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4.4。
LOOP: L.D F0,0(R1)
MUL.D F0,F0,F2
L.D F4,0(R2)
ADD.D F0,F0,F4
S.D F0,0(R2)
DSUBI R1,R1,#8
DSUBI R2,R2,#8
BNEZ R1,LOOP
解：将循环展开两次，进行指令调度，即可以消除延迟，代码如下：
LOOP： L.D F0，0（R1）
L.D F10，-8（R1）
MUL.D F0，F0，F2
MUL.D F10，F10，F2
L.D F4，0（R2）
L.D F14，-8（R2）
ADD.D F0，F0，F4
ADD.D F10，F10，F14
DSUBI R1，R1，16
S.D 0（R2），F0
DSUBI R2，R2，16
BNEZ R1，LOOP
S.D 8（R2），F10
4.4 假设有一条长流水线，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：（1）程序执行的CPI = 没有分支的基本CPI（1） + 分支带来的额外开销
分支带来的额外开销是指在分支指令中，缓冲命中但预测错误带来的开销与缓冲没有命中带来的开销之和。
分支带来的额外开销= 15% * (90%命中×10%预测错误×4 + 10％没命中×3)= 0.099
所以，程序执行的CPI ＝ 1 ＋ 0.099 = 1.099
（2）采用固定的2 个时钟周期延迟的分支处理CPI = 1 + 15%×2 = 1.3
由（1）（2）可知分支目标缓冲方法执行速度快。
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：设每条无条件转移指令的延迟为x，则有：
1＋5%×x＝1.1
x＝2
当分支目标缓冲命中时，无条件转移指令的延迟为0。
所以 程序的CPI ＝ 1 ＋ 2 × 5% ×(1 －90%) ＝1.01
4.6 下面的一段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 = a X + 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，浮点和整数部件均采用流水。整数操作之间以及与其它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 F2,0(R1)
MUT.D F4,F2,F0
L.D F6,0(R2)
ADD.D F6,F4,F6
S.D F6,0[R2]
DADDIU R1,R1,#8
DADDIU R2,R2,#8
DSUBIU R3,R1,#DONE
BNEZ R3, FOO
(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值平均需要多少时间？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) 对于采用如图4.8前瞻执行机制的MIPS处理器（只有一个整数部件）。当循环第二次执行到
BNEZ R3,FOO
时，写出前面所有指令的状态，包括指令使用的保留站、指令起始节拍、执行节拍和写结果节拍，并写出处理器当前的状态。
(2) 对于2路超标量的MIPS流水线，设有两个指令流出部件，可以流出任意组合的指令，系统中的功能部件数量不受限制。将上述循环展开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？
(3) 对于如图4.13结构的超长指令字MIPS处理器，将上述循环展开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？
解：（1）
L.D F2, 0(R1) 1
Stall
MUT.D F4, F2, F0 2
L.D F6, 0(R2) 3
Stall
Stall
ADD.D F6, F4, F6 4
Stall
Stall
S.D F6, 0[R2] 5
DADDIU R1, R1, #8 6
DADDIU R2, R2, #8 7
DSUBIU R3, R1, #DONE 8
BNEZ R3, FOO 9
所以，共有14 个时钟周期，其中有5 个空转周期。
（2）循环顺序展开4 次，不进行任何指令调度，则指令1～5 及其间的stall 都是必要的，只是指令6～9 只需执行一次，因此，共有 10 × 4 ＋ 4 ＝ 44 个时钟周期，计算出4 个Y 值，所以计算一个Y 值需要11 个时钟周期，加速比为：14/11 = 1.27 。加速主要是来自减少控制开销，即减少对R1、R2 的整数操作以及比较、分支指令而来的。
（3）循环顺序展开4 次，优化和调度指令，如下：
L.D F2, 0(R1)
L.D F8, 8(R1)
L.D F14, 16(R1)
L.D F20, 24(R1)
MUT.D F4, F2, F0
MUT.D F10, F8, F0
MUT.D F16, F14, F0
MUT.D F22, F20, F0
