第七章 指令流水线

计算机指令流水线回顾计算机指令流水线是一种高效的指令执行技术，旨在提高计算机的运行速度。

在本文中，我们将回顾计算机指令流水线的基本原理、优点和局限性，并提供相关题库类型的答案和解析。

一、引言计算机指令流水线是一种并行处理技术，它允许多个指令同时在不同的处理阶段执行，以提高指令执行的速度和效率。

本节将介绍计算机指令流水线的定义和基本原理。

二、计算机指令流水线的原理计算机指令流水线是基于指令执行的并行处理技术。

它将一条指令的执行划分为多个阶段，并且允许多个指令同时在不同的阶段执行。

下面是计算机指令流水线的基本原理：1. 指令划分阶段：将一条指令划分为多个独立且可执行的子指令。

2. 指令执行阶段：每个子指令在不同的处理阶段执行，例如指令提取、指令解码、操作数获取等。

3. 管道寄存器：用于在不同的阶段之间传递数据和指令。

4. 阶段并行执行：多个指令在不同的阶段同时执行，实现指令级并行。

5. 超标量流水线：同时执行多条指令。

三、计算机指令流水线的优点计算机指令流水线相较于传统的顺序执行方式，具有以下优点：1. 提高吞吐量：通过并行执行多条指令，大大提高了计算机的吞吐量。

2. 提高运行速度：指令流水线的并行执行能够加快指令的执行速度，提高计算机的运行效率。

3. 提高资源利用率：指令流水线可以充分利用计算机的硬件资源，使处理器单元始终保持繁忙状态。

四、计算机指令流水线的局限性虽然计算机指令流水线有很多优点，但也存在一些局限性：1. 指令依赖：由于指令之间存在数据或控制依赖关系，可能导致流水线的暂停或冲突，进而影响指令的执行速度和效率。

2. 硬件成本：为了实现指令流水线，需要增加硬件资源和复杂的控制电路，导致成本的增加。

3. 分支预测错误：分支指令的预测错误或错误的预测会导致流水线的中断和重组。

五、题库类型答案与解析在计算机指令流水线的相关题库中，我们可以通过以下方式给出答案与解析：1. 填空题：要求填写与指令流水线相关的概念、原理或术语。

第七章指令流水线2. 简单回答下列问题。

（参考答案略）（1）流水线方式下，一条指令的执行时间缩短了还是加长了？程序的执行时间缩短了还是加长了？为什么？（2）具有什么特征的指令集易于实现指令流水线？（3）流水线处理器中时钟周期如何确定？单条流水线处理器的CPI为多少？每个时钟周期一定有一条指令完成吗？为什么？（4）流水线处理器的控制器实现方式更类似于单周期控制器还是多周期控制器？（5）为什么要在各流水段之间加寄存器？各流水段寄存器的宽度是否都一样？为什么？（6）你能列出哪几种流水线被阻塞的情况？你知道硬件和软件是如何处理它们的吗？（7）超流水线和多发射流水线的主要区别是什么？（8）静态多发射流水线和动态多发射流水线的主要区别是什么？（9）为什么说Pentium 4是“CISC壳、RISC核”的体系结构？3. 假定在一个五级流水线（如P.205图7.1所示）处理器中，各主要功能单元的操作时间为：存储单元：200ps；ALU和加法器：150ps；寄存器堆读口或写口：50ps。

若执行阶段EX 所用的ALU操作时间缩短20%，则能否加快流水线执行速度？如果能的话，能加快多少？如果不能的话，为什么？若ALU操作时间增加20%，对流水线的性能有何影响？若ALU 操作时间增加40%，对流水线的性能有何影响？参考答案：a. ALU操作时间缩短20%不能加快流水线指令速度。

因为存储单元的时间为200ps，所以流水线的时钟周期不会因为ALU操作时间的缩短而变短。

b. ALU操作时间延长20%时，变为180ps，比200ps小，对流水线性能没有影响；c. ALU操作时间延长40%时，变为210ps，比200ps大，所以，流水线的时钟周期将变为210，其效率降低了（210-200)/200=5%。

