第9章 超标量处理机与超流水线处理机
国家开放大学计算机组成原理期末复习指导及答案
国家开放大学计算机组成原理期末复习指导及答案第一篇：国家开放大学计算机组成原理期末复习指导及答案计算机组成原理期末复习指导期末考试题型举例题型包括选择题（单选）、判断题、简答题和计算题。
下面给每种题型列举1-2道样题，以及相应的参考答案及评分标准。
1．选择题（每小题3分，共36分）（1）在定点二进制运算器中，加法运算一般通过来实现。
A．原码运算的二进制加法器B．反码运算的二进制加法器 C．补码运算的十进制加法器D．补码运算的二进制加法器答案：D（2）变址寻址方式中，操作数的有效地址等于加形式地址。
A．基址寄存器内容B．堆栈指示器内容 C．变址寄存器内容D．程序计数器内容答案：C（3）将RAM芯片的数据线、地址线和读写控制线分别接在一起，而将片选信号线单独连接，其目的是。
A．增加存储器字长B．增加存储单元数量C．提高存储器速度D．降低存储器的平均价格答案：B 2．判断题（每小题3分，共15分）（1）输入输出指令的功能是进行CPU和I/O设备之间的数据传送。
（）答案：√（2）半导体ROM信息可读可写，且断电后仍能保持记忆。
（）答案：×（3）在采用DMA方式传输数据时，数据传送是在DMA控制器本身发出的控制信号控制下完成的。
答案：√3．简答题（每小题7-8分，共29分）（1）简述计算机运算器部件的主要功能。
答：主要功能包括（1）由其内部的算术与逻辑运算部件ALU完成对数据的算术和逻辑运算；（2）由其内部的一组寄存器承担对将参加运算的数据和中间结果的暂存；（3）作为处理机内部的数据传送通路。
（2）确定一台计算机的指令系统并评价其优劣，通常应从哪几个方面考虑？答：主要从以下四个方面进行考虑：a．指令系统的完备性，以常用指令齐全、编程方便为优；b．指令系统的高效性，以程序占内存空间少、运行速度快为优； c．指令系统的规整性，以指令和数据使用规则统一简单、易学易记为优；d．指令系统的兼容性，以同一系列的低档机的程序能在新的高档机上直接运行为优。
计算机系统结构简答题
1.如果外设要求的通道实际流量十分接近货等于通道具有的最大流量解：1.增大通道最大流量2.动态改变设备优先级3.增加一定数量的缓存器，尤其是优先级比较低的设备2.RISC处理器的关键技术有哪几种？解：1.延时转移技术2.指令取消技术3.重叠寄存器窗口技术4.指令流调整技术3.向量的处理方式有哪三种？各有何特点？解：1.横向处理方式。
向量计算是按行的行从左至右横向地进行。
2.纵向处理方式。
向量计算是按列的方式自上而下地进行。
3.纵横处理方式。
横向处理和纵向处理相结合的方式。
4.列出互连网络中四种寻径方式？并指出他们各自优缺点？解：线路交换：传递信息时必须频繁建立从源节点到目的节点的物理通路，开销很大。
存储转发寻径：包缓冲区大，不利于VLSI的视线，时延大，与节点的距离成正比。
虚拟直通寻径：没有必要等到整个小心全部缓冲后在做路由选择，只要接受到用作寻址的消息头部即可判断，通信时延与节点数无关，同样不利于vlsi 的实现。
虫蚀寻径：每个节点的缓冲区小，易于VLSI的实现，较低的网络传输时延，通道共享性好，利用率高，易于实现选播和广播通信方式。
动态就是想把乘法做完，只要能做加法，就做加法！1.2.3.4.5是任务a1*b1--a5*b5.整个处理过程为17个时钟周期，进行了9次不同运算，TP=9/17t,这些运算串行处理所需要的时钟周期为31个时钟周期，S=31/17=1.82. Y=31/(17*5)=36.5.5.设计一台计算机应有哪五类基本指令？解：输入输出类指令数据传送类指令算数运算与逻辑运算类指令程序控制类指令控制管理机器类指令6.设计一个计算机系统时，确定数据表示的原则主要有哪几个？解：1.缩短程序的运行时间2.减少CPU与主存之间的通信量3.这种数据表示的通用性和利用率7.在多处理机系统中，Cache一致性问题由什么引起，主要采用哪两种方法解决？解：Cache一致性问题主要由共享可写的数据，进程迁移，I/O传输等原因产生。
中国海洋大学计算机系统结构课程大纲(理论课程)
中国海洋大学计算机系统结构课程大纲（理论课程）中国海洋大学计算机系统结构课程大纲(理论课程)英文名称Computer Architecture【开课单位】计算机科学与技术系【课程模块】学科基础【课程编号】【课程类别】选修【学时数】 48 (理论实践 ) 【学分数】 3一、课程描述本课程大纲根据2011年本科人才培养方案进行修订或制定。
