吉林大学 计算机系统结构题库 第三章

第三章流水线技术知识点汇总先行控制、流水线、单功能流水线、多功能流水线、静态流水线、动态流水线、部件级流水线、处理机级流水线、处理机间流水线、线性流水线、非线性流水线、顺序流水线、乱序流水线、时空图、流水线性能评价（吞吐率、加速比、效率）、解决流水线瓶颈问题方法、相关（数据相关、名相关、控制相关）、换名技术、流水线冲突（结构冲突、数据冲突、控制冲突）、流水线互锁机制、定向技术、指令调度、预测分支失败、预测分支成功、延迟分支（从前调度、从失败处调度、从成功处调度）、流水寄存器、3种向量处理方式（横向、纵向、纵横）、链接技术。

简答题1.流水技术有哪些特点？（答出4个即可）（知识点：流水线）答：1.将处理过程分解为若干子过程，由专门的功能部件来实现，2各段的时间尽可能相等，3各部件间都有一个缓冲寄存器，4适用于大量重复的时序过程，5需要通过时间和排空时间。

2.什么是静态流水线？什么是动态流水线？（知识点：静态流水线、动态流水线）答：同一时间段内，多功能流水线中的各段只能按同一种功能的连接方式工作；同一时间段内，多功能流水线中的各段可以按照不同的方式连接同时执行多种功能。

3.什么是单功能流水线？什么是多功能流水线？（知识点：单功能流水线、多功能流水线）答：只能完成一种固定功能的流水线。

流水线的各段可以进行不同的连接，以实现不同的功能。

4.什么是线性流水线？什么是非线性流水线？（知识点：线性流水线、非线性流水线）答：流水线的各段串行连接，没有反馈回路。

流水线中除了有串行的连接外，还有反馈回路。

5.列举3种相关。

（知识点：相关）答：数据相关，名相关，控制相关。

6.流水线中有哪三种冲突？各是什么原因造成的？（知识点：流水线冲突）答：结构冲突，硬件资源满足不了指令重叠执行的要求；数据冲突，指令在流水线中重叠执行时需要用到前面指令的执行结果；控制冲突，流水线遇到分支指令和其他会改变PC值的指令。

7.选择至少2种解决流水线结构冲突的方法简述。

（知识点：结构冲突）答：流水线停顿一个时钟周期，推迟后面的指令操作。

设置相互独立的指令存储器和数据存储器。

8.选择至少2种解决流水线数据冲突的方法简述。

（知识点：数据冲突）答：定向技术，将计算结果从其产生的地方直接送到其他指令需要的地方。

通过编译时让编译器重新组织指令顺序来消除冲突。

9.选择至少2种解决流水线控制冲突的静态方法简述。

（知识点：控制冲突）答：预测分支失败，预测分支成功，延迟分支。

10.简述流水寄存器的作用。

（知识点：流水寄存器）答：将各段的工作隔开使得相互不会干扰，保存相应各段的处理结果，向后传到后面将要用到的数据或者控制信息。

11.简述分支延迟槽的主要思想。

（知识点：延迟分支）答：编译器每当遇到分支指令，就在其后连续生成k个空指令位，称为延迟槽，并根据不同的调度规则将原始代码中分支指令附近的指令放进延迟槽中，如果延迟槽没有填满，剩余部分用nop指令填充，即气泡。

延迟槽中的指令同分支指令都看做普通的指令顺序流水，无论分支指令成功与否，都先按顺序执行延迟槽中的指令。

延迟槽中的指令“掩盖”了流水线原来必须插入的暂停周期，减少了分支指令带来的延迟。

12.简述分支延迟槽的三种调度策略。

（知识点：延迟分支）答：从前调度：从分支指令之前找一条独立的指令移动到延迟槽中。

从目标处调度：把分支成功的目标地址指令复制到延迟槽中，并把分支目标地址改成分支后继地址。

永远猜测分支是成功的，如果猜错，则丢弃延迟槽中指令的结果。

从失败处调度：把分支失败的目标地址指令移动到延迟槽中。

永远猜测分支是失败的。

如果猜错，则丢弃延迟槽中指令的结果。

选择题1．关于流水线的下列说法，错误的是：（C ）（知识点：流水线）A．流水线能够提高吞吐率；B．流水线提高了器件的利用率；C．流水线提高了单个任务的处理速度；D．消除流水线瓶颈的方法有“瓶颈段细分方法”和“瓶颈段重复设置方法”。

