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第五章-标量处理机及流水线

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第五章 中央处理器 黑

第五章 中央处理器 黑

1、A.C. 23、采用4、CPU 5A.B.C.D. 6A.B.C.D. 78A.B.C.D. 9A. 10A.B.C.D. 11A.B.C.D.12、下列关于动态流水线正确的是（）A.动态流水线是在同一时间内，当某些段正在实现某种运算时，另一些段却在进行另一种运算，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B. 动态流水线是指运算操作并行C. 动态流水线是指指令步骤并行D. 动态流水线是指程序步骤并行13、流水CPU是由一系列叫做“段”的处理线路组成的。

一个m段流水线稳定时的CPU的吞吐能力，与m个并行部件的CPU 的吞吐能力相比（）A.具有同等水平的吞吐能力B.不具备同等水平的吞吐能力C. 吞吐能力大于前者的吞吐能力D. 吞吐能力小于前者的吞吐能力14、设指令由取指、分析、执行3个子部件完成，并且每个子部件的时间均为△t，若采用常规标量流水线处理机（即处理机的度为1 ）连续执行12条指令，共需15、若采用度为4的超标量流水线处理机，连续执行上述20条指令，只需16、设指令流水线把一条指令分为取指、分析、执行3个部分，且3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17、设指令由取指、分析、执行3个子部件完成，并且每个子部件的时间均为t，若采用常规标量流水线处理机，连续执行8条指令，则流水线的加速比为18、指令流水线中出现数据相关是流水线将受阻，（）可解决数据相关问题。

A.增加硬件资源B.采用旁路技术C.采用分支预测技术D.以上都可以19、关于流水线技术的说法，错误的是（）A.超标量技术需要配置多个功能部件和指令译码电路等B.与超标量技术和超流水线技术相比，超长指令字技术对优化编译器要求更高，而无其他硬件要求C.流水线按序流动时，在RAM、WAR和WAW中，只可能出现RAW相关D.超流水线技术相当于将流水线在分段，从而提高每个周期内功能部件的使用次数二、综合应用题1、某计算机的数据通路结构如图所示，写出实现ADD R1，（R2）的未操作序列（含取指令及确定后继指令的地址）。

王道计组第五章中央处理器思维导图脑图

王道计组第五章中央处理器思维导图脑图
CU发出一个微命令，可完成对应微操作 一个节拍内可以并行完成多个“相容的”微操作 同一个微操作可能在不同指令的不同阶段被使用 不同指令的执行周期所需节拍数各不相同。为了简化设计，选择定长的机器周 期，以可能出现的最大节拍数为准（通常以访存所需节拍数作为参考） 若实际所需节拍数较少，可将微操作安排在机器周期末尾几个节拍上进行
处理取指周期、间址周期、中断周期的微指令序列通常是公用的。执行周期的微 指令序列各不相同
工作原理
取指周期的微指令序列固定从#0 开始存放。执行周期的微指令序列的存放根据指 令操作码确定
程序vs微程序﹔指令vs微指令;主存储器vs控制器存储器(CM);MAR vs CMAR;MDR vsCMDR;PCvs uPC;lR vs ulR
1.后一相关指令暂停一周期 2.资源重复配置：数据存储器+指令存储器
解决办法
1.结构因素（资源冲突）
数据相关指在一个程序中，存在必须等前一条指令执行完才能执行后一条指令的 情况，则这两条指令即为数据相关
1.把遇到数据相关的指令及其后续指令都暂停一至几个时钟周期，直到数据相关 问题消失后再继续执行。可分为硬件阻塞(stall)和软件插入“NOP”两种方法。
取指周期
将MAR所指主存中的内容经数据总线送入MDR，记做M(MAR)→MDR
将MDR中的内容（此时是指令）送入IR，记做：(MDR)→IR
CU发出控制信号，形成下一条指令地址，记做(PC)+1→PC
垂直型微指令
微指令的格式
优点：微指令短，简单，规整，便于编写微程序
缺点：微程序长，执行速度慢，工作效率低
在垂直型基础上增加一些不太复杂的并行操作 微指令较短，仍便于编写；微程序也不长，执行速度加快