4. 假定某计算机工程师想设计一个新CPU，一个典型程序的核心模块有一百万条指令，每条指令执行时间为100ps。

（1）在非流水线处理器上执行该程序需要花多长时间？（2）若新CPU是一个20级流水线处理器，执行上述同样的程序，理想情况下，它比非流水线处理器快多少？（3）实际流水线并不是理想的，流水段间数据传送会有额外开销。

1、指令流水线中主要有结构相关、数据相关、控制相关。

相关影响流水线性能。

程序中出现的数据相关lbu r3,0x0(r2)需要在WB周期才能将值写入r3里，而后续的指令seqi r5,r3,0x0a在intEx周期里读取r3寄存器的值，发生了读写相关。

正常它的执行阶段需要等待上一条指令将值写入r3后才能读r3寄存器的值，所以为了避免冲突，这里我们采用定向技术，在发生数据相关时，等待前面计算结果的指令并不一定真的马上就用到该计算结果，如果能够将该计算结果从其产生的地方直接送到其他指令需要它的地方，就可以避免暂停。

程序中出现的控制相关Movi2fp f10,r1在IF指令周期后为aborted。

原因在于：第二条指令jal InputUnsigned为无条件转移指令，但是只有在该指令译码的时候才可以知道转移的位置。

但是此时Movi2fp f10,r1指令已经取出，所以需要将该指令流水清空，由于是刚执行了IF指令，所以只需要重新取新的指令就可以了。

程序中出现的结构相关由于以上指令add r1,r1,r3的intEx的执行延迟了4个指令周期，所以addi r2,r2,0x1指令就不能在add r1,r1,r3的intEx的执行前进入ID指令译码的执行。

所以这里出现了指令译码器的争用。

因而发生了结构相关。

2、考察增加浮点运算部件对性能的影响下面两组数据来自Statistics窗口，都是5的阶乘，分别是运算部件设置为一个，运算部件设置为两个的数据统计。

通过比较可以发现，这两组数据在性能统计上是一样的。

所以增加浮点运算部件对性能的影响没有什么影响（对于该程序而言）。

3、考察增加forward部件对性能的影响左右分别是采用forwarding和没有采用forwarding部件的统计效果。

性能比较必须是计算同一个值的时候。

通过比较发现，采用forwarding 技术，总的周期数为95次，暂停了31次。

而没有采用forwarding 技术则总的周期数为112次，暂停了49次。

指令流水线的分类文章目录••oooo指令流水线的分类1．部件功能级、处理机级和处理机间级流水线根据流水线使用的级别的不同，流水线可分为部件功能级流水线、处理机级流水线和处理机间流水线。