(一)教学对象计算机科学与技术专业大学三年级学生(二)教学目标及修读要求1、教学目标(课程结束后学生在知识、技能和态度三个层面达到的目标) 本课程的结束后，学生应掌握计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构和基本分析方法，初步了解和掌握几种高性能计算机系统的架构;初步具备计算机系统的架构分析能力，初步具备计算机系统性能的评测技能;对现有的主流计算机系统能有一个比较全面的了解，开阔眼界和思路，为今后进一步的学习、研究和工作奠定基础。
2、修读要求(简要说明课程的性质，与其他专业课程群的关系，学生应具备的基本专业素质和技能等)本课程是一门专业理论课。
由于计算机系统是一个复杂的系统，在学生已经学习了“计算机组成原理”、“计算机操作系统”、“汇编语言程序设计”、“高级语言程序设计”等计算机硬件和软件方面的多门课程之后，通过学习“计算机系统结构”这门课程才能够建立起计算机系统的完整概念。
(三)先修课程(参照2011版人才培养方案中的课程名称，课程名称要准确) 先修课程:“高级语言程序设计”;“计算机组成原理”;“操作系统”。
二、教学内容(一)第1章计算机系统结构的基本概念1、主要内容:1.1 计算机系统结构1.2 计算机系统设计技术1.3 系统结构的评价标准1.4 计算机系统结构的发展2、教学要求:(按照掌握、理解、了解三个层次对学生学习提出要求)掌握计算机系统层次结构，计算机系统结构、计算机组成、计算机实现定义及三者之间的关系，透明性概念，Amdahl定律，CPU性能公式，局部性原理，MIPS 定义，MFLOPS定义，计算机系统结构的分类;理解计算机系统设计方法，系统结构的评价标准;了解冯?诺依曼计算机特征，计算机系统结构的发展，价格、软件、应用、VLSI和算法对系统结构的影响。
第9章 超标量处理机与超流水线处理机
计算机体系结构 - 超标量处理机与超流水线处理机
13
9.1.2 单发射与多发射
单发射处理机设计目标
指令级并行度ILP的期 望值>1 每个周期同时取多条 指令、同时译码多条 指令，同时执行多条 指令，同时写回多个 运算结果
I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8 I9 指令 1 IF IF IF I1 I2 I3 指令 1 IF
计算机体系结构
第9章 超标量机与超流水线机
陈 伟 教授 西南石油大学计算机学院 ncchenwei@
1
第9章 超标量处理机与超流水线处理机
本章主要介绍另外三种高性能的指令级并行处理 机的基本原理、典型结构和主要性能：
超标量处理机
（Superscalar Processor）
超流水线处理机
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WR2
FA：浮点加减法运算 MD：乘除法运算 AL：定点算术逻辑运算 LS：取数存数
计算机体系结构 - 超标量处理机与超流水线处理机
多发射处理机结构——超标量处理机
超标量处理机
通常，把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。最基本的要求：必须有两条或两条以上并 行的指令流水线
来自指令 Cache
IF
ID
MD1 MD2 MD3 乘除法部件 AL
WR
通用寄存器 后行写数栈
FA：浮点加减法运算 MD：乘除法运算 AL：定点算术逻辑运算 LS：取数存数
定点算术逻辑部件 LS 取数存数部件
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计算机体系结构 - 超标量处理机与超流水线处理机
（2）多发射处理机结构
多个取指令部件，多个指令译码部件和多个写结果部件 设置多个指令执行部件，有些指令执行部件采用流水线结构
最新系统结构总复习题(附答案)
《计算机系统结构》期末考试复习题一、选择题：1、我们称由（B ）实现的机器为虚拟机器。
A、硬件B、软件C、微程序D、固件2、计算机系统结构设计者所关心的是（C ）所看到的的计算机结构。
