【分析解答】
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## 【分析解答】
(1) 单周期方式下，时钟周期为 200 + 50 + 100 + 200 + 50 = 600ps，故一条指令的执行时间为 600ps。
(2) 多周期方式下，CPI = 0.25 × 7 + 0.10 × 6 + 0.52 × 5 + 0.11 × 4 + 0.02 × 4 = 5.47，存储器操作变为在2个时钟周期内完成后，多周期数据通路的时钟周期为100ps，故平均一条指令的执行时间为 100 × 5.47 = 547ps。
(3) 流水线方式下，存储器操作变为在2个时钟周期内完成后，其流水线包含了7个阶段。
对于分支指令，若预测正确，则不需额外时钟周期，故只需1个时钟周期；若预测错误，则因为分支延迟损失时间片为2，所以应该将错误预取的2条指令冲刷掉，额外多用了2个时钟周期，因此，预测错误时共需3个时钟周期，故分支指令的 CPI = 0.25 × 3 + 0.75 × 1 = 1.5。
对于load指令，因为一个存储操作占用2个时钟周期，所以随后第1条指令则需3个（其中阻塞2个）时钟周期；随后第二条指令需2个（其中阻塞1个）时钟周期，以后的指令都不需要阻塞，故 CPI = 1/2 × 3 + 1/4 × 2 + 2/8 × 1 = 2.25。
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。
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对于jump指令，最快也要在译码阶段才能确定转移地址，因此需阻塞2个时钟周期，加上本身1个时钟周期，共3个时钟周期，故 $\mathrm{CPI} = 3$ 。
因此，综合 $\mathrm{CPI} = 0.25 \times 2.25 + 0.10 \times 1 + 0.52 \times 1 + 0.11 \times 1.5 + 0.02 \times 3 = 1.41$ 。所以，平均一条指令的执行时间为 $1.41 \times 100 = 141\mathrm{ps}$ 。
由上述分析可知，流水线处理器的指令执行速度最快，是单周期的 $600 / 141 \approx 4.26$ 倍，是多周期的 $547 / 141 \approx 3.844$ 倍。
12. 假设一段程序的核心模块中有 5 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，5 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) 两位动态预测，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。预测准确率 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。预测准确率 40%。
(3) 根据主教材图 6.21 所示的状态转换图，可以得到各分支点的预测情况如下。
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。预测准确率 52%。
具体每次的预测结果如图 6.10 所示。
B1 ① T ① T ① T
B2 ① X ⑥ Y ⑥ N ⑥ N
B3 ① T ① N ⑥ T ① N ⑥ T ① N
B4 ① T ① T ① T ① N ⑥ T
B5 ① T ① T ① N ⑥ T ① T ① N ⑥ T
图 6.10 一位动态预测(初始预测为转移)的预测情况
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(4) 根据主教材图 6.23 所示的状态转换图，可以得到各分支点的预测情况如下。
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。预测准确率 72%。
具体每次的预测结果如图 6.11 所示。
图 6.11 两位动态预测（初始预测为弱转移）的预测情况
13. 对于以下 MIPS 指令序列：
Loop: lw $2, 100($6)
add $3, $2, $7
sw $3, 100($6)
lw $5, 200($6)
sub $4, $5, $2
sw $4, 300($6)
addi $6, $6, 8
bne $6, $8, Loop
Loop: lw $2, 100($6)
lw $5, 200($6)
add $3, $2, $7
sw $3, 100($6)
sub $4, $5, $2
sw $4, 300($6)
addi $6, $6, 8
bne $6, $8, Loop
1 loop: s11 $t1, $s3, 2 #R[$t1] * -R[$s3] &lt;&lt; 2, 即 R[$t1] = i × 4
2 add $t1, $t1, $s6 #R[$t1] * -R[$t1] + R[$s6], 即 R[$t1] = Address of #save[i]
3 lw $t0, 0($t1) #R[$t0] * -M[R[$t1] + 0], 即 R[$t0] = save[i]
4 bne $t0, $s5, exit #if R[$t0] ≠ R[$s5] then goto exit
5 addi $s3, $s3, 1 #R[$s3] * -R[$s3] + 1, 即 i = i + 1
6 j loop #goto loop
7 exit: