计算机体系结构张晨曦版本解答newWord下载.docx
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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：
（1）动态分支预测。
用来选择后续执行的指令。
（2）在控制相关的结果尚未出来之前，前瞻地执行后续指令。
（3）用动态调度方法对基本块的各种组合进行跨基本块的调度。
ROB：
再定序缓冲，前瞻执行允许指令乱序执行，但要求按程序顺序确认，为此设置ROB，用以保存指令执行完毕到指令得到确认间的所有指令及其结果。
超标量：
超标量处理机的典型结构是有多个操作部件，每个时钟周期流出的指令数不定，但有上限。
可通过多个独立的操作部件实现多指令的并行，使CPI的值小于1。
超流水：
将流水段进一步化，在一个时钟周期内能够分时流出多条指令，使CPI的值小于1。
超长指令字：
这种指令字很长，被分割成多个字段，每个字段称为一个指令槽，直接独立控制一个功能部件。
每个时钟周期流出的指令数是固定的，它们构成一条长指令，或说是一个混合指令包，只能通过编译静态调度。
循环展开：
通过多次复制循环体并改变结束条件来相对增加有效操作时间，用于指令调度的一种方式。
4.2简述Tomasulo算法的基本思想。
（1）记录和检测指令相关，操作数一旦就绪就立即执行，把发生RAW冲突的可能性减少到最小；
（2）通过寄存器换名来消除WAR和WAW冲突。
4.3根据需要展开下面的循环并进行指令调度，直到没有任何延迟。
指令的延迟如表4.3。
表4.3本章使用的浮点流水线的延迟
浮点计算
另外的浮点计算
3
浮点存操作（SD）
2
浮点取操作（LD）
1
LOOP:
L.D
F0,0（R1）
（一次空转）
MULT.D
F0,F0,F2
F4,0（R2）
（二次空转）
ADD.D
F0,F0,F4
S.D
0（R2）,F0
DSUBI
R1,R1,#8
R2,R2,#8
BNEQZ
R1,LOOP
循环展开三次：
LD
F0,
0（R1）
F3,
-8（R1）
F6,
-16（R1）
MULTD
F2
F4,
0（R2）
F5,
-8（R2）
F7,
-16（R2）
ADDD
F4
F5
F7
SD
0（R2）,
F0
-8（R2）,
F3
-16（R2）,
F6
SUBI
R1,
#24
LOOP
R2,
展开二次也可
4.4假设有一个长流水线，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？
解答：
（1）CPI=1+[命中率预测错误率4+不命中率3]分支频率
=1+[0.90.14+0.13]0.15
=1+[0.36+0.3]0.15
=1+0.660.15
=1.099
（2）采用固定2时钟延迟
CPI=1+15%2=1.3
由CPI比较可知前一种方式更快
4.5假设分支目标缓冲的命中率为90%，程序中无条件转移指令的比例为5%，没有无条件转移指令的程序CPI值为1。
假设分支目标缓冲中包含分支目标指令，允许无条件转移指令进入分支目标缓冲，则程序的CPI值为多少？
解答：
CPI=1+5%（1-90%）3=1.0015
4．6下面一段MIPS汇编程序是计算高斯消去法中的关键一步，用于完成下面公式的计算：
Y=aX+Y
其浮点指令延迟如表4.3所示，整数指令均为1个时钟周期完成，浮点和整数部件均为流水。
整数操作之间以及与其他所有浮点操作之间的延迟为0，转移指令的延迟为0。
X中的最后一个元素存放在存储器中的地址为DONE。
FOO:
L.D
F2,
F4,
F6,
DADDIU
R1,
#8
R2,
BEQZ
（1）对于标准的MIPS单流水线，上述循环计算一个Y值需要多少时间？
其中有多少空转周期？
（2）对于标准的MIPS单流水线，将上述循环顺序展开4次，不进行任何指令调度，计算一个Y值需要多少时间？
加速比是多少？
其加速是如何获得的？
（3）对于标准的MIPS单流水线，将上述循环顺序展开4次，优化和调度指令，使循环处理时间达到最优，计算一个Y值平均需要多少时间，加速比是多少？
（1）
易知循环计算一个Y值需要15个时钟周期，其中有6个空转周期
;
loadX[i]
mutliplya*X[i]
loadY[i]
adda*X[i]+Y[i]
storeY[i]
incrementXindex
incrementYindex
DSUBIU
R3,
DONE
testifdone
FOO
loopifnotdone
（2）
二次空转）
BEQZ（一次空转）
8（R1）
8（R2）
8（R2）,
16（R1）
16（R2）
16（R2）,
test
if
done
loopif
notdone
24（R1）
mutliply
a*X[i]
24（R2）
load
Y[i]
add
a*X[i]+Y[i]
24（R2）,
store
#32
increment
Xindex
一次空转）
计算一个Y值平均需要：
45/4=11.25个时钟周期
加速比：
15/11.25=1.33
通过循环展开使得指令减少、
分支减少。
（3）
LD
F1,
F8,
F2,F0
F1,F0
F9
F7,F0
F10
F8F0
F11
F12
F9,
ADDI
SGTI
此时计算一个Y值需要：
24/4=6个时钟周期加速比：
15/6=2.5
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