2022年2022年计算机系统结构 2.pdf

4.6 下面一段 DLX的汇编程序称为SAXPY ，用于完成下面公式的计算：Y = aX + Y其浮点指令延迟如表4.2 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它所有浮点操作之间的延迟为0，转移指令的延迟为0。FOO:LD f2, 0(r1) ；MULTD f4, f2, f0 ；LD f6, 0(r2) ；ADDD f6, f4, f6 ；SD 0(r2), f6 ；ADDI r1, r1, #8 ；ADDI r2, r2, #8 ；SGTI r3, r1, done ；BEQZ r3, FOO ；（1） 对于标准的DLX 单流水线， SAXPY 循环计算一个Y 值需要多少时间？其中有多少空转周期？解： 1 FOO: LD f2, 0(r1) ；Stall ； 从浮点取到浮点运算间的空转2 MULTD f4, f2, f0 ；3 LD f6, 0(r2) ；Stall ； 从浮点取到浮点运算间的空转Stall ； MULTD和 ADDD 两个浮点运算间共延迟3 个时钟4 ADDD f6, f4, f6 ；Stall ； 从浮点运算到浮点存0 间的空转Stall ；5 SD 0(r2), f6 ；6 ADDI r1, r1, #8 ；7 ADDI r2, r2, #8 ；8 SGTI r3, r1, done ；由题设，这之后没有空转9 BEQZ r3, FOO ；由题设，这之后没有空转所以，共有14 个时钟周期，其中有5 个空转周期。（2） 对于标准的DLX 单流水线，将SAXPY 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？解： 1 FOO: LD f2, 0(r1) ；2Stall ； 从浮点取到浮点运算间的空转3MULTD f4, f2, f0 ；4 LD f6, 0(r2) ；5Stall ； 从浮点取到浮点运算间的空转6Stall ； MULTD和 ADDD 两个浮点运算间共延迟3 个时钟7ADDD f6, f4, f6 ；8Stall ； 从浮点运算到浮点存之间的空转9Stall ；10SD 0(r2), f6 ；11 LD f8, 8 (r1) ；名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 5 页 - - - - - - - - - 12Stall ；13MULTD f10, f8, f0 ；14LD f12, 8 (r2) ；15Stall ；16Stall ；17ADDD f12, f10, f12 ；18Stall ；19Stall ；20SD 8 (r2), f12；21 LD f14, 16 (r1) ；22Stall ；23MULTD f16, f14, f0 ；24LD f18, 16 (r2) ；25Stall ；26Stall ；27ADDD f18, f16, f18 ；28Stall ；29Stall ；30SD 16 (r2), f18 ；31 LD f20, 24 (r1) ；32Stall ；33MULTD f22, f20, f0 ；34LD f24, 24 (r2) ；35Stall ；36Stall ；37ADDD f24, f22, f24 ；38Stall ；39Stall ；40SD 24 (r2), f24；41ADDI r1, r1, #8 ；42ADDI r2, r2, #8 ；43SGTI r3, r1, done ；由题设，这之后没有空转44 BEQZ r3, FOO ；由题设，这之后没有空转循环顺序展开4 次，不进行任何指令调度，则指令15 及其间的stall都是必要的，只是指令69 只需执行一次， 因此共有 104444 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） 对于标准的DLX 单流水线， 将 SAXPY 循环顺序展开4 次，优化和调度指令，使 SAXPY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：循环顺序展开4 次，优化和调度指令，如下：FOO:1.LD f2, 0(r1) 2.LD f8, 8 (r1) 3.LD f14, 16 (r1) 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 5 页 - - - - - - - - - 4.LD f20, 24 (r1) 5.MULTD f4, f2, f0 6.MULTD f10, f8, f0 7.MULTD f16, f14, f0 8.MULTD f22, f20, f0 9.LD f6, 0(r2) 10.LD f12, 8 (r2) 11.LD f18, 16 (r2) 12.LD f24, 24 (r2) 13.ADDD f6, f4, f6 14.ADDD f12, f10, f12 15.ADDD f18, f16, f18 16.ADDD f24, f22, f24 17.SD 0(r2), f6 18.SD 8 (r2), f12 19.SD 16 (r2), f18 20.SD 24 (r2), f24 21.ADDI r1, r1, #32 22.ADDI r2, r2, #32 23.SGTI r3, r1, done 24.BEQZ 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） 对于采用如图4.14 推断执行机制的DLX 处理器， 处理其中只有一个整数部件。当循环第二次执行到BEQZ 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。解：令再定序缓冲、浮点操作部件数量不限，只有一个整数部件。整数操作单周期完成，不进入再定序缓冲，无需确认。