流水线处理器冲突问题
计算机体系结构试卷试题(答案全)
一填空题（每空1分，共30分）1、系列机是指具有相同的体系结构，但具有不同组织和实现的一系列不同型号的机器。
2、存储程序计算机结构上的主要特点之一是以运算器为中心。
3、从计算机系统结构的多级层次结构可知，通常情况下，第1、2、3级用解释方法实现，第4或更高级用翻译方法实现。
4、对于最常见的事件，通常赋予它优先的处理权和资源使用权，这是计算机体系结构设计中的大概率事件优先原则。
5、容量为64块的Cache采用组相联方式映像，字块大小为128字节，每4块为一组，若主存容量为4096块，且以字编址，那么主存地址为 19 位，主存区号为 6 位。
6、可改进比例的值总是小于等于1 。
7、一般有两种策略来保存寄存器的内容,即：调用者保存和被调用者保存。
8、DLX指令集提供了立即数寻址、寄存器寻址、偏移寻址和寄存器间接寻址4种寻址方式。
9、对某流水线处理器测试时发现其存在结构冲突，通常可采用资源重复和流水化功能单元方法解决该问题。
10、编译器通过重新组织代码顺序消除暂停的技术被称为指令调度。
11、按照流水的级别可以把流水线分为部件级流水线、处理机级流水线和处理机间流水线。
12、为解决流水线使用非流水数据通路的寄存器引起冲突，在流水线设计中采用寄存器文件技术解决该问题。
13、Cache的替换算法常见的有 FIFO 、LRU 和随机法。
14、改进Cache性能的方法主要有降低失效率、减少失效开销和减少Cache命中时间。
15、减少流水线处理分支暂停时钟周期数的途径包括尽早判断分支转移是否成功和尽早计算出分支成功转移的PC值。
二、选择题（1—15题，每题1分，共15分）1、下面的指令中， A 不属于RISC处理器指令集。
Ａ.ADD R4,[1000] Ｂ.LD R3,(R4) Ｃ.SUB R4,R3 Ｄ.SD 0(R3),R42. 在其它部件性能保持不变的情况下，对CPU性能的不断改进并没有获得期望的结果，这主要是受到了 A 的影响。
浅析处理器流水线冒险原因和解决方案
0 引言流水线技术一方面提升了处理器执行速率，另一方面单指令的执行和过程并没有缩减。
处理器在执行流水线作业时，还需要执行控制指令，从而增加系统的开销，所以单个指令平均执行时间会略有上升。
但就总体执行而言，CPU 执行指令的时间更短，吞吐量更大，这意味着程序整体运行得更快。
经典处理器采用五级流水线通路：IF(取指令） ID （指令译码，读寄存器堆） EX （指令执行或地址计算） MEM （数据内存访问）和WB （写回）。
指令执行时间方面：以五级流水线为例（如图1），假设每个时钟周期为t，总共需要执行n 条指令，那么所需时间为执行5*t （n-1）。
如果采用串行执行方式（如图2），执行时间为5*t*n。
这样当指令数较多时，理想状态下流水线方式的效率是串行的5倍。
CPU 流水线模式下,需要规避一些影响指令执行的问题：1）同一个时钟周期内，同一处理单元只能执行一个任务，如执行运算和内存访问不能由同一处理单元在同一时钟周期执行。
2）读取指令和操作数据需要使用各自独立的缓存，即哈弗结构，以避免二者同时访问存储单元。
3）译码与写回操作访问同一寄存器。
而流水线方式执行时，由于上述制约，以及时钟驱动偏差、软硬件延时等原因，有可能出现指令在该时钟周期无法顺利执行，延迟到下个时钟周期执行的情况，这就是流水线风险。
1 流水线冒险类型常见的冒险主要有结构冒险、数据冒险和控制冒险三种。
（1）结构冒险（structural hazard）是指由于资源争夺导致几条指令不能在同一时钟周期内执行，则称为处理器中含有结构性冒险。
如果流水线结构中有一个寄存器，访问内存和读取指令时都要访问同一个内存，流水线就会发生结构冒险。
（2）数据冒险：一个操作需要等待另一个操作完成后才能进行，这样流水线被迫停止，这种情况称为数据冒险。
Keywords: processor;branch prediction; processor pipeline design图2 串行执行方式图1 流水线执行方式2.2 数据冒险解决数据冒险的一个主流方法是转发（也叫旁路）：即前一条指令得到的结果不回写至寄存器，而直接转发至下一条指令。
计算机体系结构——流水线技术（Pipelining）
单功能流水线：流水线只完成一种固定功能 多功能流水线：流水线可以完成多种功能，如 TI公司的ASC机，8段流水线，能够实现：定点加减 法、定点乘法、浮点加法等功能 3.按同一时间内各段之间的连接方式分 静态多功能流水线 ：同一时间内，多功能结构只能按一种功能的连接方式工作。 动态多功能流水线：在同一时间内，可以有多种功能的连接方式同时工作 4.按处理的数据类型 标量流水线 向量流水线 5.按控制方式 同步流水线 异步流水线：当Si功能段要向Si+1段传送数据时，首 先发出就绪信号，Si+1功能段收到信号后，向Si回送 一个回答信号。 6.按任务从输出端的流出顺序 顺序流水方式：指令流出顺序 = 指令流入顺序 乱序流水方式：指令流出顺序 ！= 指令流入顺序 7. 线性流水线——不带反馈回路的流水线
三、流水线的分类（了解）