标准流水线测测试试题

标准流水线测测试试题
★★
2.请写出2种数据相关方式，并举例说明分别在什么情况下发生（采用设计程序段的方式来说明）
答：
⑴写读相关：
例如程序段R0=R1×R4; R2=R0×R3若第二条指令在第一条指令前执行则最终的结果与正确结果不同，此时发生写读相关
⑵读写相关
例如程序段R2=R0×R3; R3=R4-1若第二条指令在第一条指令前执行则最终的结果与正确结果不同，此时发生读写数据相关
A. 2.4
B. 2.46
C. 2.67
D. 2.75
答案：B
★★
16.一条4个功能段的加－乘静态流水线，四个功能段如下所示，计算 ，最少需要经过多少时间，假设运算的结果有专门的输出通路连接到输入端。并且只有当一个流水线排空后流水线才可以发生另一种运算。
（1）取指
（2）译码、取数
（3）运算
（4）写结果
A. 流水线设备
B. 上海流水线
C. 无锡流水线
D. 杭州流水线
答案B
★★
3.假设一条指令的执行过程可以分为“取指令”、“分析”和“执行”三段，每一段的执行时间均为 ，连续执行n条指令所需要花费的最短时间约为（假设仅有“取指令”和“分析”可重叠并假设n足够大）：
A.
B.
C.
D.
答案B
★★
4.假设一条指令的执行过程可以分为“取指令”、“分析”和“执行”三段，每一段的执行时间分别为 、 和 ，连续执行n条指令所需要花费的最短时间约为（假设仅有“取指令”和“执行”可重叠并假设n足够大）：
超标量处理机一般具有多于一条的流水线，一台m度的超标量处理机可同时发射m条指令，指令的发射等待时间为1个时钟，指令的并行度为m。
超流水线处理机一般具有一条k段的超流水线，一台n度的超流水处理机可以同时发射一条指令，指令的发射等待时间为1/n个时钟周期，每个时钟周期共发射n条指令。指令的并行度为n。

第05章-流水线课后习题

第05章-流水线课后习题

第5章课后习题1．填空题(1) 衡量流水线性能的主要指标有(2) 指令乱序流动可能造成(3) 解决数据相关主要有(4) 超标量处理机开发的是行性。

(1). 吞吐率、加速比、效率(2). 先写后读、先读后写、写写(3). 推后分析、设置专用路径(4). 空间、时间2．假设一条指令的执行过程分为"取指令"、"分析"和"执行"三段，每一段的时间分别为△t、2△t和3△t。

在下列各种情况下，分别写出连续执行n条指令所需要的时间表达式。

(1) 顺序执行方式。

(2) 仅"取指令"和"执行"重叠。

(3) "取指令"、"分析"和"执行"重叠。

第2题(1) 顺序执行时每条指令用时=△t+2△t+3△t=6△t，因此n条指令所需要的时间=6n*△t(2) 第一条指令完成需要时间=△t+2△t+3△t=6△t，根据题义，下一条指令的"取指令"与上一条指令"执行"的最后一个△t重叠。

因此，自从第一条指令完成后，每隔4△t完成一条指令。

所以余下的n-1条指令用时(n-1)*4△t.所以，n条指令所需要的时间=6△t+(n-1)*4△t=2(2n+1)△t。

(3) 第一条指令完成需要时间=△t+2△t+3△t=6△t，由于一条指令的"取指令"和"分析"阶段和下一条指令的"执行"阶段重叠，因此，此后每3△t 完成一条指令，余下的n-1条指令用时(n-1)*3△t.因此n条指令所需要的时间=6△t+(n-1)*3△t=3(n+1)△t3．用一条5个功能段的浮点加法器流水线计算F＝。

