8. 假定有一个程序的指令序列为“lw, add, lw, add, …”。add指令仅依赖它前面的lw指令，而lw指令也仅依赖它前面的add指令，寄存器写口和寄存器读口分别在一个时钟周期的前、后半个周期内独立工作。请问：（1）在带转发的五段流水线中执行该程序，其CPI为多少？
（2）在不带转发的五段流水线中执行该程序，其CPI为多少？
参考答案：（1）因为lw指令和add指令之间存在一个load- use数据冒险，所以每个lw指令和add指令之间要有一次流水线阻塞。而add指令和lw指令之间的数据冒险可通过数据转发解决。即：CPI为1.5
（2）如果没有转发，而寄存器写口和寄存器读口分别在一个时钟周期的前、后半个周期内工作，则在每条lw指令和add指令之间将会有两个阻塞，这样每条指令相当于都要有三个时钟才能完成。即：CPI为3
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9. 假定在一个带转发功能的五段流水线中执行以下程序段，则可以怎样调整以下指令序列使其性能达到最好？
参考答案：
1 2 3 4 5 6 7
因为采用“转发”技术，所以，只要对load-use数据冒险进行指令序列调整。从上述指令序列来看，第1和第2条指令、第6和第7条指令之间存在load-use数据冒险，所以，可将与第2和第3条指令无关的第4条指令插入第2条指令之前；将无关的第5条指令插入第7条指令之前。调整顺序后的指令序列如下（粗体部分为变换了位置的指令）。
lw $2, 100($6) add $6, $4, $7 add $2, $2, $3 lw $3, 200($7) lw $2, 300($8) sub $3, $4, $6 beq $2, $8, Loop
lw $2, 100($6) add $2, $2, $3 lw $3, 200($7) add $6, $4, $7 sub $3, $4, $6 lw $2, 300($8) beq $2, $8, Loop
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10. 在一个采用“取指、译码/取数、执行、访存、写回”的五段流水线中，若检测结果是否为“零”的操作在执行阶段进行，则分支延迟损失时间片（即分支延迟槽）为多少？以下一段MIPS指令序列中，在考虑数据转发的情况下，哪些指令执行时会发生流水线阻塞？各需要阻塞几个时钟周期？ 1 loop:
2
3 4 5 6 7 8
add $t1, $s3, $s3 add $t1, $t1, $t1 add $t1, $t1, $s6 lw $t0, 0($t1) bne $t0, $s5, exit add $s3, $s3, $s4 j
loop
exit:
参考答案：
若检测操作在执行阶段进行，则分支延迟损失时间片（即分支延迟槽）为2。
分析：发生数据相关的是：第1和第2条指令之间关于$t1，第2和第3条指令之间关于$t1，第3和第4条指令之间关于$t1，第4和第5条指令之间关于$t0，以及第6和第1条指令之间关于$s3。此外，第5和第7条指令的执行都会发生控制相关。
对于数据冒险，如果不采用“转发”，而是简单地通过加入nop指令来避免冒险的话，那么应该在第2、3、4、5条指令前各加两条nop指令，以消除数据相关；对于第6条和第1条指令之间的数据相关，则可通过在第7条“j loop”指令后面加一条或两条nop指令消除（这样同时还能解决第7条“j loop”指令的控制冒险）；
此处，第2、3、4条指令所需的操作数可通过“转发”得到，无需加nop指令。第5条bne指令所需的操作数$t0是load-use冒险，不能用“转发”解决问题，需要在第5条指令前加一条nop指令，或通过硬件将第5条指令的执行阻塞一个时钟周期。
j指令如果在译码阶段就根据译码结果计算跳转目标地址，那么j指令后面指令会被阻塞1个时钟周期，若在执行阶段计算，则要阻塞2个时钟周期。
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------------------------- 其它
11. 假设数据通路中各主要功能单元的操作时间为：存储单元：200ps；ALU和加法器：100ps；
