1、第三章流水線技術知識點匯總先行控制、流水線、單功能流水線、多功能流水線、靜態流水線、動態流水線、部件級流水線、處理機級流水線、處理機間流水線、線性流水線、非線性流水線、順序流水線、亂序流水線、時空圖、流水線性能評價（吞吐率、加速比、效率） 、解決流水線瓶頸問題方法、相關（數據相關、名相關、控制相關） 、換名技術、流水線沖突（結構沖突、數據沖突、控制沖突） 、流水線互鎖機制、定向技術、指令調度、預測分支失敗、預測分支成功、延遲分支（從前調度、從失敗處調度、從成功處調度） 、流水寄存器、 3 種向量處理方式（橫向、縱向、縱橫） 、鏈接技術。簡答題1. 流水技術有哪些特點？（答出 4 個即可） （知

2、識點：流水線）答： 1.將處理過程分解為若干子過程，由專門的功能部件來實現， 2 各段的時間盡可能相等， 3 各部件間都有一個緩沖寄存器， 4 適用于大量重復的時序過程， 5 需要通過時間和排空時間。2. 什么是靜態流水線？什么是動態流水線？（知識點：靜態流水線、動態流水線）答：同一時間段內，多功能流水線中的各段只能按同一種功能的連接方式工作；同一時間段內，多功能流水線中的各段可以按照不同的方式連接同時執行多種功能。3. 什么是單功能流水線？什么是多功能流水線？（知識點：單功能流水線、多功能流水線）答：只能完成一種固定功能的流水線。流水線的各段可以進行不同的連接，以實現不同的功能。4. 什么是

3、線性流水線？什么是非線性流水線？（知識點：線性流水線、非線性流水線）答：流水線的各段串行連接，沒有反饋回路。流水線中除了有串行的連接外，還有反饋回路。5. 列舉 3 種相關。 （知識點：相關）答：數據相關，名相關，控制相關。6. 流水線中有哪三種沖突？各是什么原因造成的？（知識點：流水線沖突）答：結構沖突，硬件資源滿足不了指令重疊執行的要求；數據沖突，指令在流水線中重疊執行時需要用到前面指令的執行結果；控制沖突，流水線遇到分支指令和其他會改變PC 值的指令。7. 選擇至少2 種解決流水線結構沖突的方法簡述。 （知識點：結構沖突）答：流水線停頓一個時鐘周期，推遲后面的指令操作。設置相互獨立的指令

4、存儲器和數據存儲器。8. 選擇至少2 種解決流水線數據沖突的方法簡述。 （知識點：數據沖突）答：定向技術，將計算結果從其產生的地方直接送到其他指令需要的地方。通過編譯時讓編譯器重新組織指令順序來消除沖突。9. 選擇至少 2 種解決流水線控制沖突的靜態方法簡述。 （知識點：控制沖突） 答：預測分支失敗，預測分支成功，延遲分支。10. 簡述流水寄存器的作用。 （知識點：流水寄存器）答：將各段的工作隔開使得相互不會干擾，保存相應各段的處理結果，向后傳到后面將要用到的數據或者控制信息。11. 簡述分支延遲槽的主要思想。 （知識點：延遲分支）答：編譯器每當遇到分支指令，就在其后連續生成 k 個空指令位，

5、稱為延遲槽，并根據不同的調度規則將原始代碼中分支指令附近的指令放進延遲槽中，如果延遲槽沒有填滿，剩余部分用 nop 指令填充，即氣泡。延遲槽中的指令同分支指令都看做普通的指令順序流水，無論分支指令成功與否，都先按順序執行延遲槽中的指令。延遲槽中的指令 “掩蓋 ” 了流水線原來必須插入的暫停周期，減少了分支指令帶來的延遲。12. 簡述分支延遲槽的三種調度策略。 （知識點：延遲分支）答：從前調度：從分支指令之前找一條獨立的指令移動到延遲槽中。從目標處調度：把分支成功的目標地址指令復制到延遲槽中，并把分支目標地址改成分支后繼地址。永遠猜測分支是成功的，如果猜錯，則丟棄延遲槽中指令的結果。從失敗處調度