四、流水线相关及冲突（重点） 1.流水线相关 2.流水线冲突 3.流水线冲突带来问题 4.数据冲突及其解决方案 5.结构冲突及其解决方案 6.控制冲突及其解决方案
五、流水线性能分析(含例题讲解) 1.流水线的基本参数——吞吐率 2.流水线的基本参数——加速比 3.流水线的基本参数——效率 4.结果分析 5.有关流水线性能的若干问题
整体评估、反馈、再改进
3. 指令周期
单周期处理机模型：一个周期完成一个指令（每个周期是等长的），指令长度可能不一样，会造成很大的浪费 多周期处理机模型：将一个指令的完成划分成若干个周期来实现 流水线模型
二、流水线技术 1. 什么是流水线？ 计算机中的流水线是把一个重复的过程分解为若干个子过程，每个子过程与其他子过程并行进行。由于这种工作方式与工厂中的生产 流水线十分相似， 因此称为流水线技术 从本质上讲，流水线技术是一种时间并行技术。
DSP课后习题答案--李建
第一章：1、数字信号处理的实现方法一般有哪几种？(1）在通用的计算机上用软件实现（2）在通用计算机系统中加上专用的加速处理机实现(3）用通用的单片机实现，这种方法可用于一些不太复杂的数字信号处理(4）用通用的可编程DSP 芯片实现,可用于复杂的数字信号处理算法（5）用专用的DSP 芯片实现(6）用基于通用dsp 核的asic 芯片实现2、简单的叙述一下dsp 芯片的发展概况？答：第一阶段，DSP 的雏形阶段（1980 年前后）代表产品：S2811。
主要用途：军事或航空航天部门第二阶段，DSP 的成熟阶段（1990 年前后)代表产品：TI 公司的TMS320C20 主要用途：通信、计算机领域第三阶段，DSP 的完善阶段（2000 年以后)代表产品：TI 公司的TMS320C54 主要用途：各行业领域3、可编程dsp 芯片有哪些特点?(1）采用哈佛结构：冯.诺依曼结构,哈佛结构，改进型哈佛结构(2)采用多总线结构(3）采用流水线技术（4）配有专用的硬件乘法-累加器（5) 具有特殊的dsp 指令（6）快速的指令周期(7) 硬件配置强(8）支持多处理器结构（9）省电管理和低功耗4、什么是哈佛结构和冯.诺依曼结构？它们有什么区别？哈佛结构：该结构采用双存储空间,程序存储器和数据存储器分开，有各自独立的程序总线和数据总线，可独立编址和独立访问,可对程序和数据进行独立传输，使取指令操作、指令执行操作、数据吞吐并行完成, 大大地提高了数据处理能力和指令的执行速度，非常适合于实时的数字信号处理。
冯.诺依曼结构：该结构采用单存储空间，即程序指令和数据共用一个存储空间，使用单一的地址和数据总线，取指令和取操作数都是通过一条总线分时进行。
当进行高速运算时，不但不能同时进行取指令和取操作数，而且还会造成数据传输通道的瓶颈现象，其工作速度较慢。
区别: 哈佛：该结构采用双存储空间，程序存储器和数据存储器分开，有各自独立的程序总线和数据总线,可独立编址和独立访问,可对程序和数据进行独立传输,使取指令操作、指令执行操作、数据吞吐并行完成，大大地提高了数据处理能力和指令的执行速度，非常适合于实时的数字信号处理。
分析流水线处理器的中断和异常响应机制
分析流水线处理器的中断和异常响应机制——以ARM7系列3级流水线为例SC11011042-吴德云为增加处理器指令流的速度，ARM7系列使用3级流水线，允许多个操作同时处理，比逐条指令执行要快。
[1]图1ARM7流水线技术示意图PC 指向正被取指的指令，而非正在执行的指令。
ARM 流水线的一条指令只有在完全通过”执行”阶段才被处理。
这句话很重要，也就是说，当处理器开始取第四条指令时，第一条指令才完成执行。
我们如果不考虑流水线的设计，只看它的原理，其实是很简单的，他的复杂之处在于发生流水线冒险时，如何保证其工作得仍然很好。
流水线冒险一般分为控制冒险和数据冒险，而数据冒险一般可分为阻塞(即下一条指令依赖于前一条指令的结果)、分支和跳转、异常（异常和中断）。
由于ARM 是硬件flush 流水设计的，当发生冒险时，会暂停取指，然后清流水，(MIPS 解决冒险通常依赖于编译器，比如插入一条NOP 指令及重新排列指令序列)。
1.1ARM7的中断响应机制1.1.1中断延时从外部请求信号发出到取出对应的中断服务程序(ISR)的第一条指令，这期间的间隔时间。
1.1.2中断过程ARM 体系中通常在存储地址的低端固化了一个32字节的硬件中断向量表，用来指定各异常中断及其处理程序的对应关系。
当一个异常出现以后，ARM 微处理器会执行以下几步操作：1）保存处理器当前状态、中断屏蔽位以及各条件标志位；2）设置当前程序状态寄存器CPSR 中相应的位；3）将寄存器lr_mode 设置成返回地址；4）将程序计数器(PC)值设置成该异常中断的中断向量地址，从而跳转到相应的异常中断处从存储器中读取指令解码指令寄存器读（从寄存器Bank ）移位及ALU 操作寄存器写（到寄存器Bank ）PC PC PC -4PC-2PC -8PC -4ARM Thumb理程序处执行。
在接收到中断请求以后，ARM处理器内核会自动执行以上四步，程序计数器PC总是跳转到相应的固定地址。
计算机组成原理基础知识流水线技术和超标量处理器
计算机组成原理基础知识流水线技术和超标量处理器计算机组成原理基础知识：流水线技术和超标量处理器计算机组成原理是指计算机硬件的基本组成和工作原理。