L.D F6, 0(R2)
L.D F12, 8(R2)
L.D F18, 16(R2)
L.D F24, 24(R2)
ADD.D F6, F4, F6
ADD.D F12, F10, F12
ADD.D F18, F16, F18
ADD.D F24, F22, F24
S.D F6, 0[R2]
S.D F12, 8[R2]
S.D F18, 16[R2]
S.D F24, 24[R2]
DADDIU R1, R1, #32
DADDIU R2, R2, #32
DSUBIU R3, R1, #DONE
BNEZ R3, FOO
共用了24 个时钟周期，则计算一个Y 值平均需要 24/4 = 6 个时钟周期，
加速比：14/6 = 2.33
（4）
指令 指令执行时钟
流出 执行 写结果 确认
L.D F2, 0（R1） 1 2 3 4
MUL.D F4, F2, F0 2 4 5 6
L.D F6, 0（R2） 3 4 6 7
ADD.D F6, F4, F6 4 8 9 10
S.D F6, 0（R2） 5 11 12 13
DADDIU R1, R1, #8 6 7 8
DADDIU R2, R2, #8 7 8 9
DSUBIU R3,R1,#DONE 8 9 10
BNEZ R3, FOO 9 10
L.D F2, 0（R1） 10 11 13 14
MUL.D F4, F2, F0 11 13 14 15
L.D F6, 0（R2） 12 13 15 16
ADD.D F6, F4, F6 13 17 18 19
S.D F6, 0（R2） 14 20 21 22
DADDIU R1, R1, #8 15 16 17
DADDIU R2, R2, #8 16 17 18
DSUBIU R3,R1,#DONE 17 18 19
BNEZ R3, FOO 18
名称 保留站
Busy Op Vj Vk Qj Qk Dest A
Add1 yes ADD.D Regs[F4] Regs[F6 ]
Add2 no
Add3 no
Mult1 yes
Mult2 no
项号 ROB
Busy 指令 状态 目的 Value
1 yes ADD.D F6, F4, F6 执行 F6 Regs[F4]＋Regs[F6]
2 yes S.D F6, 0（R2） 流出 Mem[0+Regs[R2]] #2
字段 浮点寄存器状态
F0 F2 F4 F6 F8 F10 … F30
ROB项编号 1
Busy yes …
（5）
整数指令 浮点指令 时钟周期数
L.D F2, 0(R1) 1
L.D F8, 8(R1) 2
L.D F14, 16(R1) MUT.D F4, F2, F0 3
L.D F20, 24(R1) MUT.D F10, F8, F0 4
L.D F6, 0(R2) MUT.D F16, F14, F0 5
L.D F12, 8(R2) MUT.D F22, F20, F0 6
L.D F18, 16(R2) ADD.D F6, F4, F6 7
L.D F24, 24(R2) ADD.D F12, F10, F12 8
DADDIU R1, R1, #32 ADD.D F18, F16, F18 9
S.D F6, 0(R2) ADD.D F24, F22, F24 10
S.D F12, 8(R2) 11
S.D F18,16(R2) 12
S.D F24, 24(R2) 13
DADDIU R2, R2, #32 14
DSUBIU R3, R1, #DONE 15
BNEZ R3, FOO 16
计算一个Y值需要 16/4 = 4 个时钟周期，加速比 = 14/4 = 3.5
（6）
访存1 访存2 浮点指令1 浮点指令2 整数指令 时钟
周期
L.DF2, 0(R1) L.D F8, 8(R1) 1
L.DF14, 16(R1) L.DF20, 24(R1)
L.DF6, 0(R2) L.DF12, 8(R2) MUT.DF4, F2, F0 MUT.DF10, F8, F0 3
L.DF18, 16(R2) L.DF24, 24(R2) MUT.DF16, F14, F0 MUT.DF22, F20, F0 4
ADD.DF6, F4, F6 ADD.DF12, F10, F12 5
ADD.DF18, F16, F18 ADD.DF24, F22, F24 DADDIU R1, R1, #32 6
DADDIU R2, R2, #32 7
DSUBIUR3, R1, #DONE 8
BNEZ R3, FOO 9
S.DF6, -32(R2) S.DF12, -24(R2) 10
S.DF18,-16(R2) S.DF24, -8(R2) 11
计算一个Y值需要 11/4 个时钟周期，加速比 = 14/(11/4) = 56/11
VC++， C 数据库概论，j2ee, 计算机网络 第四版 特南鲍姆 Tanenbaum《计算机体系结构》,张晨曦等,高等教育出版社. 《计算机系统结构》,郑纬民
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