6、：把分支失敗的目標地址指令移動到延遲槽中。永遠猜測分支是失敗的。如果猜錯，則丟棄延遲槽中指令的結果。選擇題1 關于流水線的下列說法，錯誤的是：（ C） （知識點：流水線）A 流水線能夠提高吞吐率；B 流 水線提高了器件的利用率；C 流 水線提高了單個任務的處理速度；D 消除流水線瓶頸的方法有 “瓶頸段細分方法”和 “瓶頸段重復設置方法”。2 寄存器換名技術可以減少如下相關帶來的暫停： （A ） （知識點：換名技術） A 讀后寫相關；B 結 構相關；C 寫 后讀相關；D 控制相關。3 .假設于MIPS流水線，由取指令（IF）、指令譯碼讀寄存器（ID）、執行（EX）、存儲器訪問（MEM ）、 寫寄

7、存器 （ WB ） 五段組成。 在一個時鐘周期中對同一個寄存器的讀操作和寫操作可以通過寄存器文件 “定向 ” ，有正常定向路徑。轉移指令在EX 段計算目標地址，在 MEM 段檢測分支條件。指令SUB R4, R3,R2 和 BNEZ R4, LOOP 之間應暫停的周期數為： （ B ） （知識點：數據沖突） A 3；B 2；C 1；D 0。4 流水方式是指（ D ） 。 （知識點：流水線）A 多部件同時執行一條指令B 多部件同時取出多條指令C.多部件同時解釋一條指令D.多部件同時解釋多條指令5 評價流水線的性能指標是（ D ） 。 （知識點：流水線性能評價）A.吞吐率、流水線的加速比和執行程序

8、所需要的時鐘周期數B 吞吐率、流水線的加速比和所執行的指令條數C.吞吐率、流水線的加速比和CPID 吞吐率、流水線的加速比和效率6 在順序流動的 MIPS 流水線中，可能發生的沖突有（ B ） 。 （知識點：數據沖突）A 同一條指令的讀操作和寫操作之間的寫后讀沖突B先 流入的指令的寫操作與后流入的指令的讀操作之間的寫后讀沖突C后 流入的指令的寫操作與先流入的指令的讀操作之間的讀后寫沖突D 兩條指令的寫操作之間的寫后寫沖突7 在具有加、乘法雙功能的靜態流水線中，功能切換的時間是在（ D ） 。 （知識點：多功能流水線、靜態流 水線）A前一個功能的第一個任務進入流水線后B前一個功能的第一個任務流出

9、流水線后C前一個功能的最后一個任務進入流水線后D前一個功能的最后一個任務流出流水線后8 非線性流水線的特征是（ B ） 。 （知識點：非線性流水線）A一次運算中使用流水線中的多個段B一次運算中要多次使用流水線中的某些功能段C流水線的各個功能段在不同運算中可以有不同的連接D流水線中某些功能段在各次運算中的作用不同9 以下哪種方法不能用于解決數據沖突（ A ） 。 （知識點：數據沖突）A鏈接技術B定向技術C流水線互鎖機制D編譯器指令調度10 以下哪種相關不會導致數據沖突（ D ） 。 （知識點：數據相關、名相關、數據沖突）A數據相關B反相關C輸出相關D讀后讀相關11 與線性流水線最大吞吐率有關的是

10、（C）A第一個功能段的執行時間B最快那一段的執行時間C.最慢那一段的執行時間D.最后的功能段的執行時間填空題1 .相關有三種類型，即（數據相關），（名相關）和（控制相關）。其中（）相關還包括輸出相關和反相關 兩種。2 .流水線中的沖突主要分為以下3種類型：（結構沖突）、（數據沖突）和（控制沖突），其中數據沖突又分為如下3類：（寫后讀沖突）、（讀后寫沖突）和（寫后寫沖突）。（知識點：數據沖突）3 .衡量流水線的主要性能指標是（吞吐率）、（加速比）和（效率）。N段不等長的流水線中，其結果的輸出速度取決于處理時間（最長）的子過程。（知識點：流水線性能評價）4 .消除流水線的瓶頸段的方法有（細分瓶頸段

