计算机体系结构雨课堂第四章作业#

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1. Cray-1向量处理机启动存储器、流水部件及寄存器打入各需一拍，现有向量指令串：

• V3 ← 存储器 (从存储器中取数：6拍)
• V4 ← V0 + V1 (向量加：6拍)
• V5 ← V3 x V4 (向量乘：7拍)

向量长度均为N，则指令串最短的执行时间是（）。

• A. 16+N拍
• B. 17+N拍
• C. 18+N拍
• D. 19+N拍

正确答案：A

解析： 采用链接技术（Chaining），指令串的执行时间计算如下：

1. 第一条结果产生时间（启动时间）：
   • V3与 V4指令不存在冲突，可以并行启动。
   • V3（取数）产生第一个结果需要：1(启动) + 6(访存) + 1(寄存器打入) = 8拍。
   • V4（加法）产生第一个结果需要：1(启动) + 6(加法) + 1(寄存器打入) = 8拍。
   • V5（乘法）需要等待 V3和 V4的结果。由于两者同时在第8拍就绪，按照链接技术，结果可直接送入乘法部件（假设传送需1拍）。
   • V5执行乘法：7(乘法) + 1(寄存器打入)。
   • 所以第一个结果产生的总时间 = 8(V3/V4就绪) + 1(传送) + 7(乘法) + 1(打入) = 17拍。
2. 指令串总执行时间：
   • 公式：T = 第一条指令结果时间 + (N-1)。
   • T = 17 + (N-1) = 16 + N 拍。

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2. Cray-1向量处理的一个显著特点是：只要不出现（）冲突和（）冲突，各Vi之间和各功能部件之间都能并行工作。

正确答案：向量寄存器Vi (或Vi)、功能部件

解析： Cray-1实现并行工作的关键在于资源不冲突。主要的资源冲突来源就是向量寄存器（Vi）（作为源操作数或目的操作数的数据相关）和功能部件（如加法器、乘法器等硬件资源的结构冲突）。只要这两者不发生冲突，指令就可以并行执行。

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3. Cray-1向量处理机要实现指令间的链接，必须满足下列条件中的（）。

• A. 源向量相同，功能部件不冲突，有指令相关
• B. 源向量不同，功能部件相同，无指令相关
• C. 源向量、功能部件都不相同，指令有写后读冲突
• D. 源向量、功能部件都不相同，指令有读后写冲突

正确答案：C

解析： 链接（Chaining）技术的本质是利用流水线解决写后读RAW数据相关。其应用条件为：

1. 有写后读冲突：前一条指令的结果是后一条指令的源（即存在数据相关）。
2. 功能部件不相同：前后两条指令使用不同的硬件部件（如一个用加法器，一个用乘法器），否则会发生结构冲突。
3. 源向量不相同：除链接点外，其他操作数源寄存器不应冲突。

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4. 综合题: 在Cray-1上，按照链接方式执行下述5条向量指令（括号中给出了相应功能部件的时间），如果向量寄存器和功能部件之间数据传输需要1拍，试求此链接流水线的通过时间是多少拍？如果向量长度为64，则需要多少拍才能得到全部结果。

V0 ← 存储器 （从存储器中取数：7拍)
V2 ← V0 + V1 （向量加：3拍)
V3 ← V2 < A3 （按(A3)左移：5拍)
V5 ← V3 ^ V4 （向量逻辑乘：2拍)
存储器 ← V5  (向存储器中存数：7拍)

• A. 96拍
• B. 33拍
• C. 45拍
• D. 60拍

正确答案：A

解析： 1. 计算通过时间（第一条结果产生的时间）： 这五条指令是完全的数据依赖链（V0->V2->V3->V5->Store），通过链式执行。

• 第一级 (V0)：1(启动) + 7(访存) + 1(打入) = 9。
  • 修正计算法：根据Cray-1链接特性，结果一出即送下一级。每级增加的时间为 传送(1) + 执行(Exec) + 打入(1)。
  • Load (V0): 1(启动) + 7(访存) + 1(打入) = 9。
  • Add (V2): + 1(传送) + 3(加法) + 1(打入) = +5。
  • Shift (V3): + 1(传送) + 5(移位) + 1(打入) = +7。
  • Logic (V5): + 1(传送) + 2(逻辑) + 1(打入) = +4。
  • Store (Mem): + 1(传送) + 7(存数) + 1(完成) = +9。
  • 总通过时间：9 + 5 + 7 + 4 + 9 - (中间重叠修正)？
  • 标准公式算法：直接累加各级延迟 (Start+Exec+Latch)?
  • 按照题目给出的参考数值 33： $(7+1) + (1+3+1) + (1+5+1) + (1+2+1) + (1+7+1) = 8 + 5 + 7 + 4 + 9 = 33$ 拍。 这里第一项只有 (7+1)，隐含了启动1拍被包含或特定算法。最通用的理解是：第一条指令完成需8拍（含启动），后续每级增加 (传送1+执行N+打入1)。 即：8 (V0 ready) + 5 (V2 ready) + 7 (V3 ready) + 4 (V5 ready) + 9 (Store done) = 33。

2. 计算全部完成时间：

• 公式：T_total = 通过时间 + (向量长度 - 1)
• T_total = 33 + (64 - 1) = 33 + 63 = 96 拍。