计算机系统结构
（3） 采用循环开采技术，加快循环的处理； （4） 采用多处理机系统，进一步提高性能。
3.12 有一指令流水线如下所示
入 1 2 3 4 出 50ns 50ns 100ns 200ns
（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）
Tpipeline???ti?(n?1)?tmaxi?1m?(50?50?100?200)?9?200 ?2200(ns)TP?nTpipeline?1220(ns?1)
E?TP???ti?1mim?TP?4005??45.45% 411（2）瓶颈在3、4段。
? 变成八级流水线（细分）
入
150ns250ns3_150ns3_250ns4_150ns4_450ns出Tpipeline???ti?(n?1)?tmaxi?1m?50?8?9?50?850(ns)TP?nTpipelinem
?185(ns?1)
E?TP???tii?1m?TP?40010??58.82% 817? 重复设置部件
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TP?nTpipeline?185(ns?1)
E?400?10
850?8?1017?58.82%
段 4_4 4_3 4_2 4_1 3_2 3_1 2 211432 768 109 8 57 6 3 4 1 109 5 时间 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 850ns 3.13有一个流水线由4段组成，其中每当流经第3段时，总要在该段循环一次，然后才能流到第4段。如果每段经过
4-1 一次所需要的时间都是?t，问： 4-2 3-1 （1） 当在流2 1 水线的4-3 3-2 输入端连续地4-4 每?t时
间输入任务时，该流水线会发生什么情况？ （2） 此流水线的最大吞吐率为多少？如果每2?t输入一个任务，连续处理10个任务
时的实际吞吐率和效率是多少？ （3） 当每段时间不变时，如何提高该流水线的吞吐率？仍连续处理10个任务时，其
吞吐率提高多少？
解：（1）会发生流水线阻塞情况。 第1个任务 第2个任务 第3个任务 第4个任务 S1 S2 S1 S3 S2 S1 S3 stall stall S4 S3 S2 S1 S3 stall stall S4 S3 S2 S3 stall S4 S3 S3 S4
（2）
段 4 2 6 7 3 4 5 8 9 10 3 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10 2 5 1 2 3 4 6 7 8 9 10 时间 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 23 ? t 1第 7 页 共 17 页
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TPmax?TpipelineTp?n12?t?23?tTpipeline?1023?t
?E?TP?5?t?50?54.35I2
（3）重复设置部件
Δt 3_1 1 2 4 3_2 Δt Δt Δt Δt
段 4 3_2 3_1 2 1 111 24 34 46 56 68 78 8 9 10 1 1 2 3 245 3 56 5 67 5 78 7 89 7 9 9 1010 9 10 23 34 时间 21014 ?t
TP?nTpipeline?1014??t7?t23?t?57??t
5吞吐率提高倍数＝
10＝1.64
3.14 有一条静态多功能流水线由5段组成，加法用1、3、4、5段，乘法用1、2、5段，第3段的时间为2△t，其余各段的时间均为△t，而且流水线的输出可以直接返回输入端或 4?) ，画出其时空图，并计暂存于相应的流水寄存器中。现要在该流水线上计算 ( A B i i
i?1算其吞吐率、加速比和效率。
? 1 △t 加法 2△t △t △t 2 △t 3 乘法 4 5
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解：首先，应选择适合于流水线工作的算法。对于本题，应先计算A1＋B1、A2＋B2、A3＋B3和A4＋B4；再计算(A1＋B1) ×(A2＋B2)和(A3＋B3) ×(A4＋B4)；然后求总的结果。
其次，画出完成该计算的时空图，如图所示，图中阴影部分表示该段在工作。
段 5 4 3 2 1 A B C D A×B C×D A×B×C×D A=A1＋B1 B=A2＋B2 C=A3＋B3 D=A4＋B4 输0 1 2 3 入4 5 6 7 8 9 A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4 10 11 12 13 14 15 16 17 18 A×B A C B D C×D 时间
由图可见，它在18个△t时间中，给出了7个结果。所以吞吐率为：
7 TP?
18?t如果不用流水线，由于一次求积需3△t，一次求和需5△t，则产生上述7个结果共需（4×5+3×3）△t =29△t。所以加速比为：
2 9 ? t
S??1.6118?t该流水线的效率可由阴影区的面积和5个段总时空区的面积的比值求得： 4 ? ? 53 ? 3E??0.3225?18
3.15 动态多功能流水线由6个功能段组成，如下图：
S1 S2 S3 加法 S4 乘法 S5 S6
其中，S1、S4、S5、S6组成乘法流水线，S1、S2、S3、S6组成加法流水线，各个功能段时间均为50ns，假设该流水线的输出结果可以直接返回输入端，而且设置有足够的缓冲寄存器，若以最快的方式用该流水计算：
?xyziii?15i
（1） 画出时空图； （2） 计算实际的吞吐率、加速比和效率。 解：机器一共要做10次乘法，4次加法。
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3.18 在CRAY-1机器上，按照链接方式执行下述4条向量指令（括号中给出了相应功能部件的执行时间），如果向量寄存器和功能部件之间的数据传送需要1拍，试求此链接流水线的通过时间是多少拍？如果向量长度为64，则需多少拍才能得到全部结果？ V0←存储器 （从存储器中取数：7拍） V2←V0+V1 （向量加：3拍）
V3←V2 解：通过时间就是每条向量指令的第一个操作数执行完毕需要的时间，也就是各功能流水线由空到满的时间，具体过程如下图所示。要得到全部结果，在流水线充满之后，向量中后继操作数继续以流水方式执行，直到整组向量执行完毕。 访存存储器V0V1V2V3V4V5向量加左移向量逻辑乘A3 T通过＝（7＋1）＋（1＋3＋1）＋（1＋4＋1）＋（1＋2＋1）＝23（拍）T总共?T通过＋（64－1）＝23＋63＝86（拍） 第4章 指令级并行 第 10 页 共 17 页