2．寄存器换名技术可以减少如下相关带来的暂停：（ A ）（知识点：换名技术）A．读后写相关；B．结构相关；C．写后读相关；D．控制相关。

3．假设对于MIPS流水线，由取指令（IF）、指令译码读寄存器（ID）、执行（EX）、存储器访问（MEM）、写寄存器（WB）五段组成。

在一个时钟周期中对同一个寄存器的读操作和写操作可以通过寄存器文件“定向”，有正常定向路径。

转移指令在EX段计算目标地址，在MEM段检测分支条件。

指令SUB R4, R3, R2 和BNEZ R4, LOOP之间应暂停的周期数为：（ B ）（知识点：数据冲突）A．3；B．2；C．1；D．0。

4．流水方式是指（D ）。

（知识点：流水线）A．多部件同时执行一条指令B．多部件同时取出多条指令C．多部件同时解释一条指令D．多部件同时解释多条指令5．评价流水线的性能指标是（D ）。

（知识点：流水线性能评价）A．吞吐率、流水线的加速比和执行程序所需要的时钟周期数B．吞吐率、流水线的加速比和所执行的指令条数C．吞吐率、流水线的加速比和CPID．吞吐率、流水线的加速比和效率6．在顺序流动的MIPS流水线中，可能发生的冲突有（ B ）。

（知识点：数据冲突）A．同一条指令的读操作和写操作之间的写后读冲突B．先流入的指令的写操作与后流入的指令的读操作之间的写后读冲突C．后流入的指令的写操作与先流入的指令的读操作之间的读后写冲突D．两条指令的写操作之间的写后写冲突7．在具有加、乘法双功能的静态流水线中，功能切换的时间是在（D ）。

（知识点：多功能流水线、静态流水线）A．前一个功能的第一个任务进入流水线后B．前一个功能的第一个任务流出流水线后C．前一个功能的最后一个任务进入流水线后D．前一个功能的最后一个任务流出流水线后8．非线性流水线的特征是（B ）。

（知识点：非线性流水线）A．一次运算中使用流水线中的多个段B．一次运算中要多次使用流水线中的某些功能段C．流水线的各个功能段在不同运算中可以有不同的连接D．流水线中某些功能段在各次运算中的作用不同9．以下哪种方法不能用于解决数据冲突（A ）。

（知识点：数据冲突）A．链接技术B．定向技术C．流水线互锁机制D．编译器指令调度10．以下哪种相关不会导致数据冲突（D ）。

（知识点：数据相关、名相关、数据冲突）A．数据相关B．反相关C．输出相关D．读后读相关11．与线性流水线最大吞吐率有关的是（C）A．第一个功能段的执行时间B．最快那一段的执行时间C．最慢那一段的执行时间D．最后的功能段的执行时间填空题1.相关有三种类型，即（数据相关），（名相关）和（控制相关）。

其中（）相关还包括输出相关和反相关两种。

2.流水线中的冲突主要分为以下3种类型：（结构冲突）、（数据冲突）和（控制冲突），其中数据冲突又分为如下3类：（写后读冲突）、（读后写冲突）和（写后写冲突）。

（知识点：数据冲突）3.衡量流水线的主要性能指标是（吞吐率）、（加速比）和（效率）。

N段不等长的流水线中，其结果的输出速度取决于处理时间（最长）的子过程。

（知识点：流水线性能评价）4.消除流水线的瓶颈段的方法有（细分瓶颈段）和（重复设置瓶颈段）2种。

（知识点：解决流水线瓶颈问题方法）5.三种通过软件（编译器）来减少分支延迟的方法为（预测分支失败）、（预测分支成功）、（延迟分支）。

（知识点：控制冲突）计算题1．有一个动态多功能流水线，该流水线可进行乘法和加法运算，流水线有S1、S2、S3、S4、S5、S6六段，每段是等时的，S1、S4、S5、S6连接时完成加法功能，S1、S2、S3、S6连接时完成乘法功能。