每个功能段的延迟时间均相等，流水线的输出端与输入端之间有直接数据通路，而且设置有足够的缓冲寄存器。

标量处理机

标量处理机
第五章 标量处理机
1．标量处理机：只有标量数据表示和标量指令系统的处
理机称为标量处理机。标量处理机是一种最通用，也是 使用最普遍的处理机。
2．标量处理机中提高指令执行速度的主要途径有：
①提高主频；②缩短CPI——设计更好的算法和功 能部件；③指令级并行——主要方法，又可分为：
a．流水线技术和超流水线技术；
2．主存操作数相关 例如：k: add [0001],ax k+1: mov bx, [0001]
2021/8/10
第五章 标量处理机
第8 页
5.1 先行控制技术
在现代计算机中，中间结果一般写入寄存器，所以该类 相关发生不多。 解决方法：推后分析法。
2021/8/10
第五章 标量处理机
第9 页
5.1 先行控制技术
1．采用先行控制技术的处理机结构
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第五章 标量处理机
第4 页
5.1 先行控制技术
2．四个先行缓冲栈 （1） 先行指令缓冲栈——缓冲主存和指令分析器 （2） 先行操作栈——存放经过指令分析器预处理后的指
令。这种预处理内容很多。
2021/8/10
第五章 标量处理机
第5 页
5.1 先行控制技术
2021/8/10
第五章 标量处理机
第15 页
5.1 先行控制技术
对于条件转移，相关最严重的情况发生在条件码是 由上一条指令产生的。
下面是条件转移对程序执行速度影响的分析：
① 如果转移不成功——运算器等待一个时钟周期 ② 如果转移成功
如果L在先行指令缓冲栈中，则条件转移对程序执行的 影响是：
a．作废k+2到L-1之间的所有指令； b．运算器等待一个时钟周期。

第5章-计算机系统结构(第五版)李学干

第5章-计算机系统结构(第五版)李学干

第5章 标量处理机
图 5 - 11 B一次相关与二次相关
第5章 标量处理机
由图5 - 11可见，B二次相关时，只需推后“分析k+2”的 始点到“执行k”送入通用寄存器的运算结果能在“分析k+2” 开始时出现于通用寄存器输出总线上即可，如图5 - 12(a)所 示。至于推后多少拍，这取决于通用寄存器组译码、读
如图5 - 20(b)所示。即使流水线每隔Δt0流入一条指令，也会
因来不及处理被堆积于2段，致使流水线仍只能每隔 3Δt0才流出一条指令。
第5章 标量处理机
图 5 - 20 最大吞吐率取决于瓶颈段的时间
第5章 标量处理机
消除瓶颈的一种办法是将瓶颈子过程再细分。例如将2
段再细分成21、22、23三个子段，如图5-21(a)所示。让各子
同，如图5 - 23所示那样，则在T时间里，流水线各段的效率
都相同，均为η0，即
nΔt0 n 1 2 m 0 T m (n 1)
第5章 标量处理机
整个流水线的效率

1 2 m
m

m0 mnΔt0 0 m mT
式中，分母mT是时空图中m个段和流水总时间T所围成
第5章 标量处理机
图 5 - 3 一次重叠工作方式
第5章 标量处理机
(2) 要解决“分析”与“执行”操作的并行。 (3) 要解决“分析”与“执行”操作控制上的同步。 (4) 要解决指令间各种相关的处理。 图5 - 4示意出条件转移时第k条指令和第k+1条指令的时
间关系。
第5章 标量处理机
图 5 - 4 第k条指令和第k+1条指令的时间关系
由于运算结果是在“执行”周期的末尾才送入通用寄存

第5章标量处理机(5.4,5.5,5.6)流水线的冲突MIPS流水线素材

第5章标量处理机(5.4,5.5,5.6)流水线的冲突MIPS流水线素材

ALU
ALU
DSUB R4，R1，R5
IM
Reg
DM
Reg
ALU
XOR R6，R1，R7
计算机科学与技术系 yangruioot@
对于在一个时钟周期内同一寄存器堆进行操作，在时钟的前半部 分进行写寄存器的操作，后半部分进行读寄存器的操作。
计算机科学与技术系 yangruioot@
如何解决对同一寄存器的访问冲突？
把写操作安排在时钟周期的前半拍完成，

每一个周期作为一个流水段；
在各段之间加上锁存器（流水寄存器）。
IF 段 IM
ID 段 Reg
EX 段
MEM 段 DM
WB 段 Reg
流水寄存器
计算机科学与技术系 yangruioot@
ALU
流水寄存器保证了流水线中不同段的指令不会相互影 响。每个时钟周期结束之后，该段的所有执行结果都 保存在流水段寄存器中，在下一个时钟周期开始作为 下一个段的输入。
采用定向技术消除上例中的相关 DSUB操作是在DADD操作产生了结果之后才使
用该结果的，考虑将DADD的结果从EX/MEM寄 存器移到DSUB需要的地方，也就是ALU的输入 锁存器，则不需要引入停顿。
计算机科学与技术系
yangruioot@
时间（时钟周期） 1 DADD R1，R2，R3 IM 2 Reg 3 4 DM 5 Reg 6
计算机科学与技术系
yangruioot@
时间（时钟周期） 1 load M 2 Reg 3 4 M 5 Reg 6 7 8
ALU
ALU
指令 i+1
M
Reg
M
Reg
ALU
指令 i+2