部件功能级流水就是将复杂的算术逻辑运算组成流水线工作方式。

例如，可将浮点加法操作分成求阶差、对阶、尾数相加以及结果规格化等4个子过程。

处理机级流水是把一条指令解释过程分成多个子过程，如前面提到的取指、译码、执行、访存及写回5 个子过程。

处理机间流水是一种宏流水，其中每一个处理机完成某一专门任务，各个处理机所得到的结果需存放在与下一个处理机所共享的存储器中。

2．单功能流水线和多功能流水线按流水线可以完成的功能，流水线可分为单功能流水线和多功能流水线。

单功能流水线指只能实现一种固定的专门功能的流水线；多功能流水线指通过各段间的不同连接方式可以同时或不同时地实现多种功能的流水线。

3．动态流水线和静态流水线按同一时间内各段之间的连接方式，流水线可分为静态流水线和动态流水线。

静态流水线指在同一时间内，流水线的各段只能按同一种功能的连接方式工作。

动态流水线指在同一时间内，当某些段正在实现某种运算时，另一些段却正在进行另一种运算。

这样对提高流水线的效率很有好处，但会使流水线控制变得很复杂。

4．线性流水线和非线性流水线按流水线的各个功能段之间是否有反馈信号，流水线可分为线性流水线与非线性流水线。

线性流水线中，从输入到输出，每个功能段只允许经过一次，不存在反馈回路。

非线性流水线存在反馈回路，从输入到输出过程中，某些功能段将数次通过流水线，这种流水线适合进行线性递归的运算。

第7章指令系统（一）选择题1.二地址指令中，操作数的物理位置可安排在（可多选）A.两个主存单元 B 两个寄存器C一个主存单元和一个寄存器 D 栈顶和次栈顶2.寄存器间接寻址方式中，操作数在A.通用寄存器B.堆钱 C 主存单元3.基址寻址方式中，操作数的有效地址是A.基址寄存器内容加上形式地址(位移量)B.程序计数器内容加上形式地址c.变址寄存器内容加上形式地址4.采用基址寻址可扩大寻址范围，且A.基址寄存器内容由用户确定，在程序执行过程中不可变B.基址寄存器内容由操作系统确定，在程序执行过程中不可变c.基址寄存器内容由操作系统确定，在程序执行过程中可变5.变址寻址和基址寻址的有效地址形成方式类似，但是A.变址寄存器的内容在程序执行过程中是不可变的B.在程序执行过程中，变址寄存器、基址寄存器和内容都是可变的C.在程序执行过程中，基址寄存器的内容不可变，变址寄存器中的内容可变6.堆找寻址方式中，设A为累加器，SP为堆楼指示器，Msp为SP指示的钱顶单元，如果进栈操作的动作顺序是(A)→Msp，(SP)-1→SP，那么出栈操作的动作顺序应为A. (Msp)→A，(SP) +1→SPB. (SP) +1→SP，(Msp)→AC. (SP)-1→SP，( Msp)→A7.设变址寄存器为X，形式地址为D，某机具有先变址再间址的寻址方式，则这种寻址方式的有效地址为A. EA=(X)+DB. EA=(X)+(D)C. EA=((X)+D)8. IBM PC中采用了段寻址方式，在寻访一个主存具体单元时，由一个基地址加上某寄存器提供的16位偏移量来形成20位物理地址。

这个基地址由来提供。

A.指令中的直接地址(16位)自动左移4位B. CPU中的四个16位段寄存器之一自动左移4位C. CPU中的累加器(16位)自动左移4位9.指令的寻址方式有顺序和跳跃两种，采用跳跃寻址方式可以实现A.程序浮动B.程序的无条件转移和浮动C.程序的条件转移和无条件转移10.扩展操作码是A.操作码字段以外的辅助操作字段的代码B.指令格式中不同字段设置的操作码C.一种指令优化技术，即让操作码的长度随地址数的减少而增加，不同地址数的指令可以具有不同的操作码长度11.设相对寻址的转移指令占两个字节，第一字节是操作码，第二字节是相对位移量(用补码表示)，若CPU每当从存储器取出一个字节时，即自动完成(PC)+1→PC，设当前PC的内容为2000H，要求转移到2008H地址，则该转移指令第二字节的内容应为A. 08HB. 06 HC.0AH12.设相对寻址的转移指令占两个字节，第一字节是操作码，第二字节是相对位移量(用补码表示)，若CPU每当从存储器取出一个字节时，即自动完成(PC)+ 1→PC 设当前PC的内容为2009H，要求转移到2000H地址，则该转移指令第二字节的内容应为A. F5HB. F7HC. 09H13.设相对寻址的转移指令占两个字节，第一字节是操作码，第二字节是相对位移量(可正可负)，则转移的地址范围是A. 255B. 256C. 25414.直接、间接、立即三种寻址方式指令的执行速度，由快至慢的排序是A.直接、立即、间接B.直接、间接、立即C.立即、直接、间接15.为了缩短指令中地址码的位数，应采用寻址。

