计算机体系结构第三章答案

第三章答案

三、流水线技术（80空）

1、对阶尾数相加

2、求阶差规格化

3、时间流水线的各段

4、尽量相等流水线的瓶颈

5、通过时间大量重复的时序输入端能连续地提供任务

6、静态动态

7、部件级处理机级

8、标量流水处理机向量流水处理机

9、线性流水线非线性流水线

10、执行/有效地址计算周期存储器访问/分支完成周期

11、译码读寄存器

12、ALUoutput←A op B ALUoutput←NPC + Imm

13、分支 STORE指令

14、ALU指令 LOAD指令

15、单周期多周期

16、重复设置指令执行功能部件流水

17、吞吐率等功能非流水线

18、通过时间排空时间

19、流水线寄存器的延迟时钟扭曲

20、数据相关控制相关

21、结构相关数据相关

22、结构数据

23、硬件开销功能单元的延迟

24、写后读读后写写后读

25、写后读读后写

26、PC值改变为分支转移的目标地址PC值保持正常（等于当前值加4）

27、目标地址分支转移条件不成立

28、8 存储器

29、多功能线性8

30、水平处理方式垂直处理方式

31、纵向处理方式纵横处理方式

32、存储器向量寄存器

33、访问存储器的次数对存储器带宽的要求

34、每秒执行多少指令（MIPS）每秒取得多少个浮点运算结果（MFLOPS）

35、512 8

36、链接技术向量循环或分段开采技术

37、源向量结果向量

38、向量功能部件标量寄存器向量寄存器块

39、向量寄存器向量功能部件

3.1流水线的基本概念

1、流水线：将一个重复的时序过程，分解为若干个子过程，而每一个子过程都可有效地在

其专用功能段上与其他子过程同时执行。

2、单功能流水线：只能完成一种固定功能的流水线。

3、多功能流水线：流水线的各段可以进行不同的连接，从而使流水线在不同的时间，或者在同一时间完成不同的功能。

4、静态流水线：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。

5、动态流水线：同一时间内，当某些段正在实现某种运算时，另一些段却在实现另一种运算。

6、部件级流水线：（运算操作流水线）把处理机的算术逻辑部件分段，以便为各种数据类型进行流水操作。

7、处理机级流水线：（指令流水线）把解释指令的过程按照流水方式处理。

8、线性流水线：指流水线的各段串行连接，没有反馈回路。

9、非线性流水线：指流水线中除有串行连接的通路外，还有反馈回路。

10、标量流水处理机：处理机不具有向量数据表示，仅对标量数据进行流水处理。

11、向量流水处理机：处理机具有向量数据表示，并通过向量指令对向量的各元素进行处理。

3.2 DLX 的基本流水线

12、固定字段译码：在DLX指令多周期实现中，由于DLX指令格式中操作码在固定位置，且都是6位编码，在指令执行的第二个时钟周期，指令译码和读寄存器并行进行，这种技术称为固定字段译码。

13、吞吐率：吞吐率是指单位时间内流水线所完成的任务数或输出结果的数量。

14、最大吞吐率：最大吞吐率是指流水线在连续流动达到稳定状态后所得到的吞吐率。

15、流水线效率：由于流水线有通过时间和排空时间，所以流水线的各段并不是一直满负荷地工作。效率是指流水线的设备利用率。

3.3流水线中的相关

16、结构相关：某些指令组合在流水线中重叠执行时，发生资源冲突，则称该流水线有结构相关。

17、数据相关：当指令在流水线中重叠执行时，流水线有可能改变指令读/写操作的顺序，使得读/写操作顺序不同于它们非流水实现时的顺序，将导致数据相关。

18、定向：将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，或所有需要它的功能单元，避免暂停。

19、Load互锁：由Load指令引起的RAW相关，当检测到相关后，控制部件必须在流水线中插入暂停周期，并使IF和ID段中的指令停止前进。

20、写后读相关：两条指令i，j，i在j前进入流水线，j执行要用到i的结果，但当其在流水线中重叠执行时，j可能在i写入其结果之前就先行对保存该结果的寄存器进行读操作，得到错误值。

21、读后写相关：两条指令i，j，i在j前进入流水线，j可能在i读某个寄存器之前对该寄存器进行写操作，导致i读出数据错误。

22、写后写相关：两条指令i，j，i在j前进入流水线，j、i的操作数一样，在流水线中重叠执行时，j可能在i写入其结果之前就先行对保存该结果的寄存器进行写操作，导致写错误。

3.4MIPS R4000 流水线计算机

3.5向量处理机

23、水平（横向）处理方式：在向量处理机中，向量指令对数据分量的处理方式是按行的方式从左至右横向地进行。

24、垂直（纵向）处理方式：在向量处理机中，向量指令对数据分量的处理方式是按列的方式至上而下纵向地进行。

25、分组（纵横）处理方式：在向量处理机中，向量指令对数据分量的处理方式是把向量分成长度为某个固定值的若干组，组内按纵向方式处理，依次处理各组。

3.1 流水线的基本概念

1、流水技术的特点有哪些？

答：（1）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”；

每个子过程由专用的功能段实现；2分

（2）各个功能段所需时间应尽量相等，否则，时间长的功能段将成为流水线的瓶颈，会造成流水线的“堵塞”和“断流”；2分

（3）流水线需要有“通过时间”(第一个任务流出结果所需的时间)，在此之后流水过程才进入稳定工作状态，每一个时钟周期(拍)流出一个结果；1分（4）流水技术适合于大量重复的时序过程，只有在输入端能连续地提供任务，流水线的效率才能充分发挥。1分

3.2 DLX 的基本流水线

1、在DLX指令的多周期实现中，一条DLX指令需4或5个时钟周期。请写出各时钟周期中文名称以及R-R类型ALU指令在每个时钟周期中所做的操作。

答：（1）取指令周期（IF）IR ←Mem[PC]NPC ←PC＋4 1分

（2）指令译码/读寄存器周期（ID）A ←Regs[IR6..10] B ←Regs[IR11..15] Imm ←(IR16)16 ## IR16..311分

（3）执行/有效地址计算周期（EX） ALUOutput ← A op B 1分

（4）存储器访问/分支完成周期（MEM）LMD ← Mem[ALUOutput] 1分

（5）写回周期（WB） Regs[IR16..20] ← ALUOutput 2分

2、从CPI和CC的角度考虑，指令的实现有哪两种方案，各有何优缺点？

答：实现方案一：一条指令用多个时钟周期CPI>1

优点：有利于流水线实现指令的执行。

缺点：硬件冗余大

实现方案二：一条指令用一个长时钟周期

CPI =1 但CC2远大于多周期实现的CC1

优点：临时寄存器可省去

缺点：1、低效率指令要执行的操作总量变化较大，不同指令实现所需要的时钟周期时间大不一样。

2、基于单周期实现提高程序执行速度需要重复设置指令执行功能部件，而基于多周期实现提高速度可采用流水技术。