寄存器堆读口或写口：50ps。程序中指令的组成比例为：取数25%、存数10%、ALU52%、分支11%、跳转2%。假设时钟周期取存储器存取时间的一半，MUX、控制单元、PC、扩展器和传输线路等的延迟都忽略不计，则下面的实现方式中，哪个更快？快多少？ （1）单周期方式：每条指令在一个固定长度的时钟周期内完成；
（2）多周期方式：每类指令时钟数：取数-7，存数-6，ALU-5，分支-4，跳转-4； （3）流水线方式：取指1、取指2、取数/译码、执行、存取1、存取2、写回7段流水
线；没有结构冒险；数据冒险采用“转发”技术处理；load指令与后续各指令之间存在依赖关系的概率分别1/2、1/4、1/8、…；分支延迟损失时间片为2，预测准确
率为75%；不考虑异常、中断和访问失效引起的流水线冒险。 参考答案：
单周期：存储器操作变为两个时钟周期后，其数据通路的时钟周期不变，为600ps
多周期：CPI=0.25x7+0.10x6+0.52x5+0.11x4+0.02x4 = 5.47
存储器操作变为两个时钟周期后，多周期数据通路的时钟周期为100ps， 故一条指令的执行时间为100x5.47=547ps
流水线：存储器操作变为两个时钟周期后，其流水线包含了7个阶段.
对于ALU指令，随后的数据相关指令都可通过转发解决，故CPI=1 对于Store指令，不会发生数据冒险，故CPI=1
对于Jump指令，总要等到译码结束才能确定转移地址，故CPI=3（取指1,2，译码）
对于beq，若预测正确，则为1个周期，若预测错误，则为3个周期，故
CPI=1/4x3+3/4x1=1.5
对于load，随后第一条则为3个（阻塞2个）周期；随后第二条则为2个（阻塞1个）
周期，以后的指令都不需要阻塞，故CPI=1/2x3+1/4x2+2/8x1=2.25
平均CPI为：2.25x25%+1x10%+1x52%+1.5x11%+3x2%=1.41 所以， 1条指令的执行时间为1.41x100=141(ps)
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12.假设有一段程序的核心模块中有五条分支指令，该模块将会被执行成千上万次，在其中一次执行过程中，五条分支指令的实际执行情况如下（T：Taken；N：not Taken）。
分支指令1（B1）：T–T–T。 分支指令2（B2）：N–N–N–N。 分支指令3（B3）：T–N–T–N–T–N。 分支指令4（B4）：T–T–T–N–T。 分支指令5（B5）：T–T–N–T–T–N–T。
假定各个分支指令在每次模块执行过程中实际执行情况都一样，并且动态预测时，每个分支指令都有各自的预测表项，每次执行时的初始预测位都相同。请给出以下几种预测方案的预测准确率。
（1）静态预测，总是预测转移 （Taken）。 （2）静态预测，总是预测不转移（not Taken）。 （3）一位动态预测，初始预测转移 （Taken）。 （4）二位动态预测，初始预测弱转移（Taken）。 【分析解答】
预测准确率=预测正确次数/总预测次数×100%。以下R表示正确预测次数，W表示错误预测次数。
（1）B1: R-3, W-0； B2: R-0, W-4； B3: R-3, W-3； B4: R-4, W-1； B5: R-5, W-2；60% （2）B1: R-0, W-3； B2: R-4, W-0； B3: R-3, W-3； B4: R-1, W-4； B5: R-2, W-5；40% （3）B1: R-3, W-0； B2: R-3, W-1； B3: R-1, W-5； B4: R-3, W-2； B5: R-3, W-4；52% （4）B1: R-3, W-0； B2: R-3, W-1； B3: R-3, W-3； B4: R-4, W-1； B5: R-5, W-2；72% B4 静态预测，总是预测转移 总是预测不转移 一位动态预测，初始预测转移 二位动态预测，初始预测弱转移
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T 对 T 对 T 对 N 错 T 对 错 错 错 对 错 对 对 对 错(N) 错 对(强转移) 对(强转移) 对(强转移) 错(弱转移) 对