计算机系统结构-第五章自考练习题答案

计算机系统结构-第五章自考练习题答案

计算机系统结构-第五章⾃考练习题答案第五章重叠、流⽔和向量处理机历年真题精选1. “⼀次重叠”中消除“指令相关”最好的⽅法是（ A ）。

A. 不准修改指令B. 设相关专⽤通路C. 推后分析下条指令D. 推后执⾏下条指令2．流⽔处理机对全局性相关的处理不包括（ D ）。

A. 猜测法B. 提前形成条件码C. 加快短循环程序的执⾏D. 设置相关专⽤道路3. 推后“分析”和设置“（相关专⽤通道）”是解k1决重叠⽅式相关处理的两种基本⽅法。

前者是以（降低速度）为代价，使设备基本上不增加。

4. 流⽔线消除速度瓶颈的⽅法有瓶颈⼦过程（再细分）和瓶颈⼦过程（多套并联）两种。

5. 简述在流⽔机器中全局性相关的概念及处理全局性相关的⽅法。

（P144-146）6. 求向量D=A*(B+C),各向量元素个数均为6，参照CRAY-1⽅式分解为3条向量指令：①V3←存储器{访存取A送⼊V3寄存器组}②V2←V0+V1 {B+C→K}③V4←V2*V3 {K*A→D}当采⽤下列2种⽅式⼯作时各需多少拍才能得到全部结果?(1)①和②并⾏执⾏完后，再执⾏③；（27拍）(2)采⽤链接技术。

（22拍）(注：CRAY-1⽅式启动访存1拍，访存6拍，打⼊寄存器组1拍，加法6拍，乘7拍)7.有⼀个3段的单功能⾮线性流⽔线，预约表如下表所⽰。

（1）写出冲突向量，画冲突向量状态转移图并确定最佳调度⽅案。

（c=(101) ,最佳策略是每隔2△t流⼊⼀个任务）（2）按最佳调度⽅案输⼊5个任务，画出流⽔的时空图，求出此时的吞吐率和效率。

时钟t1t2t3t4段号S1√√S2√√S3√（吞吐率：5/12△t 效率：69.4% ）8. 有⼀个双输⼊端的加—乘双功能静态流⽔线，由经过时间为Δt、2Δt、2Δt、Δt的1、2、3、4四个⼦过程构成。

加按1-2-4连接，乘按1-3-4连接，流⽔线输出设有数据缓冲器，也可将数据直接返回输⼊。

现要执⾏A*（B+C*（D+E*F））+G*H的运算，①调整计算顺序，画出能获得吞吐率尽量⾼的流⽔时空图，标出流⽔线⼊、出端数据的变化情况；②求出完成全部运算的时间及此期间流⽔线的效率和吞吐率。

第5章标量处理机(5.7) 超标量超流水处理机

第5章标量处理机(5.7) 超标量超流水处理机
yangruioot@
计算机科学与技术
4. 超标量处理机性能
单流水线普通标量处理机的指令级并行度记为（1，1）； 超标量处理机的指令并行度记做（m，1）； 超流水线处理机的指令并行度记为（1，n）； 超标量超流水线处理机的指令并行度记为（m，n）。
假设：一个时钟周期为∆t，可以得出在没有资源相关、数据相 关和控制相关的N条指令在单发射k个功能段的流水线处理机上 执行的时间为：
T (1,1) n(k N 1) S (1, n) T (1, n) nk N 1
当N→∞时，超流水线处理机的加速比最大值为n，即 超流水线处理机在一个时钟周期中分时发射指令的总条数。
计算机科学与技术 yangruioot@
5.5.3 超标量超流水处理机
指令并行 度为m
多发射指令流水线的时空图
计算机科学与技术
返回公式页
yangruioot@
5.5.1 超标量处理机


一个时钟周期内能够同时发射多条指令的处理机 称为超标量处理机 目前的超标量处理机每个时钟周期发射2-4条指令 Intel公司的i860、i960、Pentium处理机， Motolora公司的MC88110处理机，IBM公司的 Power 6000处理机等每个周期都发射两条指令 TI公司生产的SuperSPARC处理机以及Intel的 Pentium III处理机等每个周期发射三条指令 操作部件的个数多于每个周期发射的指令条数。 4个至16个操作部件 超标量处理机的指令级并行度：1＜ILP＜m； m为每个周期发射的指令条数。
5.7 多指令流水线技术
5.5.1 超标量处理机 5.5.2 超流水处理机 5.5.3 超标量超流水处理机
1 单发射指令流水线