在计算机科学与技术领域，流水线技术和超标量处理器是两个重要的概念。
本文将介绍这两种技术的基本原理和应用。
一、流水线技术流水线技术是指将一个复杂的操作分解成多个简单的子操作，并将这些子操作连续地执行，以提高计算机的指令执行效率。
在传统的自顶向下的设计方法中，计算机硬件主要包括控制器、运算器等单一功能模块，而在流水线技术中，计算机硬件被划分成多个阶段，每个阶段执行一个特定的功能子模块。
经典的流水线包括取指、译码、执行、访存和写回等阶段。
在取指阶段，计算机从存储器中读取指令；在译码阶段，计算机对指令进行解码并读取相应的操作数；在执行阶段，计算机执行相应的操作；在访存阶段，计算机对数据进行读写操作；在写回阶段，计算机将执行结果写回到寄存器或存储器。
流水线技术的优点是可以充分利用计算机硬件资源，提高指令的并行执行程度。
但是，流水线技术也存在一些问题，例如数据的相关性和冒险问题，需要通过一些技术手段来解决。
二、超标量处理器超标量处理器是一种在流水线技术基础上的改进方案。
传统的流水线技术中，每个阶段只能执行一个指令，而超标量处理器允许在同一个时钟周期内执行多个指令，以进一步提高计算机的执行效率。
超标量处理器主要依靠两个关键技术来实现多指令并行执行：乱序执行和动态调度。
乱序执行是指根据指令之间的依赖关系，按照合理的顺序执行指令，而不是按照指令在程序中的顺序执行。
动态调度是指通过硬件对指令进行调度，在不改变程序语义的前提下，尽可能地重排指令的执行顺序，以提高指令的并行度。
超标量处理器的工作原理可以简单描述为：在取指阶段，计算机从存储器中读取多个指令；在译码阶段，计算机对这些指令进行解码；在执行阶段，计算机并行执行多个指令；在访存阶段，计算机同时进行多个数据的读写操作；在写回阶段，计算机将执行结果写回到寄存器或存储器。
dual instruction issue hazard
dual instruction issue hazard什么是双指令冲突？在计算机体系结构中，指令流水线（Instruction pipelining）是一种技术，用于提高处理器的执行效率。
它允许多条指令在同时执行的不同阶段中，以重叠执行的方式进一步提高处理器的性能。
然而，指令流水线也引入了一种称为双指令冲突（Dual Instruction Issue）的问题，它可能会导致指令的执行顺序产生错误，影响了计算机的正确性和稳定性。
双指令冲突是指在流水线的两个连续阶段中，两条指令可能发生冲突的情况。
这两个连续阶段通常是指令的译码和执行阶段。
当两条指令在这两个阶段都需要同时使用某个资源时，就会发生双指令冲突。
在指令的译码阶段，计算机会解码指令并确定其操作码。
同时，计算机还会识别和解析指令中包含的寄存器和内存地址等操作数，以便在执行阶段使用。
在执行阶段，计算机根据指令的操作码以及操作数执行相应的操作，比如算术运算、逻辑运算、数据加载和存储等。
当两条指令同时需要访问同一资源时，就会发生双指令冲突。
这些资源可以是寄存器、内存地址、输入输出设备等。
对于寄存器资源，冲突可以是由于两条指令都需要写入同一个寄存器造成的。
而对于内存地址资源，冲突可以是由于两条指令都需要读取或写入同一个内存地址造成的。
类似地，对于输入输出设备，如果两条指令都需要访问同一个设备，也会引发冲突。
双指令冲突会导致指令流水线的执行顺序产生错误。
通常情况下，一条指令的译码和执行会在下一条指令的译码和执行之间重叠进行。
但是，由于双指令冲突，这种重叠执行可能会中断或被重新排序，导致结果不正确。
为了解决双指令冲突问题，有几种常见的方法。
一种方法是通过插入适当的延迟来解决冲突。
这种方法可以保证指令的正确执行顺序，但会降低处理器的性能。
另一种方法是使用更复杂的指令调度算法来重排序指令，以最小化冲突的发生。
这种方法可以提高处理器的性能，但需要更复杂的硬件支持。
计算机组成原理复习题库流水线题
4.假设指令流水线分取指（IF）、译码（ID）、 执行（EX）、回写（WR）四个过程段，共 有10条指令连续输出此流水线。
（1）画出指令周期流程。
（2）画出非流水线时空图。
（3）画出流水线时空图。
（4）假设时钟周期为100 ns，求流水线的实 际吞吐量（单位时间执行完毕的指令数）。
（5）求该流水处理器的加速比。
5.流水线中有三类数据相关冲突：写后读相关（Read After Write, RAw），读后写相关（ Write After Read, WAR），写后写相关（ Write After Write, WAW）。 判断下面三组指令各存在哪种类型的数据相关。
（1）I1 I2
（2）I3 I4
（3）I5 I6
SUB R1，R2，R3 ；(R2) - (R3)
Байду номын сангаас
R1
ADD R4，R5，R1 ；(R5) + (R1)
R4
STA M，R2 ；(R2) M, M为存储单元
ADD R2 ，R4，R5；(R4) + (R5)
R2
MUL R3，R2，R1 ；(R2)* (R1)
R3
SUB R3 ，R4，R5；(R4) - (R5)
R3
6.什么是指令流水?画出指令二级流水和四级 流水的示意图，它们中的哪个更能提高处理 器的速度，为什么?