试画出计算M i=（X i+Y i）Z i（i=1，2，3，4）的时空图，并计算实际吞吐率TP、加速比SP和效率E。

（知识点：动态流水线、多功能流水线、流水线性能评价）答：确定算法：A i=X i＋Y i（i=1，2，3，4）M i=A i×Z i（i=1，2，3，4）时空图如下：输入：X1 X2 X3 X4 A1 A2 A3 A4 Y1 Y2 Y3 Y4 Z1 Z2 Z 3Z4输出：A1 A2 A3 A4 M1 M2 M3 M4实际吞吐率：TP=n／T k=8／11Δt加速比：SP=T s／T k=4×(4＋4)Δt／11Δt=32／11效率：E=4×8Δt／6×11Δt=16／332．有如下的指令序列I1: LW R1, 0(R6)I2: LW R2, 4(R6)I3: MUL R5, R1, R2I4: LW R3, 8(R6)I5: LW R4, 24(R6)I6: ADD R2, R3, R4I7: ADD R2, R2, R5如何进行指令调度使其执行延迟时间最短？进行指令调度所获得的加速比是多少？（注：基于DLX指令处理，每条指令分为5步：IF，ID，EX，MEM，WB，在一个时钟周期中对同一个寄存器的读操作和写操作可以通过寄存器文件“定向”，并且有正常的定向路径）。

（知识点：定向技术、指令调度、数据冲突）答：答案图有问题，结果没问题调度后的指令序列为I1，I2，I4，I5，I3，I6，I7加速比：SP=13Δt／11Δt=13／11如果只有寄存器定向文件定向，那么答案应该是：调度前17Δt，调度后是14Δt。

该题目是既有正常定向路径，又有寄存器文件定向路径。

3．若一个动态浮点乘法流水线（如下图所示），每个功能段的时间均为∆t，其乘积可直接返回输入端或暂存于相应缓存器中。

请画出实现A⨯B⨯C⨯D的时空图，并求出该流水线的吞吐率TP、加速比SP和效率E。

（知识点：动态流水线、流水线性能评价）答：拟定算法：第一步计算 A ⨯B ，C ⨯D ，设M=A ⨯B ，N=C ⨯D第二步计算 A ⨯B ⨯C ⨯D ，即G=M ⨯N 时空图：空间规格化 M N G 尾数乘 M N G 阶乘MNG 输入 A,B C,DM,N 时间 输出MNG吞吐率TP 、加速比SP 和效率ETP=n/T K =3/7∆t ≈0.43/∆t SP=9/7≈1.29E=(3⨯3∆t)/( 3⨯7∆t) ≈42.9%4． 假设一条指令的取指过程分为：取指令、分析和执行3段，每一段的时间分别为∆t 、2∆t 、3∆t 。

在下列各种情况下，分别计算连续执行n 条指令所需的时间。

（1）顺序执行方式；（2）取指令、分析和执行重叠。

（知识点：流水线，流水线性能评价）答：（1）顺序执行方式 执行n 条指令的时间：t n t t t n t n T i i S ∆=∆+∆+∆⨯=∆⋅=∑=6)32(31（2）取指令、分析和执行重叠 执行n 条指令的时间：tt n t n t t t t n t T i i S ∆+∆=∆-+∆=∆∆∆-+∆=∑=333)1(6)3,2,max()1(315． 带双输入端的加、乘双功能静态流水线有1、2、3、4四个功能部件，延时分别为△t ，△t ， 2△t ，△t ，“加”由1→2→4组成，“乘”由1→ 3→ 4组成，输出可直接返回输入或锁存，现执行[]∑=•+41)(i iiic b a阶 加 尾数乘 规格化 输入积（1）画出此流水线时空图，标出流水线输入端数据变化情况。