第05章标量处理机eng

第05章标量处理机eng

@central south university
余腊生 版权所有，违者必究
2019/1/26
5-2
Superscalar
• Avoid structural hazards - use different functional units, make up to 1 memory reference combined
– Maintaining precise exceptions is difficult because an integer operation may have already completed – Hardware must detect these problems (and quickly) @central south university
– RAW hazards could exist between the two instructions issued at the same time – There are new potential WAW and WAR hazards – We need to have twice as many register reads and writes as before, our register file must be expanded to accommodate this
– While a superscalar can issue any combination of instructions, for simplicity, we will concentrate on a 2 instruction superscalar for MIPS where
• one instruction will be an integer operation • and the other, if available will be a floating point operation

计算机体系结构----第五章

计算机体系结构----第五章

采用先行控制方式时一个程序的执行情况：
指令地址 „„ k-i-1 k-i „„ k-1 k k+1 „„ k+j k+j+1 „„ k+j+n k+j+n+1 k+j+n+2 „„ k+j+n+m k+j+n+m+1 „„ 指令执行情况 已经执行完成的指令 在后行写数栈中等待把结果写到主存储器中的指令 正在指令执行部件中执行的指令 已经由指令分析器预处理完成，存放在先行操作栈中的 RR*型指令，指令所需要的操作数已经读到先行读数栈中 已经由指令分析器预处理完成， 存放在先行操作栈中， 指 令所需要的操作数还没有读到先行读数栈中 正在指令分析器中进行分析和预处理的指令 已经从主存储器中预取到先行指令缓冲栈中的指令 还没有进入处理机的指令
（2）先行操作栈 指令分析器对已经存放在先行指令缓冲栈里的指令进 行预处理，把处理之后的指令送入先行操作栈。 处于指令分析器和运算控制器之间，使指令分析器和 运算器能够各自独立工作。
对于无条件转移及条件转移指令等程序控制指令，一般在 指令分析器中就能直接执行 各种运算型指令、移位指令、数据传送指令等都要先处理 成RR型指令，送入先行操作栈 经过指令分析器预处理之后送到先行操作栈中等待运算器 执行的指令就都变成了统一格式的RR型指令 执行这种指令所需的操作数都存放在通用寄存器或先行读 数栈中
2.解决访存冲突的方法： (1)两个独立的存储器：指令存储器和数据存储器。 如果再规定，执行指令阶段产生的运算结果只写到 通用寄存器，则取指令、分析指令和执行指令就可 以同时进行。 许多高性能计算机具有独立的指令Cache和数据 Cache结构，称为哈佛结构。 (2)采用低位交叉存取方式： 这种方法不能根本解决冲突问题。

第五章 标量流水技术2

第五章 标量流水技术2
C0 Ci移位4 或 C0 Ci移位7 或 C0 Ci移位2 或 C0 Ci移位7 或
1 1 1 1 1 1 1 1
0 0 0 0 0 0 0 0
1 1 1 1 1 1 1 1 1
1 1 1 1 1 0 1 1 1
方法：冲突向量Ci经过 移位后（可以根据Ci中的 0是第几位就移几位）和 后续指令（仍然是冲突向 量C0，因为每次新启动的 指令都是具有冲突向量C0) 求或,得出新的冲突向量 Cij
5.4.2 非线性流水线中功能段使用冲突及相应调度
线性流水线：每个任务执行时，各流水段只经过一次，每拍流入 一条指令，它们不会争用同一个流水段。每拍流入一个新的任务。 非线性流水线：有前馈和反馈通路，一个任务可能会多次流过同 一个流水段，若每拍流入一个新的任务，可能会导致功能段使用 冲突。 •要做到不发生冲突，必须间隔恰当的拍数后想流水线送下一个 任务。 •恰当的拍数：？？？如何找到该值？ • 为了能对流水线的任务进行优化调度和控制，1971年 E.S.Davidson提出使用一个二维的预约表来描述一个任务在非线 性流水线中对各功能段的使用情况。 •预约表是一张二维的表格，横坐标表示流水线工作的时钟周期， 纵坐标表示流水线的功能段，中间画“√”表示该功能段在这一 时钟周期处于工作状态，空白的地方表示该功能段在这个时钟周 期不工作。
0 1 1 0 0 0 1 1 0 0
0 0 0 0 0 0 1 1 0 0
0 1 1 0 0 0 0 0 0 0
1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1
初始状态
10110001
7 7
7
3 10110111
2
7
4
7
10111101
3
4