11、）和（重復設置瓶頸段）2種。（知識點：解決流水線瓶頸問題方法）5 .三種通過軟件（編譯器）來減少分支延遲的方法為（預測分支失敗）、（預測分支成功）、（延遲分支）（知識點：控制沖突） 計算題1 .有一個動態多功能流水線，該流水線可進行乘法和加法運算，流水線有S1、S2、S3、S4、S5、S6六段,每段是等時的，Si、S4、S5、S6連接時完成加法功能，Si、S2、S3、&連接時完成乘法功能。試畫出計算Mi= （Xi+Yi）Zi（i=1 , 2,3,4）的時空圖，并計算實際吞吐率TP、加速比SP和效率E。（知識點：動態流水線、多功能流水線、流水線性能評價）答：確定算法：Ai=Xi+Yi (

12、i=1, 2, 3, 4)Mi=AiXZi (i=1 , 2, 3, 4)時空圖如下：swpA產A卡Mi戶岫q岫q岫AJsw%0孫知a取小甲Mi，岫+,SA爐Ml力岫。岫率尸S1PAi戶出卡44力M4P,X,11輸入：X1 X2 X3 X4 A1 A2 A3 A4 Y1 丫2 Y3 Y4 Z1 Z2 Z 3Z4輸出：A1 A2 A3 A4 M1 M2 M3 M4實際吞吐率：TP=n/Tk=8/11 At加速比：SP=Ts/Tk=4 %4 + 4)11A t=31 11效率：E=4X 8A/6X 11 At=16332 .有如下的指令序列Ii: LW R1,0(R6)I2： LW R2, 4(R

13、6)I3： MUL R5, Ri, R2I4： LW R3, 8(R6)I5： LW R4, 24(R6)I6： ADD R2, R3, R4I7： ADD R2, R2, R5如何進行指令調度使其執行延遲時間最短？進行指令調度所獲得的加速比是多少？(注：基于DLX指令處理，每條指令分為 5步：IF, ID, EX, MEM , WB,在一個時鐘周期中對同一個寄存器的讀操作和寫操作 可以通過寄存器文件 定向”，并且有正常的定向路徑)。(知識點：定向技術、指令調度、數據沖突)答：答案圖有問題，結果沒問題調度的，1.,2 n 工， 4 n6., 九。E 10 ,1L., 建， 13.,Il JLW

14、建1聞QIFn>,iECMKtH 1WB .1its T.1.1.1.1L aLW叫眄jIFi©1EKMEM1WBij.11.1ai.11.1J工一IFiID，fullEX.i甌7,1,11>1| 1LW.1IF jsuIUn>1EX,Bl EM iWE.,.1.11J.11L.LW員43例1.中IF,ID.iEJGMEMWEal'.1.1at1 JADD R2不只4>1if小+11IFin>.EZ.M >WB ,下.1ilADD F2兩再,1,1,1,1.1EFnstdl.iW aEXi"WBn,1)調度后-1。3卡3戶 411

15、* 的 7-E尹1口一11門卡LW Rl,0(R15IF*ID*EX*MEM+WB-00-p+?I*LW股皿2力IFmFeCpMEM”W5r0+J.p於ALLW R318(Rj6)p口IF*1口EX.MEM”WBQ0口舉和j .« *'LW RM必吁IFcID-EXMEM*'WBQpy卡IFMJL貶RI,咖口QIFQIMEX 口MEM"中p很ADD R2PR3PR4pQpIF-3MEM*WB4p如I肝ADD0比邪一p中pIF-0MEM/WB.1調度后的指令序列為Il, I2, I4, I5, I3, I6, I7加速比：SP=13A t/ 11At=13/1

16、1如果只有寄存器定向文件定向，那么答案應該是：調度前 17A1;調度后是14A6 該題目是既有正常定向路徑，又有寄存器文件定向路徑。3 .若一個動態浮點乘法流水線(如下圖所示)，每個功能段的時間均為 At,其乘積可直接返回輸入端或暫存于相應緩存器中。請畫出實現A陽Q<D的時空圖，并求出該流水線的吞吐率TP、加速比SP和效率E。(知識點：動態流水線、流水線性能評價)答：擬定算法：第一步計算AmB, CmD,設M=AmB, N=CmD第二步計算 AxBxCxD,即G=M mN時空圖：空間規格化MnG尾數乘MNG階乘MNG輸入 a,b c,dm,n時間輸出M NG吞吐率TP、加速比SP和效率E