7.当遇到什么情况时，流水线将受阻?举例说 明。
8.写一组指令序列，说明因数据相关会影响该 程序的执行结果。
9.举例说明流水线中的几种数据相关。
10.假设指令流水线分8个过程段，若每个过程段所 需的时间为T，试问完成100条指令共需多少时间？
第六章 中央处理器习题
计算机体系结构流水线冲突与乱序执行的解决方法
计算机体系结构流水线冲突与乱序执行的解决方法在计算机体系结构中，流水线是一种有效提高指令处理速度的技术。
然而，流水线执行过程中可能会出现冲突和乱序执行的问题。
本文将探讨流水线冲突的原因以及相应的解决方法。
一、流水线冲突的原因在流水线中，冲突主要由以下几个因素引起：1. 结构冲突：当多个指令需要同时访问同一个计算资源，比如存储器或者寄存器时，产生结构冲突。
这会导致流水线阻塞，降低执行效率。
2. 数据冲突：数据相关性是指指令间存在的数据依赖关系。
当某个指令需要等待上一条指令的执行结果时，就会发生数据冲突。
数据冲突分为读后写、写后读和写后写三种类型。
3. 控制冲突：当分支指令的判断结果还未确定时，指令执行流程可能发生改变。
这会导致原本在流水线中已经执行的指令无效，需要清空掉重新执行，造成控制冲突。
二、解决结构冲突的方法针对结构冲突，可以采取以下几种解决方法：1. 资源冲突解决：通过增加计算资源的数量来解决结构冲突。
比如增加缓存的容量、加大寄存器的数量等。
这样可以减少多个指令竞争同一资源的情况。
2. 指令重排解决：在源代码级别上进行指令重排，通过调整指令的顺序来避免结构冲突。
这一般需要编译器的支持，通过静态分析源代码并进行优化。
三、解决数据冲突的方法对于数据冲突，有以下几种解决方法：1. 数据旁路解决：当一个指令需要等待上一条指令的执行结果时，可以通过数据旁路的方式将上一条指令的结果直接传递给下一条指令，避免流水线的停顿。
2. 数据预测解决：对于分支指令引起的数据冲突，可以采用数据预测的方法来预测分支的结果。
如果预测正确，可以顺利执行；如果预测错误，则需要清空流水线并重新执行。
四、解决控制冲突的方法针对控制冲突，可以采取以下几种解决方法：1. 预测解决：通过对分支指令进行预测，尽可能准确地预测分支结果，从而减少控制冲突。
常用的预测方法有静态预测和动态预测。
2. 延迟解决：在流水线中引入延迟槽，即在分支指令后面放置几条无关紧要的指令，以填充流水线的空闲时间。
408计组题型
408计组题型计算机组成原理是计算机科学与技术专业的一门重要课程，也是重要的计算机基础学科之一。
在408计组题型中，我们将探讨计算机组成原理相关的题型及解题方法。
一、设计题型1. 单周期处理器设计题型：要求学生设计一种基于单周期处理器的计算机系统。
在设计过程中需要考虑指令集、寄存器、数据通路、控制信号等方面。
2. 多周期处理器设计题型：要求学生设计一种基于多周期处理器的计算机系统。
与单周期处理器相比，多周期处理器可以提高计算机系统的效率，但也增加了硬件的复杂性。
学生需要考虑指令集、寄存器、数据通路、控制信号等方面的设计。
3. 流水线处理器设计题型：要求学生设计一种基于流水线处理器的计算机系统。
流水线处理器可以提高计算机系统的并行性和吞吐量，但需要解决数据冲突、控制冲突等问题。
学生需要考虑流水线的分段、寄存器、数据通路等设计。
二、分析题型1. 性能分析题型：学生需要根据给定的指令集、数据通路图等信息，分析计算机系统的性能参数，如时钟周期、CPI（Cycle Per Instruction）、IPC（Instructions Per Cycle）等。
2. 数据相关分析题型：学生需要根据给定的指令序列和数据相关图，分析数据相关类型（数据冲突、控制冲突、冒险等），并给出解决方法。
3. 流水线相关分析题型：学生需要根据给定的流水线的分段、寄存器和冲突图，分析流水线处理器的性能参数，并给出优化建议。
三、编程题型1. 简单指令集模拟题型：学生需要根据给定的指令集，编写一段程序来模拟计算机执行指令的过程。
通过编程实践，学生可以更好地理解指令执行过程和计算机组成原理的相关知识。
2. 流水线指令执行题型：学生需要根据给定的指令序列和流水线的分段、寄存器和冲突图，编写一段程序来模拟计算机流水线执行指令的过程。
通过编程实践，学生可以更好地理解流水线处理器的工作原理和优化方法。
四、解答题型1. 写出指令和控制信号的转换表：学生需要根据给定的指令集和寄存器的功能，写出指令和控制信号的转换表。
MIPS指令五级流水CPU设计资料
MIPS指令五级流水CPU设计资料1.指令和指令流水线MIPS指令集包含大约50条指令，包括算术/逻辑操作、存储器操作、分支和跳转等。
五级流水线是一种用于加速指令处理的技术，将指令执行过程划分为五个阶段：取指（Instruction Fetch, IF）、译码（Instruction Decode, ID）、执行（Execution, EX）、访存（Memory Access, MEM）和写回（Write Back, WB）。
2.数据通路和控制信号3.流水线冲突在流水线处理器中，常见的冲突有结构冲突、数据冲突和控制冲突。
结构冲突是由于多个指令需要同时访问同一个硬件资源而引起的，例如两个指令同时需要访问寄存器堆。
数据冲突是由于指令之间存在依赖关系而引起的，例如一条指令需要使用前一条指令的结果作为操作数。
控制冲突是由于分支指令的执行导致流水线中的指令不按顺序执行。
4.冲突解决技术为了解决流水线冲突，可以采用以下技术：延迟槽、旁路、分支预测和动态调度。
延迟槽是将分支指令后面的一条指令当作分支指令的一部分，使得分支指令的下一条指令能够在分支决策前执行。
旁路技术用于解决数据冲突，将计算结果旁路给后续指令使用。
分支预测技术用于解决控制冲突，根据过去的分支历史进行预测。
动态调度技术则根据指令的真实执行情况来进行调度，以最大程度地减少冲突。
5.性能优化为了提高CPU的性能，可以采取一些优化技术，例如流水线分段、超标量和超流水线。
流水线分段将指令流水线划分为多个段，使得每个段可以并行工作，提高指令的吞吐量。
超标量技术引入多个功能单元来同时执行多条指令，提高指令的并行度。
超流水线技术则进一步增加流水线的级数，以提高指令的处理速度。