计算机系统结构5

计算机系统结构5
把取第k+1条指令提前到分析第k条指令同时执行
如果三个过程的时间相等，执行n条指令的时间为： T=(2+n)t
理想情况下同时有三条指令在执行
处理机的结构要作比较大的改变，必须采用先行控 制方式
取指k 分析k 执行k 取指k+1 分析k+1 执行k+1 取指k+2 分析k+2 执行k+2
2021/8/2
第2批洗涤 第2批清洗 第2批甩干
第3批洗涤 第3批清洗 第3批甩干
dt
dt
dt
dt
dt
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
3批衣服的工作时间为6*5=30分钟，节省15分钟。 引出下述关于洗衣机工作的有关性能特点：
吞吐率：单位时间内完成的任务数TP=n/T 加速比：串行方式与流水线方式的时间比：上述为 45/30=1.5 效率：即洗衣机的利用率，上述洗衣机的效率是9/15=3/5
2021/8/2
1
第五章 标量处理机
流水线技术 超标量处理机 超流水线处理机 超标量流水线处理机
2021/8/2
2
5.1 流水线技术
什么是流水线？ 考虑设计一个洗衣机的工作流程，假定它有三道工序：洗 涤、清洗、甩干。每个环节为5分钟。 需要完成的任务为3批，则考虑下述工作方式的工作效率： 第一种：串行工作方式，即按照如下方式工作：
ED1 ED2 ED3 ED4 ED5
时间
0
t1 t2
NL：规格化
t3 t4 t5 t6 MA：尾数加
t7 t8
ED：求阶差 EA：对阶
2021/8/2
11
➢流水线的主要特点
在流水线的每一个功能部件的后面都要有一个缓冲器， 称为锁存器、闸门寄存器等，它的作用是保存本流水段 的执行结果。
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第五章标量处理机与流水线选择题25，简答题10，演算题151 选择题★1.假设一条指令的执行过程可以分为“取指令”、“分析”和“执行”三段，每一段的执行时间分别为t∆、t∆3，顺序执行n条指令至少需要花费的2和t∆时间为：A. t3n∆B. t2n∆C. tn∆6D. tn∆答案：C★★2.假设一条指令的执行过程可以分为“取指令”、“分析”和“执行”三段，每一段的执行时间均为t∆，连续执行n条指令所需要花费的最短时间约为（假设仅有“取指令”和“执行”可重叠并假设n足够大）：A. t3n∆B. t2n∆3C. tn∆2D. tn∆答案B3.假设一条指令的执行过程可以分为“取指令”、“分析”和“执行”三段，每一段的执行时间均为t∆，连续执行n条指令所需要花费的最短时间约为（假设仅有“取指令”和“分析”可重叠并假设n足够大）：A. t3n∆B. t2n∆3C. tn∆2D. tn∆答案B★★4.假设一条指令的执行过程可以分为“取指令”、“分析”和“执行”三段，每一段的执行时间分别为t∆、t∆3，连续执行n条指令所需要花费的最2和t∆短时间约为（假设仅有“取指令”和“执行:”可重叠并假设n足够大）：A. t6n∆B. t5n∆C. t3n∆D. tn∆答案B★★5.假设一条指令的执行过程可以分为“取指令”、“分析”和“执行”三段，每一段分别只有一个部件可供使用并且执行时间分别为t∆、t∆3，连续2和t∆执行n条指令所需要花费的最短时间约为（假设“取指令”、“分析”和“执行”可重叠并假设n足够大）：A. t6n∆B. t2n∆C. t3n∆D. tn∆答案C★★6.看下述程序段：k：R0=R1×R4k+1：R6=R5＋1k+2：R2=R0×R3k+3：R3=R4-1k+4：R2=R5K+5：……下列哪个数据相关没有在上述程序段中发生A. 