17、TP=n/TK=3/7 . ：t ：0.43/. tSP=9/7 1.29E=(3 3. t)/( 3 7. ：t) 42.9%4 .假設一條指令的取指過程分為：取指令、分析和執行 3段，每一段的時間分別為 &、2&、3&。在下列 各種情況下，分別計算連續執行n條指令所需的時間。(1)順序執行方式；(2)取指令、分析和執行重疊。(知識點：流水線，流水線性能評價)答：(1)順序執行方式執行n條指令的時間：3Ts 二n、大二n ( t 2-t 3 t) =6n t i 1(2)取指令、分析和執行重疊執行n條指令的時間：3Ts% (n -1)max( t,2 t,3 t)i

18、1=6 t (n -1)3 t= 3n：t 3 t5.帶雙輸入端的加、乘雙功能靜態流水線有1、2、3、4四個功能部件，延時分別為 At, At,2At, At,加”由1一2一4組成，乘”由1 - 3 一 包成，輸出可直接返回輸入或鎖存，現執行'匕, b) i 土(1)畫出此流水線時空圖，標出流水線輸入端數據變化情況。(2)計算運算全shi部完成所需時間及在此期間流水線的效率。(3)將瓶頸子部件再細分，畫出解此題的時空圖。(4)求出按(3)解此題所需時間及在此期間流水線的效率。(知識點：多功能流水線、靜態流水線、流水線性能評價)答：(1)流水線時空圖如下圖：工1血 加“ 23 if就臬，

19、(2)全部完的時間是 23 At。效率=37 -t _37- 423 ；：t - 92(3)流水線時空圖如下所示。(4)所需時間為20 Ato效率 =37 ；：t =工 520 . '41006.有一條靜態多功能流水線由5段組成，加法用1、3、4、5段，乘法用1、2、5段，第3段的時間為2At,其余各段的時間均為而且流水線的輸出可以直接返回輸入端或暫存于相應的流水寄存器中。現要在4該流水線上計算，皿英時富圖，并計算其吞吐率、加速比和效率。(知識點：多功能流水線、靜態流i七水線、流水線性能評價)2AtAtAt乘法答：首先，應選擇適合于流水線工作的算法。對于本題，應先計算A1+B1、A2+

20、B2、A3+B3和A4+B4；再計算(A1+B1)(A2+ B2)和(A3+ B3)(A 4 + B 4)；然后求總的結果。其次，畫出完成該計算的時空圖，如圖所示，圖中陰影部分表示該段在工作。18個時間中,由圖可見,它在給出了 7個結果。所以吞吐率為:7TP二18.t如果不用流水線, 所以加速比為：由于一次求積需3義，一次求和需 5義,則產生上述 7個結果共需(4X5+3X3)At =29 Atoc 29.t , S = =1.6118. t該流水線的效率可由陰影區的面積和5個段總時空區的面積的比值求得:4 5 3 3E =二0.3225 187 . 一多功能8段動態流水線，實現乘法經過： 1

21、-2-3-4-5-6-7-8功能段；實現加法經過1-2-3-4-5-8.每一功能段的延遲時間都為 A,流水線的輸出可以直接返回輸入端或暫存于相應的流水寄存器中，計算向量點積和：Z=AB+CD+EF+GH 。(1)畫出時空圖；(2)計算吞吐率、加速比和效率；(3)分析該流水線的效率不高的原因。(知識點：多功能流水線、動態流水線、流水線性能評價)答：(1)時空圖:功能段.(2)從流水線的時空圖中看到，用 23個時鐘周期完成了 7個運算。當每一功能段的延遲時間都為At時，有 Tk=23At, n=7。流水線的吞吐率 TP 為：TP=n/Tk=7/ (23 At) =0.304/ At如果采用順序方式，完成一次加法要用6At完成一次乘法要用8Al全部運算要用：T0 =4 X 6 A t+3 X 8 A t=48 A t則加速比：S=T0/Tk=48At/(