4．假设有一个长流水线，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？

（1）根据题意，分支预测命中的概率为0.9，分支预测不命中的概率为0.1，命中后预测正确的概率为0.9，预测错误的概率为0.1，分支预测开销为4个时钟周期，缓冲不命中开销为3个时钟周期，分支频率为15%。没有分支的基本CPI为1，因此可以计算程序执行的CPI如下：

CPI = 1 + 分支频率 * (分支预测命中次数 * 分支预测正确的概率 * 分支预测开销 + 分支预测不命中次数 * 缓冲不命中的概率 * 缓冲不命中开销)
    = 1 + 0.15 * (0.9 * 0.9 * 4 + 0.1 * 0.3 * 3)
    = 1.0455

因此，程序执行的CPI为1.0455。

（2）相对于采用固定的2个时钟周期延迟的分支处理，使用分支目标缓冲的程序执行速度更快，因为分支目标缓冲可以提高分支预测的精度，从而减少分支预测错误的次数，减少程序的执行时间。在这个例子中，分支预测的精度为90%，因此使用分支目标缓冲可以更好地利用分支预测的精度，提高程序的执行效率。

相关问题

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？

程序的CPI值可以通过以下公式计算：

CPI = (指令数 + 目标缓冲未命中的分支数 * (分支延迟 - 1) + 目标缓冲命中的分支数 * 分支延迟) / 指令数

其中，指令数是程序中所有指令的总数，目标缓冲未命中的分支数是所有分支指令中未命中目标缓冲的指令数，目标缓冲命中的分支数是所有分支指令中命中目标缓冲的指令数，分支延迟是分支指令的延迟周期数。

根据题目所给的条件，我们可以得到以下数据：

- 分支目标缓冲的命中率为90%，即未命中的概率为10%；
- 程序中无条件转移指令的比例为5%，即有条件转移指令的比例为95%；
- 没有无条件转移指令的程序CPI值为1。

假设程序中有1000条指令，则有95% * 1000 = 950条有条件转移指令和50条无条件转移指令。如果分支目标缓冲中包含分支目标指令，则分支目标缓冲可以缓存所有的分支目标指令，因此目标缓冲未命中的分支数为950 * 10% = 95，目标缓冲命中的分支数为950 * 90% + 50 = 905。

假设分支指令的延迟为2个周期，则根据上述公式，程序的CPI值为：

CPI = (1000 + 95 * (2 - 1) + 905 * 2) / 1000 = 1.81

因此，程序的CPI值为1.81。可以看出，分支目标缓冲的命中率对程序的性能有着明显的影响，较高的分支目标缓冲命中率可以有效地减少分支延迟，提高CPU的执行效率。

写一个有9个输入输出端口的32位32位分支目标缓冲器

以下是一个有9个输入输出端口的32位32位分支目标缓冲器的Verilog代码：

module branch_target_buffer (
  input clk,
  input [4:0] index_in1,
  input [4:0] index_in2,
  input [4:0] index_in3,
  input [4:0] index_in4,
  input [4:0] index_in5,
  input [4:0] index_in6,
  input [4:0] index_in7,
  input [4:0] index_in8,
  input [4:0] index_in9,
  input [31:0] target_in1,
  input [31:0] target_in2,
  input [31:0] target_in3,
  input [31:0] target_in4,
  input [31:0] target_in5,
  input [31:0] target_in6,
  input [31:0] target_in7,
  input [31:0] target_in8,
  input [31:0] target_in9,
  input [4:0] index_out1,
  input [4:0] index_out2,
  input [4:0] index_out3,
  input [4:0] index_out4,
  input [4:0] index_out5,
  input [4:0] index_out6,
  input [4:0] index_out7,
  input [4:0] index_out8,
  input [4:0] index_out9,
  output reg [31:0] target_out1,
  output reg [31:0] target_out2,
  output reg [31:0] target_out3,
  output reg [31:0] target_out4,
  output reg [31:0] target_out5,
  output reg [31:0] target_out6,
  output reg [31:0] target_out7,
  output reg [31:0] target_out8,
  output reg [31:0] target_out9
);

reg [31:0] buffer [0:31];

always @(posedge clk) begin
  target_out1 <= buffer[index_out1];
  target_out2 <= buffer[index_out2];
  target_out3 <= buffer[index_out3];
  target_out4 <= buffer[index_out4];
  target_out5 <= buffer[index_out5];
  target_out6 <= buffer[index_out6];
  target_out7 <= buffer[index_out7];
  target_out8 <= buffer[index_out8];
  target_out9 <= buffer[index_out9];
  
  buffer[index_in1] <= target_in1;
  buffer[index_in2] <= target_in2;
  buffer[index_in3] <= target_in3;
  buffer[index_in4] <= target_in4;
  buffer[index_in5] <= target_in5;
  buffer[index_in6] <= target_in6;
  buffer[index_in7] <= target_in7;
  buffer[index_in8] <= target_in8;
  buffer[index_in9] <= target_in9;
end

endmodule

该模块有一个时钟输入和9个输入输出端口。每个输入端口都有一个5位索引和一个32位目标，用于将目标存储在缓冲器中。每个输出端口也都有一个5位索引，用于从缓冲器中检索目标。该缓冲器使用一个32位的RAM数组来存储目标，并在每个时钟上升沿时更新输出端口的值。