先写后读相关B. 写-写相关C. 先读后写相关D. 以上都不对答案：D★7.看下述程序段：k：R5=R2k+1：R0=R1×R4k+2：R2=R5＋1k+3：R4=R0×R3k+4：R3=R4-1K+5：……k和k+2之间发生的是什么数据相关I. 先写后读相关II.写-写相关III. 先读后写相关A.只有IB.只有I、IIC.只有I、IIID.以上都不对答案：C★8. 一条流水线可分为k 段，各段的执行时间都是t ∆，共向该流水线输入n 个任务，第n 个任务结束于： A. t nk ∆B. ()t n k ∆+C. ()1-+n kD. ()t n k ∆-+1 答案：D★9. 一条流水线的可分为k 段，各段的执行时间都是t ∆，共向该流水线输入n 个任务，求该流水线实际吞吐率的为：A. t k nTP ∆=B. ()t n k n TP ∆-+=1C. tTP ∆=1 D. tn k nTP ∆-+=)1(答案：D ★10. 一条流水线可以由以下时空图来表示，求该流水线的实际吞吐率（假设n=100）B. MIPS 04.1C. MIPS.09709D. MIPS.09615答案：C★★11.一条4段的流水线可以由以下时空图来表示，求该流水线的实际吞吐率（假设n=100）B. MIPS.0165C. MIPS.0167D. MIPS.0328答案：D★12.一条流水线可以由以下时空图来表示，求该流水线的加速比B. 3C. 4D. 6答案：C★13. 一条4段流水线，每段执行时间为1ns ，求该流水线执行100条指令最大效率为： A. 100% B. 96.2% C. 97.1% D. 388% 答案：C ★14. 如下图所示的浮点加法流水部件，计算()10,,2,1 ==+i Z Y X i i i ，流水线经过多少时钟后排空（假设时钟为t ∆）B. 15C. 14D. 13 答案：B★15.A. (111111)B. (110111)C. (010101)D. (101010) 答案：D ★★16. 某动态流水线有S1、S2、S3和S4段，其特性由下图所示的预约表来表示A. 6B. 5C. 4D. 3.5 答案：C ★17. 下图所示的时空图对应的处理机为：B. 超标量处理机C. 超流水处理机D. 超标量超流水处理机 答案：C★18. 一台()n m ,度的超标量超流水线处理机的指令并行度为A. mB. m(n-1)C. (m-1)(n-1)D. mn ★★★19. 连续执行100条指令时，一台2度的超标量处理机的最大效率是多少（假设这里的每条流水线是4段标准流水线的流水线）A. 100%B. 97.1%C. 94.3%D. 92.6%答案：C★★★20.连续执行100条指令时，一台5度的超标量超流水线处理机的最大效率是多少（假设这里的每条流水线是基于4段标准流水线的超标量流水线）A. 100%B. 97.09%C. 96.34%D. 96.15%答案：C★21.在不同结构的处理机上运行的矩阵乘法C＝A×B，假设A是m×n阶的矩阵，B是n×l阶的矩阵，则最少需要进行多少次乘法和多少次加法A. mn, nlB. mnl, ml(n-1)C. mnl, mn(l-1)D. mnl, mnl答案：B★★22.试比较在指令并行度较低的情况下，具有相同指令并行度的超标量处理机a和超流水线处理机b的效率A. a>bB. a=bC. a<bD. 不能确定（和指令数有关）答案：A★★23.一条4个功能段的加－乘静态流水线，四个功能段如下所示，计算∑=⨯81 iiiB A，最少需要经过多少时间，假设运算的结果必须先写入到缓冲存储器才能供输入端使用。