指令保留站流出执行写结果确认LD f2, 0(r1) 再定序缓冲 1# 1 2 3 4 MULTD f4, f2, f0 浮点乘法部件（再定序缓冲2#）2 4-13 14 15 LD f6, 0(r2) 再定序缓冲 3# 3 4 5 16 ADDD f6, f4, f6 浮点加法部件（再定序缓冲4#）4 15-16 17 18 SD 0(r2), f6 再定序缓冲 5# 5 18 19 20 ADDI r1, r1, #8 整数加法部件6 ADDI r2, r2, #8 整数加法部件7 SGTI r3, r1, done 整数加法部件8 BEQZ r3, FOO 整数加法部件9 LD f2, 0(r1) 再定序缓冲 6# 10 11 12 21 MULTD f4, f2, f0 浮点乘法部件（再定序缓冲7#）11 13-22 23 24 LD f6, 0(r2) 再定序缓冲 8# 12 13 15 25 ADDD f6, f4, f6 浮点加法部件（再定序缓冲9#）13 24-25 26 27 SD 0(r2), f6 再定序缓冲 10# 14 27 28 29 ADDI r1, r1, #8 整数加法部件15 ADDI r2, r2, #8 整数加法部件16 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 5 页 - - - - - - - - - SGTI r3, r1, done 整数加法部件17 BEQZ r3, FOO 整数加法部件18 第 18 个时钟周期CPU的状态为：浮点加保留站浮点乘保留站浮点寄存器状态F0 F2 F4 F6 再定序缓冲序号4# 忙N N N Y 注：浮点功能部件数量不限。（5） 对于两路超标量的DLX 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 SAXPY 循环展开 4 次，优化和调度指令，使 SAZPY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：解法 1：整数指令浮点指令时钟周期数F00： LD f2, 0(r 1) 1 LD f8, 8 (r 1) 2 LD f14, 16 (r1) MULTD f4, f2, f0 3 LD f20, 24 (r1) MULTD f 10, f8, f0 4 LD f6, 0(r2) MULTD f16, f14, f0 5 LD f12, 8 (r2) MULTD f22, f20, f0 6 LD f18, 16 (r2) ADDD f6, f4, f6 7 LD f24, 24 (r2) ADDD f12, f10, f12 8 ADDI r1, r1, #32 ADDD f18, f16, f18 9 SD 0(r2), f6 ADDD f24, f22, f24 10 SD 8 (r2), f12 11 SD 16 (r2), f18 12 SD 24 (r2), f24 13 ADDI r2, r2, #32 14 SGTI r3, r1, done 15 BEQZ r3, F00 16 计算一个 Y 值需要 16/4 = 4 个时钟周期，加速比= 14/4 = 3.5 忙操作Vj Vk Qj Qk 目的N 2 N 1 Y ADDD MemRegsr2 7# f6 忙操作Vj Vk Qj Qk 目的N 2 N 1 Y MULTD MemRegsr1 RegsF0 f4 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 5 页 - - - - - - - - - 解法 2：整数指令浮点指令时钟周期数F00： LD f2, 0(r 1) LD f8, 8 (r 1) 1 LD f14, 16 (r1) LD f20, 24 (r1) 2 LD f6, 0(r2) MULTD f4, f2, f0 3 LD f12, 8 (r2) MULTD f 10, f8, f0 4 LD f18, 16 (r2) MULTD f16, f14, f0 5 LD f24, 24 (r2) MULTD f22, f20, f0 6 ADDI r1, r1, #32 ADDD f6, f4, f6 7 ADDI r2, r2, #32 ADDD f12, f10, f12 8 SGTI r3, r1, done ADDD f18, f16, f18 9 SD -32(r2), f6 ADDD f24, f22, f24 10 SD -24 (r2), 11 SD -16 (r2), f18 12 SD -8 (r2), f24 13 BEQZ r3, F00 14 计算一个 Y 值需要 14/4 = 3.5 个时钟周期，加速比= 14/3.5 = 4（6） 对于如图 4.19 结构的超长指令字DLX 处理器，将SAXPY 循环展开 4 次，优化和调度指令，使SAXPY 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：访存 1 访存 2 浮点操作 1 浮点操作 2 整数操作时钟周期LD f2, 0(r1) LD f8, 8 (r1) 1 LD f14, 16 (r1) LD f20, 24 (r1) 2 LD f6, 0(r2) LD f12, 8 (r2) MULTD f4,f2, f0 MULTD f10,f8,f0 3 LD f18, 16 (r2) LD f24, 24 (r2) MULTD f16,f14,f0 MULTD f22,f20,f0 4 5 6 ADDD f6, f4, f6 ADDD f12,f10,f12 7 ADDD f18,f16,f18 ADDD f24,f22,f24 ADDI r1,r1,#32 8 ADDI r2,r2,#32 9 SD -32 (r2), f6 SD -24 (r2), f12 SGTI r3,r1,done 10 SD -16 (r2), f18 SD -8 (r2), f24 BEQZ r3, F00 11 计算一个 Y 值需要11/4 =2.75 个时钟周期，加速比= 14/(11/4) = 56/11=5.09名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 5 页 - - - - - - - - -