总结：MIPS指令五级流水线CPU是一种高效的处理器设计，它采用五级流水线来加速指令处理，并通过解决流水线冲突来提高指令执行的效率。
该CPU的设计需要考虑数据通路和控制信号，以及解决冲突的技术和性能优化的方法。
《DSP原理及应用(修订版)》邹彦主编课后答案(个人终极修订版)
第一章1、数字信号处理实现方法一般有几种？答：课本P2（2.数字信号处理实现）2、简要地叙述DSP芯片的发展概况。
答：课本P2（1.2.1 DSP芯片的发展概况）3、可编程DSP芯片有哪些特点？答：课本P3（1.2.2 DSP芯片的特点）4、什么是哈佛结构和冯诺依曼结构？他们有什么区别？答：课本P3-P4(1.采用哈佛结构）5、什么是流水线技术？答：课本P5（3.采用流水线技术）6、什么是定点DSP芯片和浮点DSP芯片？它们各有什么优缺点？答：定点DSP芯片按照定点的数据格式进行工作，其数据长度通常为16位、24位、32位。
定点DSP的特点：体积小、成本低、功耗小、对存储器的要求不高；但数值表示范围较窄，必须使用定点定标的方法，并要防止结果的溢出。
浮点DSP芯片按照浮点的数据格式进行工作，其数据长度通常为32位、40位。
由于浮点数的数据表示动态范围宽，运算中不必顾及小数点的位置，因此开发较容易。
但它的硬件结构相对复杂、功耗较大，且比定点DSP芯片的价格高。
通常，浮点DSP芯片使用在对数据动态范围和精度要求较高的系统中。
7、DSP技术发展趋势主要体现在哪些方面？答：课本P9（3.DSP发展技术趋势）8、简述DSP系统的构成和工作过程。
答：课本P10（1.3.1DSP系统的构成）9、简述DSP系统的设计步骤。
答：课本P12（1.3.3DSP系统的设计过程）10、DSP系统有哪些特点？答：课本P11（1.3.2DSP系统的特点）11、在进行DSP系统设计时，应如何选择合理的DSP芯片？答：课本P13（1.3.4DSP芯片的选择）12、TMS320VC5416-160的指令周期是多少毫秒？它的运算速度是多少MIPS？解：f=160MHz，所以T=1/160M=6.25ns=0.00000625ms；运算速度=160MIPS第二章1、TMS320C54x芯片的基本结构都包括哪些部分？答：课本P17（各个部分功能如下）2、TMS320C54x芯片的CPU主要由几部分组成？答：课本P18（1.CPU)3、处理器工作方式状态寄存器PMST中的MP/MC、OVLY和DROM3个状态位对’C54x 的存储空间结构有何影响？答：课本P34（PMST寄存器各状态位的功能表）4、TMS320C54x芯片的内外设主要包括哪些电路？答：课本P40（’C54x的片内外设电路）5、TMS320C54x芯片的流水线操作共有多少个操作阶段？每个操作阶段执行什么任务？完成一条指令都需要哪些操作周期？答：课本P45（1.流水线操作的概念）6、TMS320C54x芯片的流水线冲突是怎样产生的？有哪些方法可以避免流水线冲突？答：由于CPU的资源有限，当多于一个流水线上的指令同时访问同一资源时，可能产生时序冲突。
流水线(Pipeline)介绍
i: DSUB R4,R1,R3 j: DADD R1,R2,R3 k: DMUL R6,R1,R7
Can’t happen in MIPS 5 stage pipeline because: - All instructions take 5 stages, and - Reads are always in stage 2, and 读后读RAR不是数据冒险， 读操作不改变值 19 - Writes are always in stage 5
结构冲突（资源冲突）：流水线中多条指令在同一 时钟周期内争用同一功能部件的现象。即因硬件资 源满足不了指令重叠执行的要求而发生的冲突。 常见的导致结构相关的原因：
功能部件不是完全流水或者资源不够用。
例如访存冲突
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结构冒险
10
2.2 结构冒险的解决办法
MIPS指令集是为流水线设计的，在设计流水 线过程中能够很容易的避免结构冒险。 但是流水结构中只有一个存储器时，两条指 令同时在一个存储器中预取指令就会发生结 构冒险。
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动态调度的思想
基本思想 ：•把相关的解决尽量延迟到马上就会出错的时候 •前面指令的stall不影响后面指令继续前进 把译码分成两个阶段：发射和读操作数 •发射：指令译码，检查结构相关 •读操作数：检查操作数是否准备好，准备好就 读数，否则等待，当一条指令在读操作数阶段 等待时，后面指令的发射可以继续进行 •乱序执行： •指令进入是有序的 •执行可以乱序，只要没有相关就可执行，多条 指令同时执行 •结束可以乱序，也可以有序（主要是精确例外 的需要），乱序结束会导致WAR相关（静态 流水线中只有RAW和WAW相关） 30
流水线的描述：最常用的方法是时间-空间图
MIPS流水线CPU
.本科实验报告课程名称：计算机组成与设计实验姓名：学院：信息与电子工程学院专业：电子科学与技术学号：314010指导教师：屈民军、唐奕2016年1 月7 日一、实验目的1.了解提高CPU性能的方法。
2.掌握流水线MIPS微处理器的工作原理。
3.理解数据冒险、控制冒险的概念以及流水线冲突的解决方法。
4.掌握流水线MIPS微处理器的测试方法。
二、实验任务设计一个32位流水线MIPS微处理器，具体要求如下：1.至少运行下列MIPS32指令。
（1）算术运算指令：ADD、ADDU、SUB、SUBU、ADDI、ADDIU。
（2）逻辑运算指令：AND、OR、NOR、XOR、ANDI、ORI、XORI、SLT、SLTU、SLTI、SLTIU。
（3）移位指令：SLL、SLLV、SRL、SRLV、SRA。
（4）条件分支指令：BEQ、BNE、BGEZ、BGTZ、BLEZ、BLTZ。
（5）无条件跳转指令：J、JR。
（6）数据传送指令：LW、SW。
（7）空指令：NOP。
2.采用5级流水线技术，对数据冒险实现转发或阻塞功能。
3.在XUP Virtex-Ⅱ Pro 开发系统中实现MIPS微处理器，要求CPU的运行速度大于25MHz。