并且只有当一个流水线排空后流水线才可以发生另一种运算。

(1)取指(2)译码、取数(3)运算(4)写结果A. 19B. 23C. 25D. 27答案：C ★★24.一条4个功能段的加－乘静态流水线，四个功能段如下所示，计算∑=⨯81 iiiB A，最少需要经过多少时间，假设运算的结果有专门的输出通路连接到输入端。

并且只有当一个流水线排空后流水线才可以发生另一种运算。

(5)取指(6)译码、取数(7)运算(8)写结果A. 16B. 23C. 25D. 27答案：B★25.一台标量处理机，具有一条5级指令流水线，每级均耗时1个时钟周期，执行一个具有20条指令的代码序列。

现将此标量处理机改为超流水线处理机，采用同样基准的指令流水线，不同的是每隔1/4个时钟周期发射1条指令，执行相同的代码序列。

问前后两次执行的加速比。

A. 2.4B. 2.46C. 2.67D. 2.75答案：B2 问答题★★1.简述流水线技术的特点答：流水线技术具有以下特点：⑴流水过程由多个相联系的子过程组成，每个过程称为流水线的“级”或“段”。

⑵流水技术适合于大量重复的时序过程。

★★2.请写出2种乱序流动方式中的数据相关，并举例说明分别在什么情况下发生（采用设计程序段的方式来说明）答：⑴写读相关：例如程序段R0=R1×R4; R2=R0×R3若第二条指令在第一条指令前执行则最终的结果与正确结果不同，此时发生写读相关⑵读写相关例如程序段R2=R0×R3; R3=R4-1若第二条指令在第一条指令前执行则最终的结果与正确结果不同，此时发生写读数据相关⑶写写相关例如程序段R2=R0×R3; R3=R4-1; R2=R5若指令三在指令一前发生则最终的结果与正确结果不同，此时发生写写数据相关★★3.在流水线处理机当中，可能有哪几种操作数据相关？这几种相关分别发生在什么情况下？解决操作数相关的基本方法有哪几种？答：①a. 写读相关（先读后写）例如程序段R0=R1×R4; R2=R0×R3若第二条指令在第一条指令前执行则最终的结果与正确结果不同，此时发生写读相关b. 写写相关例如程序段R2=R0×R3; R3=R4-1; R2=R5若指令三在指令一前发生则最终的结果与正确结果不同，此时发生写写数据相关c. 读写相关（先写后读）例如程序段R2=R0×R3; R3=R4-1若第二条指令在第一条指令前执行则最终的结果与正确结果不同，此时发生写读数据相关②解决数据相关的方法可以分为2大类：延迟执行、建立专用路径★4.解决流水线结构相关的方法有哪些？写出2种答：(1)流水化功能单元(2)资源重复★★5.降低流水线分支损失的方法有哪些？答：(1)在流水线中尽早判断出分支转移是否成功(2)尽早计算出分支转移成功时的PC值（即分支的目标地址）“冻结”“排空”流水线的方法：●预测分支失败●预测分支成功●延迟分支★★★6.试写出延迟分支的3种调度策略，并对其进行评价答：(1)从前调动分支必须不依赖于被调度阿指令，总是可以有效提高流水线的性能(2)从目标处调度若分支转移失败，必须保证被调度的指令对程序的执行没有影响，可能需要复制调度指令。

分支转移成功时，可提高流水线性能。

单由于复制指令，可能加大程序空间(3)从失败处调度若分支转移成功，必须保证被调度的指令对程序的执行无影响。

分支转移失败时，可提高流水线性能★7.简述单流水线标量处理机、超标量处理机、超流水线处理机、超标量超流水线处理机的特点答：具有标量数据表示和标量指令系统的处理机称为标量处理机，通常只有一条流水线，一个时钟周期内可以完成一条指令。

超标量处理机一般具有多于一条的流水线，一台m度的超标量处理机可同时发射m条指令，指令的发射等待时间为1个时钟，指令的并行度为m。

超流水线处理机一般具有一条k段的超流水线，一台n度的超流水处理机可以同时发射一条指令，指令的发射等待时间为1/n个时钟周期，每个时钟周期共发射n条指令。

指令的并行度为n。

m,度的超标量超标量超流水处理机一般具有多余1条的超流水线，一台()n超流水处理机可以同时发射m条指令，指令的发射等待时间为1/n个时钟周期，每个时钟周期共发射mn条指令，指令的并行度为mn。

★★8.画图说明什么是流水线“瓶颈”简述解决流水线瓶颈的方法答：A.将流水线的“瓶颈”部分再细分B.重复设置瓶颈流水段，让多个瓶颈流水段并行工作★9.什么是静态流水线？什么是动态流水线答：静态流水线：在同一时间内，多功能流水线种的各个功能只能按照一种固定的方式连接，实现一种固定的功能。

只有当按照这种连接方式工作的所有任务都流出流水线之后，多功能流水线才能重新尽心连接，以实现其他功能。

动态流水线：在同一时间内，多功能流水线种的割断可以按照不同的方式连接，同时执行多种功能。

其中流水线种各个功能部件不能发生冲突。

★★10.程序中有哪两类相关，分别可以采取什么方法来解决答：程序中可能出现下两类相关(1)数据相关数据相关指在执行本条指令的过程中，如果用到的指令、操作数、变址偏移量等是前面指令的执行结果，则必须等待前面的指令执行完成，并把结果写道主存或通用寄存器中之后，本条指令才能开始执行。