如何利用流水线技术提高程序执行效率随着科技的不断发展，程序执行效率成为了计算机工程师关注的重点。

而流水线技术作为一种能够提高程序执行效率的重要方法，被广泛应用于硬件设计和优化。

本文将介绍流水线技术以及如何利用流水线技术提高程序执行效率。

一、流水线技术的基本原理流水线技术是将任务分解成多个阶段，每个阶段只负责完成特定的子任务，然后将多个子任务串行执行，从而将整个任务加速完成的一种方法。

流水线技术的基本原理是将任务划分为多个子任务，并通过数据流向和控制信号来实现子任务之间的交互与协调。

通过流水线技术，计算机能够同时执行多个任务，从而提高了任务的并行度，加快了程序的执行速度。

二、流水线技术在程序执行效率中的应用1. 数据流水线在计算机中，许多任务都可以用数据流的形式来表示。

数据流水线是指将数据操作分成多个阶段，每个阶段负责特定的数据操作，并通过流水线寄存器将数据传递给下一个阶段进行处理。

通过数据流水线，可以同时进行多个数据操作，从而提高程序的执行效率。

例如，在图像处理任务中，可以将图像数据流水化处理，分成图像输入、图像滤波、图像变换等多个阶段，并通过数据流水线将图像数据传递给不同的阶段进行并行处理，从而加快图像处理的速度。

2. 指令流水线指令流水线是指将程序的执行划分为多个指令阶段，并通过流水线寄存器将指令传递给下一个阶段进行执行。

通过指令流水线，计算机能够同时执行多个指令，从而提高了指令的并行度，加快了程序的执行速度。

例如，在处理器中，可以将指令流水线划分为取指阶段、译码阶段、执行阶段、访存阶段和写回阶段等多个阶段，并通过流水线寄存器将指令传递给不同的阶段进行并行处理，从而加快程序的执行速度。

三、流水线技术在优化程序执行中的挑战然而，尽管流水线技术可以提高程序执行效率，但也面临着一些挑战。

首先，流水线技术对任务的划分和阶段之间的依赖关系有一定的要求，如果任务划分不合理或者阶段之间的依赖关系复杂，会导致流水线的效率降低。

关于ARM指令流水线知识（周方辉）2012/10/22目录1 参考文献 (2)1.1 内部参考文献 (2)1.2 外部参考文献 (2)2 名词解释 (2)3 指令执行三步骤 (2)4 指令流水线（ARM指令） (3)4.1 三级指令流水线 (3)4.2 五级指令流水线 (5)4.3 六级指令流水线 (6)4.4 其它级指令流水线 (6)1参考文献1.1内部参考文献内部参考文献指的是周方辉自生的百度博文中的文件。

无内部参考文献。

1.2外部参考文献外部参考文献指的是相对于上述内部参考文献以外的文件。

无外部参考文献2名词解释CPI：指令周期数，一段时间内走过的指令时钟数除以被执行的指令条数，CPI>=1。

F：Fetch的缩写，取指令的意思，用在分析指令流水线中。

D：Decode，解指令码，用在分析指令流水线中。

E：Execute，执行指令，用在分析指令流水线中。

M：Memory，内存操作。

W：W riteback回写。

S：Stall，拖延clock。

L：Linkret，连接返回。

A：Adjust，调整流水线。

DI：Decode IRQ解析中断指令。

EI：Execute IRQ执行中断指令。

I：Interlock，内部锁状态。

3指令执行三步骤一般计算机指令码与数据码没有区别，存在内存中，都属于二进制数字信息。

指令码和数据码的区别是一般用PC指针从内存中读取的数据为指令码，否则就当数据码处理。

到目前为止，一般计算机执行指令是用CPU部件来执行的，通常分成：1、获取指令，通过PC指针，从内存中获取指令码；2、解析指令，使用CPU内部的指令解码器对指令码进行解析，从而得知指令功能。

