指令系统和标量流水复习

指令系统和标量流水复习请同学们带着“复习要点”问题复习这两章内容，并争取完成“习题”的题目，这些题目在今后的习题课中讲解。一、复习要点1、指令系统（1）指令系统的种类和指令集组成；（2）如何评价指令系统的好坏；（3）指令系统的完整的设计步骤；（4）指令系统功能集的设计方法；（5）指令系统支持寻址方式和各指令支持寻址方式的设计方法；（6）指令操作码设计方法、操作码扩展方法；（7）指令字格式设计及优化设计原理、方法；（8）RISC和CISC比较，及RISC特征。2、标量流水（1）重叠、先行控制和标量流水的发展过程及区别；（2）标量流水的目标及实现条件；（3）标量流水的属性、性能指标；（4）标量流水的障碍及解决方法；（6）非线性流水线的调度及优化调度方法；（7）流水线的完整设计步骤，及如何才能提高流水线的性能；（8）分布式动态调度的原理及方法。二、习题1、指令系统A．在一个36位长的指令系统中，设计出能够同时满足下列3个要求的指令扩展操作码。（1）7条具有两个15位地址和一个3位地址的指令；（2）500条具有一个15位地址和一个3位地址的指令；（3）50条无地址指令。B.设有一台简单计算机，其指令系统共有10条指令，各指令的使用频率如下表：指令使用频率指令使用频率指令使用频率指令使用频率指令使用频率I120%I212%I311%I415%I58%I63%I72%I818%I910%I101%（1）用霍夫曼编码设计这10条指令的操作码，并计算操作码的平均码长。（2）设计只有两种长度，且平均长度不大于3.20的等长扩展操作码，并计算操作码的平均长度。C.某计算机指令字长为16位，地址码位6位，指令系统只有一地址和二地址两种指令格式，设共有N条二地址指令，试问一地址指令最多可以有多少条？D.假设某计算机指令字长为20位，具有双操作数、单操作数和无操作数3种指令格式，每个操作数地址规定用6位表示。若现已设计出：m条双操作数指令，n条无操作数指令，问此时最多可设计多少条单操作数指令？请用算式表示。E.某机字长为24位，CPU中有16个32位通用寄存器，试设计一种至少能容纳200种操作，并至少有10种寻址方式的指令系统。如果用寄存器间接寻址方式，能访问的最大主存空间是多少（假定存储器按字节编址）？F．某模型机共有7种指令，各指令使用频率分别为0.35，0.25，0.20，0.10，0.05，0.03，0.02，有8个通用数据寄存器和2个变址寄存器。（1）要求操作码的平均码长最短，请设计操作码的编码，并计算所设计操作码的平均码长。（2）设计8位长度的寄存器-寄存器型指令3种，16位长度的寄存器-存储器变址寻址方式指令4条，变址范围不小于正、负127。请写出指令格式，并给出各字段的长度和操作码编码。2、标量流水A．有一个静态双功能流水线，由通过时间分别为△t，△t，2△t，△t，2△t五个段构成，其中乘法功能有1，2，3，5段构成，加法功能由1，4，5段构成，若要计算下列表达式∏（ai+bi），i=1~4。（1）画出计算表达式的时空图以及输入端的变化。（2）完成表达式计算需要多少时间？计算此时流水线的吞吐率和使用效率。（3）与顺序运算方式相比，其表达式计算的加速比是多少？B．假设一条长标量流水线，仅仅对条件转移指令使用分支目标缓冲。假设转移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。假设缓冲命中率为90%，预测正确率为90%。程序中转移指令频率为15%，没有转移的指令CPI为1。（1）求程序执行的CPI，注意说明求解过程。（2）相对于采取固定的2个时钟周期延迟的分支处理，分析哪种方法程序执行速度更快？C．在一台流水线多操作部件的处理机上执行下面的程序，取指令、指令译码各需要一个时钟周期，MOV、ADD、MUL和DIV操作各需要2个、3个、4个和5个时钟周期，不同操作部件可并行执行。每个操作都在操作的第一个时钟周期从通用寄存器中读取操作数，在操作的最后一个时钟周期把运算结果写到通用寄存器中。K：MOVR1，R0；R1←（R0）K+1：MULR0，R2，R1；R0←（R2）×（R1）K+2：ADDR0，R2，R3；R0←（R2）+（R3）K+3：DIVR4，R1，R3；R4←（R1）÷（R3）（1）就程序本身而言，哪些指令间可能存在何种类型的数据相关？（2）在程序执行过程中，（1）的数据相关哪几种会引起流水线停顿？为什么？（3）画出程序执行过程的流水线时-空图，并计算执行完这四条指令共使用了多少时钟周期。D．图中给出一个具有四个功能段的非线性流水线，任务通过流水线各段的顺序如图中所示。⑧②④⑤入口①出口③⑥⑦S1S2S3S4（1）画出流水线的预约表，列出禁止表F，画出流水线状态转换图。（2）列举所有选择方案，计算每种方案所需平均拍数，并从中找出最佳方案。（3）根据最佳调度方案输入5个任务，计算流水线的实际吞吐率和效率。