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管道解决方案

作5.2 设一条指令的执行过程分为“取指令”、“分析”和“执行”三段,每一段的执行时间分别为Δt、2Δt和3Δt。在下列各种情况下,分别写出连续执行n条指令所需要的时间表达式。 (1)顺序执行方式。 (2)仅“取指令”和“执行”重叠。 (3) “取指令”、“分析”和“执行”重叠 (4)先行控制方式 ;解: (1)顺序执行需要的时间如下: (2)取指令和执行重叠,即一次重叠执行方式,我们假设第n+1条指令的取指令和第n条指令的执行同时结束,那么所需要的时间为: (3)取指令、分析和执行重叠 (4)先行控制方式 ;1; ;例5. 2 以浮点加法运算为例(四段流水线)各段时间相等,求吞吐率、效率。 求Z=A+B+C+D+E+F+G+H,TP、E、Sp (注意有相关);例5.3 ASC计算机多功能算术运算流水线各段时间相等,6次浮点加、 5次定点乘的吞吐率,效率,加速比 m=8,n=11;题5.1 一条线性流水线有4个功能段组成,每个功能段的延迟时间都相等,都为Δt。开始5个Δt,每间隔一个Δt向流水线输入一个任务,然后停顿2个Δt,如此重复。求流水线的实际吞吐率、加速比和效率。 ;我们可以看出,在(11n+1)Δt的时间内,可以输出5n个结果,如果指令的序列足够长(n→∞),并且指令间不存在相关,那么,吞吐率可以认为满足: 加速比为: 从上面的时空图很容易看出,效率为: ;例5.4 用一条5个功能段的浮点加法器流水线计算 每个功能段的延迟时间均相等,流水线的输出端和输入端之间有直接数据通路,而且设置有足够的缓冲寄存器。要求用尽可能短的时间完成计算,画出流水线时空图,并计算流水线的实际吞吐率、加速比和效率。 [解答]首先需要考虑的是,10个数的的和最少需要做几次加法。我们可以发现,加法的次数是不能减少的:9次;于是我们要尽可能快的完成任务,就只有考虑如何让流水线尽可能充满,这需要消除前后指令之间的相关。由于加法满足交换率和结合率,我们可以调整运算次序如以下的指令序列,我们把中间结果寄存器称为R,源操作数寄存器称为A,最后结果寄存器称为F,并假设源操作数已经在寄存器中,???指令如下:;I1: R1←A1+A2 I2: R2←A3+A4 I3: R3←A5+A6 I4: R4←A7+A8 I5: R5←A9+A10 I6: R6←R1+R2 I7: R7←R3+R4 I8: R8←R5+R6 I9: F←R7+R8 这并不是唯一可能的计算方法。假设功能段的延迟为Δt。时空图如下,图中的数字是指令号。; 3;整个计算过程需要21Δt,所以吞吐率为: 加速比为: 效率为: ; 作5.5 流水线由4个功能部件组成,每个功能部件的延迟时间为⊿t。当输入10个数据后,间歇5⊿t ,又输入10个数据,如此周期性地工作,求此时流水线的吞吐率,并画出其时空图。;1; 作5.6 有一个浮点乘流水线如下图(a)所示,其乘积可直接返回输入端或暂存于相应缓冲寄存器中,画出实现A*B*C*D的时空图以及输入端的变化,并求出该流水线的吞吐率和效率;当流水线改为下图(b)形式实现同一计算时,求该流水线的效率及吞吐率。;[分析]为了减少运算过程中的操作数相关,A*B*C*D应改为采用((A*B)*(C*D)) 的算法步骤进行运算。 [解]按图(a)组织,实现A*B*C*D的时空关系如下图(A)所示。 ;时间

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