3、执行指令，按照解码器得知的功能，CPU调用相应部件来执行该条指令。

三个步骤完成，我们可以抽象理解成，每条指令都通过：取指令模块——>解析指令模块——>执行指令模块，这三个模块。

如下图所示：这三个步骤的协调工作是依靠指令时钟来推动完成的，，指令时钟并不等于CPU的时钟，一个指令时钟可能有几个CPU时钟组成，这看具体的CPU而定。

计算机组成与体系结构——流⽔线相关知识点（常考计算） 流⽔线是软考中经常考的⼀部分内容，并且常以要求计算的形式出现，所以，这⾥详细总结⼀下流⽔线的相关知识点。

流⽔线的概念 流⽔线是指在程序执⾏时多条指令重叠进⾏操作的⼀种准并⾏处理实现技术。

即可以同时为多条指令的不同部分进⾏⼯作，以提⾼各部件的利⽤率和指令的平均执⾏速度。

我们都知道，在执⾏⼀条指令的过程中，最少要经历取指分析执⾏三个步骤，也就是说，假设有三个指令1 、2、 3，当我们在正常情况下，在执⾏指令1的时候，会⾸先对指令1按照以上三个步骤进⾏处理，处理完毕后在对指令2进⾏处理，以此类推。

⽽流⽔线的应⽤，就是像我们在⼯⼚中⼀样，当对指令1进⾏分析⼯作时，同时对指令2进⾏取指，继续执⾏，当指令1到达执⾏阶段时，指令2进⼊分析阶段1同时对于指令3进⾏取指处理，这样就⼤⼤增加了对于时间的利⽤率。

流⽔线的计算 1、流⽔线的执⾏时长 ①关于流⽔线的周期，我们需要知道的是，流⽔线周期（△t）为指令执⾏阶段中执⾏时间最长的⼀段。

②流⽔线的计算公式为： 完成⼀条指令所需的时间+（指令条数-1）*流⽔线周期，在这个公式中，⼜存在理论公式和实践公式。

理论公式： 实践公式：（k+n-1）*△t k为⼀条指令所包含的部分的多少 例题：若指令流⽔线⼀条指令分为取指、分析、执⾏三个阶段，并且这三个阶段的时间分别为取指1ns，分析2ns，执⾏1ns，则流⽔线的周期为多少？100条指令全部执⾏完毕需要执⾏的时间是多少？ 分析：上⾯已经说过，流⽔线的周期为花费时间最长的阶段所花费的时间，所以流⽔线的周期就是2ns。

根据理论公式，T=（1+2+1）+（100-1）*2=4+99*2=202ns 根据实践公式，T=（3+100-1）*2=204ns 在这⾥，需要注意的是，因为流⽔线的理论公式和实践公式的结果不⼀样，但是在考试过程中可能都会考到，所以，在应⽤时，先考虑理论公式，后考虑实践公式。