三、实验原理1.总体设计流水线是数字系统中一种提高系统稳定性和工作速度的方法，广泛应用于高档CPU的架构中。
根据MIPS处理器的特点，将整体的处理过程分为取指令（IF）、指令译码（ID）、执行（EX）、存储器访问（MEM）和寄存器会写（WB）五级，对应多周期的五个处理阶段。
一个指令的执行需要5个时钟周期，每个时钟周期的上升沿来临时，此指令所代表的一系列数据和控制信息将转移到下一级处理。
由于在流水线中，数据和控制信息将在时钟周期的上升沿转移到下一级，所以规定流水线转移变量命名遵守如下格式：名称_流水线级名称例如：在ID级指令译码电路（Decode）产生的寄存器写允许信号RegWrite在ID级、EX级、MEM级和WB级上的命名分别为RegWrite_id、RegWrite_ex、RegWrite_mem和RegWrite_wb。
cortex-m3三级流水线计算例题
cortex-m3三级流水线计算例题
Cortex-M3是一款具有三级流水线结构的嵌入式处理器，其流水线包括指令提取（Fetch）、指令译码（Decode）和执行（Execute）三个阶段。
下面是一个简单的Cortex-M3三级流水线计算例题的解答过程：
题目：计算表达式 y = (a + b) * c - d
1. 指令提取（Fetch）阶段：
在该阶段，处理器从存储器（或缓存）中获取指令并将其存入指令寄存器。
2. 指令译码（Decode）阶段：
在该阶段，处理器解码指令并获取操作数，同时将操作数传递给执行阶段。
3. 执行（Execute）阶段：
a. 加法（Add）阶段：将操作数 a 和 b 相加得到结果 x = a + b。
b. 乘法（Multiply）阶段：将结果 x 与操作数 c 相乘得到结果 y = x * c。
c. 减法（Subtract）阶段：将结果 y 减去操作数 d 得到最终结果 y = y - d。
以上是Cortex-M3三级流水线对于表达式 y = (a + b) * c - d 的计算过程。
需要注意的是，流水线能够提高处理器的性能，但也可能引入一些数据冲突和控制冲突。
为了避免流水线冲突，处理器可能需要进行流水线插入（插入适当的空闲周期）或采用其他处理器优化技术。
计算机系统结构实验报告___流水线及流水线中的冲突[1]
![计算机系统结构实验报告___流水线及流水线中的冲突[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/6a2ab2638e9951e79b89276b.png)
（1）选择MIPSsim“文件”→“载入程序”选项，加载pipeline.s。
（2）关闭定向功能。这是通过“配置”→“定向”（使该项前面没有√号）来实现的。
（3）用单步执行一个周期的方式（在“执行”菜单中）或按F7键执行程序，观察每一个周期中，各段流水寄存器内容的变化、指令的执行情况（“代码”窗口）以及时钟周期图。
（4）当执行到第13个时钟周期时，各段分别正在处理的指令是：
IF:LW $r4, 60, ($r6)
ID：ADDI $r3, $r0, 25
EX：ADDI $r1, $r1, -1
MEM：ADDI $r6, $r0,8
WB：ADD $r2,$r1,$r0
画出这时的时钟周期图。如下图所示：
6.这时各流水寄存器中的内容为：
采用定向技术后性能是原来的2.2786倍。
总
结
当发生结构冲突时，流水线会出现停顿，从而降低了CPU的性能。要避免结构冲突就要在流水线处理机中设置相互独立的指令存储器和数据存储器。当发生数据冲突时，程序执行并定向时的总停顿周期比没有定向功能的时候少，说明要降低数据冲突的方法是对CPU复位并定向。
通过本次实验，我对流水线的工作原理、流水线的冲突以及解决方法都有了更深入直观的了解，对5段RISC流水线的的理解和掌握更深刻了，对于独立的运算执行部件例如fadd替换EX时指令的执行轨迹形象的描述出来。通过观察时钟周期图能够辨别冲突类型及冲突原因，对结构冲突和数据冲突有了更好的认识
7.观察和分析结构冲突对CPU的影响，步骤如下：
（1）加载structure_hz.s
（2）执行该程序，找出存在结构冲突的指令以及导致结构冲突的部件。
答：ADD.D $f2,$f0,$f1 ADD.D $f5,$f0,$f1存储器&加法器
DSP历年期末试卷及答案
试卷1一．填空题（本题总分 分，每空 分）．❆✞型 的内部采用 条 位的多总线结构。
．❆✞型 有 个辅助工作寄存器。
．在链接器命令文件中， ✌☝☜ １通常指♉♉♉♉♉♉♉♉存储空间。
．❆✋公司 处理器的软件开发环境是♉♉♉♉♉♉♉♉♉♉♉♉♉♉♉♉♉♉。
．直接寻址中从页指针的位置可以偏移寻址 个单元。
．❆⌧系列 处理器上电复位后，程序从指定存储地址♉♉♉♉♉♉♉♉单元开始工作。
． ✠ 主机接口☟✋是♉♉♉♉♉♉♉♉位并行口。
❆✞型 处理器的内核供电电压♉♉♉♉♉♉♉♉伏。
⌧系列 上电复位后的工作频率是由片外 个管脚 ；； 来决定的。
二．判断题（本题总分 分，每小题 分，正确打“√”，错误打“×”） ． 处理器❆ ✞ 的供电电压为 ✞。
（ ） ．❆✞型 内部有 字的 ，用于存放自举引导程序、◆律和✌律扩展表、♦♓⏹函数表以及中断向量表。
（∙∙ ）． ☜✡伪指令用来指定链接器将输入段组合成输出段方式，以及输出段在存储器中的位置。
（∙∙ ） 的流水线冲突产生的原因是由于 运行速度还不够快。
（ ）． 和 ✞属于软件可编程微处理器，用软件实现数据处理；而不带 ✞软核的☞ ☝✌属于硬件可编程器件，用硬件实现数据处理。
∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ ∙∙∙ （∙∙ ） ⌧系列 的 ✞寄存器及片内外设寄存器映射在数据存储空间的♒♒中。
（ ） ❆✠ 系列 可以通过设置 ✞☹✡位实现数据存储空间和程序存储空间共享片内 。
（∙∙ ） ❆✞型 汇编指令 ☜✌✌的寻址范围为 字。
（ ） 在❆✞型 所有中断向量中，只有硬件复位向量不能被重定位，即硬件复位向量总是指向程序空间的 ☞☞ ☟位置。
流水线技术及超标量处理器设计试卷
