。 10、软件兼容：即同一个软件可以不加修改地运行于系统结构相同的各机器，而且它们所获得的结果一样，差别只在于运行时间的不同。 11、兼容机：不同厂家生产的、具有相同体系结构的计算机。 12、向后兼容是软件兼容的根本特征，也是系列机的根本特征。 13、当今计算机领域市场可划分为：服务器、桌面系统、嵌入式计算三大领域。 14、摩尔定律：集成电路密度大约每两年翻一番。 15、定量分析技术基础（1）性能的评测：（a）响应时间：从事件开始到结束之间的时间；计算机完成某一任务所花费的全部时间。（b）流量：单位时间内所完成的工作量。（c）假定两台计算机 x、y；x比 y 快意思为：对于给定任务，x的响应时间比y少。x的性能是y的几倍是指：响应时间x /响应时间y = n，响应时间与性能成反比。 16、大概率事件优先原则：（基本思想）对于大概率事件（最常见的事

第4章用软件方法开发指令级并行

高等计算机系统结构第4 章用软件方法开发指令级并行4.1 开发指令级并行的基本编译技术 4.1.1 基本流水线调度和循环展开提高流水线性能的思路： Speedup= CPI unpipelined/CPI pipelined CPI pipelined = Ideal pipeline CPI+ pipelined stall cycles per instruction Pipeline CPI = Ideal pipeline CPI + Structural stalls + RAW stalls + WAR stalls + WAW stalls + Control stalls 所以,缩小CPI pipelined的途径就是:减少各种竞争造成的停顿周期数

各种高级流水线技术及其作用对象技术作用(减少某类Stall) Forwarding and bypassing Potential data hazard stalls Delayed branches and simples branch scheduling Control stalls Loop unrolling Control stalls Basic pipeline scheduling RAW stalls Dynamic scheduling with scoreboarding RAW stalls Dynamic scheduling with register renaming WAR & WAW stalls Dynamic branch prediction Control stalls Issuing multiple instruction per cycle Ideal CPI Compiler dependence analysis Ideal CPI & data stalls Software pipelining and trace scheduling Ideal CPI & data stalls Compiler speculation Ideal CPI & data stalls Speculation data and control stalls Dynamic memory disambiguation RAW stalls involving memory