计算机组成原理中的指令流水线与超标量计算机组成原理是计算机科学中的重要概念之一，它研究了计算机的硬件组成和工作原理。

其中，指令流水线和超标量技术是提高计算机性能的重要手段。

本文将介绍指令流水线和超标量技术的基本原理，并讨论它们在计算机系统中的应用。

一、指令流水线指令流水线是一种将指令执行过程分为多个阶段，并且在每个阶段中同时执行多条指令的技术。

通过将指令执行过程划分为多个独立的阶段，可以使得指令在执行过程中能够重叠进行，从而提高了计算机的运行速度。

指令流水线通常包括取指、译码、执行、访存和写回这五个阶段。

在每个时钟周期中，各个阶段同时执行不同的指令，以提高整个系统的效率。

每个指令在通过流水线的各个阶段时，都经历了不同的处理过程，最终完成指令的执行。

指令流水线的优点在于它可以充分利用计算机资源，提高处理器的性能。

然而，指令流水线技术也存在一些问题，例如流水线冲突和分支预测错误。

流水线冲突指的是由于数据相关性等原因导致指令无法按照顺序执行，而需要等待前一条指令完成。

分支预测错误则是指在程序执行过程中，由于分支指令的条件未知，导致指令流水线中的指令被误判，从而浪费了计算资源。

二、超标量技术超标量技术是指在一个时钟周期内同时发射多条指令，并且在多个功能部件上同时执行这些指令的技术。

相比于指令流水线，超标量技术更进一步地提高了计算机的性能。

超标量技术的核心是多发射和多功能部件。

多发射指的是在一个时钟周期内同时发射多条指令到流水线中。

多功能部件则是指在处理器中使用多个功能部件，以同时执行多条指令，从而提高计算机的性能。

超标量技术的优点在于它可以同时执行多条指令，提高计算机处理的并行性。

通过在一个时钟周期中同时发射多条指令，并在多个功能部件上执行这些指令，可以充分利用计算机资源，提高处理器的性能。

然而，超标量技术也存在一些问题，例如硬件复杂度和资源分配等。

由于需要同时执行多条指令，并且在多个功能部件上执行，因此需要更多的硬件资源来支持。

若指令流水线把一条指令分为取指、分析和执行三部分，且三部分的时间分别是t取指=2ns ，t 分析=2ns，t 执行=1ns。

则100 条指令全部执行完毕需 (4) ns。

(4)A．163 B．183 C．193 D．203 答案：D本类题有两类:第一类是各指令段,有同步时间,即有指令流操作周期.当某指令段执行完毕后,必须等到下一个操作周期来临时,才能执行下一条指令的相同段.第一题与2005年的题就是这样.其计算公式是:(指令所分段数-1)*指令流操作周期 +指令数*指令流操作周期.第二类是各指令段,没有同步时间,每段执行完毕,不需要等待,直接执行下一条执令相同的段.2006的题就是这个.其计算方法是第一条指令执行时间+(指令数-1)*各指令段执行时间中最大的执行时间==========================================================本题为第二类：（2+2+1）+（100-1）*2=203指令流水线的计算1.现有四级指令流水线，分别完成取指、取作的时间依次为数、运算、传送结果四步操作。

若完成上述操9ns、10ns、6ns、8ns。

则流水线的操作周期应设计为（1）n s。

（1）A．6B．8C．9D．10试题解析：取最大的那个微指令时间作为流水线操作周期。

答案：D2.若每一条指令都可以分解为取指、分析和执行三步。

已知取指时间t取指=4△t，分析时间t分析=3△t，执行时间t执行=5△t。

如果按串行方式执行完100条指令需要（2）△t。

如果按照流水方式执行，执行完100条指令需要（3）△t。

（2）A．1190B．1195C．1200D．1205（3）A．504B．507C．508D．510试题解析：串行执行时，总执行时间=100×（t取指+ t分析+ t执行）=100×12△t=1200△t。

连续两条指令的执行时间差为t执行= 5△t，因此100条指令的总执行时间=（t取指+ t分析+ t执行）+99×t执行= 507△t。

计算机组成原理——指令流⽔线
计算机组成原理——指令流⽔线
1. 综述
为提⾼CPU利⽤率，加快执⾏速度，将指令分为若⼲个阶段，可并⾏执⾏不同指令的不同阶段，从⽽多个指令可以同时执⾏。

在有效地控制了流⽔线阻塞的情况下，流⽔线可⼤⼤提⾼指令执⾏速度。

经典的五级流⽔线：取址、译码/读寄存器、执⾏/计算有效地址、访问内存（读或写）、结果写回寄存器。

流⽔线阻塞的情况有三种（）：
1. 结构相关：指令重叠执⾏的过程中，硬件资源满⾜不了指令重叠执⾏的要求，发⽣资源冲突，这时将产⽣结构相关。

解决的办法是增加硬件资源，如解决访存冲突就采⽤指令Cache和数据Cache分离的哈弗结构。

2. 数据相关：当⼀条指令需要前⾯某条指令的执⾏结果，⽽两者正在并⾏执⾏的情况下，将产⽣数据相关。

解决⽅式：数据重定向，或称为旁路技术。

3. 控制相关：有跳转语句、分⽀指令，或其他改变IP值的指令，将产⽣控制相关。

解决⽅法：分⽀预测技术，投机执⾏，延迟分⽀。

若I1和I2数据相关，如I2需要I1的结果，则I2在其译码阶段被阻塞，直到I1全部完成才恢复流动。