流水线技术及超标量处理器设计试卷（答案见尾页）一、选择题1. 流水线技术的主要目的是什么？A. 提高指令执行速度B. 增加处理器的功耗C. 降低指令执行速度D. 减少处理器的功耗2. 下列哪个选项是流水线技术中的组成部分？A. 指令获取单元B. 指令译码单元C. 指令执行单元D. 数据缓存3. 在超标量处理器设计中，以下哪个概念是指多个处理器核心同时执行不同的指令？A. 多线程B. 超线程C. 并行处理D. 同步执行4. 超标量处理器中的“超标量”是什么意思？A. 处理器可以同时执行两个或更多的指令B. 处理器可以在每个时钟周期内执行多个指令C. 处理器具有多个执行单元D. 处理器可以处理更大范围的指令集5. 在流水线技术中，为了提高吞吐量，哪种优化技术通常被使用？A. 指令乱序执行B. 指令并行性优化C. 指令分支预测D. 指令重排6. 下列哪个因素不是影响流水线性能的关键因素？A. 指令依赖性B. 硬件复杂性C. 指令流水深度D. 缓存大小7. 在超标量处理器中，为了确保指令的正确执行顺序，通常会使用哪种机制？A. 乱序执行B. 循环展开C. 指令重排D. 分支预测8. 什么是指令级并行性（ILP）？A. 指令在单个时钟周期内执行的并行性B. 指令在不同时钟周期内执行的并行性C. 指令在多个处理器核心上同时执行的并行性D. 指令在多个硬件线程上同时执行的并行性9. 在流水线技术中，如何减少指令流水线的停顿？A. 采用更快的指令执行单元B. 优化分支预测算法C. 减少流水线级数D. 扩大指令缓存10. 在设计超标量处理器时，以下哪个因素不是需要考虑的？A. 指令集架构B. 处理器功耗C. 热设计问题D. 操作系统兼容性11. 在超标量处理器中，以下哪个概念是指同时执行多个指令的能力？A. 多线程B. 并行处理C. 超线程D. 同步12. 超标量处理器是如何实现指令级并行性的？A. 通过增加流水线的数量B. 通过采用更复杂的指令集架构C. 通过提高主频D. 通过增加缓存大小13. 在流水线技术中，为了确保不同阶段的操作能够并行执行，需要保持各阶段之间的频率关系是什么？A. 相同B. 稍有不同C. 完全不同D. 可变14. 流水线中的假流水线技术是为了什么目的而设计的？A. 提高吞吐量B. 降低功耗C. 减少流水线停顿D. 增加处理器的复杂度15. 在超标量处理器中，减少指令流水线停顿的关键技术是什么？A. 动态调度B. 指令重排C. 预取技术D. 批量处理16. 下列哪个选项不是流水线技术带来的好处？A. 更高的吞吐量B. 更低的功耗C. 更长的指令周期D. 更好的资源利用率17. 在流水线技术中，为了提高吞吐量，通常会采取哪种优化策略？A. 指令乱序执行B. 指令顺序执行C. 指令并行执行但不重排序D. 指令并行执行且重排序18. 超标量处理器的设计中，为了确保各个独立分支路径的公平性，通常会采用哪种结构？A. 顺序执行结构B. 分支预测结构C. 多线程结构D. 硬件逻辑结构19. 下列哪项不是流水线技术带来的好处？A. 加快指令执行速度B. 减少指令的等待时间C. 增加硬件成本D. 提高处理器利用率20. 在流水线技术中，为了提高吞吐量，通常会采用哪种策略？A. 指令乱序执行B. 指令顺序执行C. 流水线冲突解决D. 手动调度21. 超标量处理器设计中，为了实现指令级并行，通常会采用哪些技术？A. 多线程技术B. 动态调度技术C. 哈希调度技术D. 优先级调度技术22. 下列哪种结构是超标量处理器的典型组成部分？A. 控制单元B. 管线控制器C. 指令流水线D. 数据流水线23. 在超标量处理器中，为了确保正确的指令执行顺序，通常会使用哪种机制？A. 顺序执行B. 流水线冲突解决C. 指令乱序执行D. 动态调度24. 下列哪种方法可以提高流水线的并行度？A. 增加处理器核心数量B. 减少指令的依赖性C. 使用更多的缓存D. 降低主频25. 在流水线技术中，为了保持数据的一致性，通常会采用哪种同步机制？A. 内存屏障B. 数据锁定C. 指令重排D. 事务处理26. 超标量处理器设计中，为了提高指令的执行效率，通常会采用哪种优化技术？A. 循环展开B. 循环合并C. 循环交换D. 循环分支27. 在流水线技术中，为了减少流水线停顿，通常会采用哪种策略？A. 指令乱序执行B. 指令顺序执行C. 流水线冲突解决D. 动态调度28. 在超标量处理器设计中，以下哪个概念是指多个处理器核心同时执行指令？A. 超线程（Hyper-Threading）B. 多核（Multi-core）C. 流水线（Pipelining）D. 同步执行（Synchronous Execution）29. 在流水线技术中，为了提高吞吐量，每个阶段的时间应如何设置？A. 相等B. 递增C. 递减D. 没有特定要求30. 在超标量处理器设计中，为了确保指令的正确执行，需要哪种同步机制？A. 竞态条件（Race Condition）B. 阻塞（Blocking）C. 无锁（Lock-free）D. 原子操作（Atomic Operations）31. 在流水线技术中，为了提高处理器的利用率，减少流水线停顿，应采取哪种策略？A. 指令乱序执行（Out-of-Order Execution）B. 指令重排（Instruction Reordering）C. 指令合并（Instruction Combining）D. 指令分支预测（Instruction Branch Prediction）32. 在超标量处理器设计中，为了提高指令并行度，通常会采用哪种结构？A. 管道（Pipeline）B. 栈（Stack）C. 队列（Queue）D. 无序集合（Unordered Set）33. 在流水线技术中，为了避免数据冲突和提高效率，通常会在哪个阶段插入分支预测器？A. 指令获取阶段B. 指令解码阶段C. 指令执行阶段D. 指令写回阶段34. 在设计超标量处理器时，为了确保所有指令都能被正确执行，需要考虑哪些方面？A. 指令集架构（ISA）B. 处理器微架构C. 编程模型D. 性能优化35. 在超标量处理器设计中，以下哪个概念是指同时执行多个指令的技术？A. 多线程处理B. 并行处理C. 串行处理D. 同时处理36. 超标量处理器的特点是？A. 每个时钟周期只能执行一个指令B. 每个时钟周期可以执行多个指令C. 指令执行速度较慢D. 指令执行速度较快37. 流水线中的寄存器重命名是为了什么？A. 提高指令执行速度B. 增加处理器功耗C. 降低处理器功耗D. 减少处理器复杂性38. 在流水线中，为了提高吞吐量，应该采取哪种策略？A. 减少流水线级数B. 增加流水线级数C. 保持流水线级数不变D. 无法确定39. 在超标量处理器中，为了实现指令级并行（ILP），通常会采用哪些技术？A. 复杂指令集计算机（CISC）B. 简化指令集计算机（RISC）C. 动态调度D. 静态调度40. 以下哪个选项是流水线技术可能引入的缺陷？A. 指令冲突B. 数据依赖C. 功耗增加D. 性能下降41. 在设计流水线处理器时，哪种优化技术旨在减少流水线中的资源冲突和流水线停顿？A. 动态调度B. 预测执行C. 手动重排D. 指令乱序执行二、问答题1. 什么是流水线技术？请简述其基本原理。
