清华大学计算机体系结构习题解答：时间分析与流水线优化

本资源提供了清华大学计算机体系结构课程的部分习题答案，主要涉及流水线和指令执行方式的相关知识点。以下是详细解读： 1. **顺序执行方式** (习题5.3) 在顺序执行方式下，每条指令依次执行，不重叠。对于n条指令，总时间由单条指令的执行时间累加，即\( n \times (\Delta t + 2\Delta t + 3\Delta t) = n \times 6\Delta t \)。 2. **取指令与执行重叠** (习题5.3) 当取指令和执行阶段部分重叠时，第n+1条指令的取指令过程开始于第n条指令执行结束时刻，因此所需时间为\( n \times (2\Delta t + 3\Delta t) + \Delta t \)。 3. **先行控制方式** (习题5.3) 先行控制允许下一条指令提前开始准备，这里没有给出具体步骤，但通常意味着时间会减少，吞吐量增加。 4. **线性流水线** (习题5.7) 一条有4个功能段的流水线，每5个Δt投入一个任务，加上停顿时间，实际吞吐率为每\( (11n+1) \Delta t \)时间处理5n个任务。加速比和效率根据极限情况，吞吐率为\( \frac{5}{11} \)个任务/Δt，加速比是时间缩短的比例，效率是吞吐率除以理论最大吞吐率（无停顿时）。 5. **浮点加法器流水线** (习题5.8) 使用5段流水线，通过调整指令顺序以消除前后指令间的依赖，加法次数固定为9次，总时间21Δt，吞吐率为\( \frac{1}{21}\)次/Δt，加速比和效率可以通过计算得出。 6. **线性静态多功能流水线** (习题5.9) 此习题要求对不同功能段进行组合操作（加法和乘法），画出时空图并计算吞吐率、加速比和效率。由于缺乏具体的时空图和详细计算，需要根据题目提供的信息分析各个功能段的利用情况来确定这些指标。 以上知识点展示了流水线的不同类型、优化策略以及吞吐率、加速比和效率的计算方法，这些都是理解和设计高效计算机系统的关键概念。在解决这类问题时，需要考虑指令的并行执行、流水线的优化和资源分配，以及避免指令间的数据依赖，以提高系统的性能。