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$s0
IM sub RF $s5
-
DM
$t2 RF
数据重定向
1
2
3
4
5
6
7
8
$s2
add $s0, $s2, $s3 IM add RF $s3 +
DM
$s0 RF
Time (cycles)
and $t0, $s0, $s1
$s0
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RF $s1
&
DM
$t0 RF
or $t1, $s4, $s0
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9
Time (cycles)
刷 新 这 些 指 令
RF
DM
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尽早分支判断
1
2
3
4
5
6
7
20 beq $t1, $t2, 40 IM lw
$t1 RF $t2 -
DM
RF
24 and $t0, $s0, $s1
$s0
IM and RF $s1
&
DM
RF
Instr 1 2 3
Fetch Instruction
流水线
Decode Read Reg Fetch Instruction
Execute ALU Decode Read Reg Fetch
Instruction
Memory Write
Read/Write Reg
Execute
Memory
ALU
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RF $s0
|
DM
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Memory Write Read / Write Reg
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Stall
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DM
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DM
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控制冲突
• beq:
– Beq分支指令在流水的第4个阶段才能确定是否分支 – 分支之后的指令在分支发生前就已经取得了 – 如果分支发生了，那么将要执行的这些指令就得重新获取
• 分支预测错误代价
– 当分支发生时重新获取的指令数 – 如果能更早的确定分支就可以减少代价
控制冲突
1
2
3
4
5
6
7
20 beq $t1, $t2, 40 IM lw
DM
$s7 RF
流水线冲突
• 冲突类型
– 数据冲突 – 控制冲突
• 核心问题
– 化解冲突
数据冲突
1
2
3
4
5
6
$s2
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DM
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7
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Read/Write
Decode Execute
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Memory Read/Write
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流水线处理器抽象表示
1
lw $s2,40($0) IM lw add $s3, $t1, $t2 sub $s4, $s1, $s5 and $s5, $t5, $t6 sw $s6, 20($s1) or $s7, $t3, $t4
DM
$t0 RF
or $t1, $s4, $s0
$s4
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RF $s0 |
DM
$t1 RF
sub $t2, $s0, $s5
$s0 IM sub RF $s5 -
DM
$t2 RF
编译时间 消除冲突
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
$s2
add $s0, $s2, $s3 IM add RF $s3 +
DM
28 or $t1, $s4, $s0
2C sub $t2, $s0, $s5
30 ... ... 64 slt $t3, $s2, $s3
IM slt
$s2 RF $s3
流水线处理器
流水线 MIPS 处理器
• 通常将单周期处理器分解成五级以构成流水线处理器:
–取指（Fetch） –译码分析（Decode） –执行 –存储器操作 –写回
• 在每个级别之间添加流水线寄存器 • 时间并行
单周期 vs. 流水线
单周期
0 Instr 1
2
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900