A、硬件设计人员B、逻辑设计人员C、机器语言或汇编语言程序员D、高级语言程序员3、计算机组成是计算机系统结构的（B ）。
A、硬件实现B、逻辑实现C、软件实现D、以上三种4、在计算机系统设计时，为了提高系统性能，应当注意（A ）。
A、加快经常性使用指令的执行速度B、要特别精心设计少量功能强大的指令B、要减少在数量上占很小比例的指令的条数D、要加快少量指令的速度5、SIMD计算机可以处理（D ）。
A、多指令流、单数据流B、单指令流单数据流C、多指令流多数据流D、单指令流多数据流6、在提高CPU性能的问题上，从系统结构角度，可以（C ）。
A、提高时钟频率B、减少程序指令条数C、减少每条指令的时钟周期数D、减少程序指令条数和减少每条指令的时钟周期数7、冯.诺依曼计算机是（B ）。
A、以存储器为中心B、以CPU为中心C、以处理输入/输出危重点D、以存储器与计算器为中心8、解决软件移植最好的办法就是（C ）。
A、采用模拟方法B、采用仿真的方法C、采用统一高级语言D、采用统一标准设计计算机结构9、对计算机系统结构，下列透明的是（A ）。
A、数据总线宽度B、浮点数表示C、CPU寄存器个数D、存储器的编址方法10、以下对系统程序员不透明的是（B ）。
A、系列机各档不同的数据通路宽度B、虚拟存储器C、指令缓冲寄存器D、存储器读写缓冲寄存器11、在浮点数表示中，尾数的位数多少主要影响（ B ）。
A、表数范围B、表数精度C、表数效率D、运算实现容易程度12、当浮点数的尾数基值为（A ）时，其表数效率最高（假如不考虑隐藏位）。
A、16B、8C、4D、213、当浮点数的尾数基值为（ D ）时，其表数精度最高，表数范围最大。
A、2B、8C、16D、2或414、当浮点数的尾数用原码表示，基值为2，阶码用移码表示，基值为2时，若尾数部分占23位（不含符号位），阶码占8位（含符号位），则表示的最大负数和最大正数分别为（ C ）。
10-3 超标量、超级流水线和超长指令字计算机(郑宏)
单发射和多发射
多发射
– 在一个时钟周期中发出多条指令。 – 常见的多发射处理机有：
✓ 超标量处理机 ✓ 超流水线处理机 ✓ 超长指令字（ VLIW ）处理机。
ID
EX
WR
IF
ID
EX
WR
IF
ID
EX
WR
IF
ID
EX
WR
IF
ID
EX
WR
有三条4级的流水线，每时钟周期发射3条指令
超标量处理机
超标量处理机内部往往具有多个执行部件，其个 数可能多于每个周期发射的指令条数。
超标量处理机实际上是以增加硬件资源为代价来 换取处理机性能的，即以空间换取了时间。
目前，在多数超标量处理机中，每个时钟周期发 射两条指令，通常不超过四条。
1
2
3
456来自I1 IFID EX WR
时钟周期
I2
IF ID EX WR
超流水线处理机侧重
I3
IF ID EX WR
开发时间并行性，在
I4
IF ID EX WR
公共硬件上采用较短
I5
IF ID EX WR
的时钟周期，深度流
I6
IF
ID EX WR
水来提高速度。
指令 将每一级流水线分成三个子流水线，
每个时钟周期分时发送3条指令的超流水线
由于存在有数据相关和条件转移等问题，采用一 般的指令调度技术，理论上的最佳情况是每个时 钟周期发射3条指令。
超流水线处理机
特点：
计算机系统结构5-5
超流水线处理机
两种定义： 一个周期内能够分时发射多条指令的处理机称为 超流水 线处理机。 指令流水线有8个或更多功能段的流水线处理机称为超流 水线处理机。 提高处理机性能的不同方法： 超标量处理机是通过增加硬件资源为代价来换取处理机 性能的。 超流水线处理机则通过各硬件部件充分重叠工作来提高 处理机性能。 两种不同并行性： 超标量处理机采用的是空间并行性 超流水线处理机采用的是时间并行性
流 水 线 周 期 主时 钟 周期
IF IS RF EX DF DS TC WB IF IS RF EX DF DS TC WB IF IS RF EX DF DS TC WB IF IS RF EX DF DS TC WB IF IS RF EX DF DS TC WB IF IS RF EX DF DS TC WB
举例
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。
5.4 指令级高度并行的超级计算机
超标量处理机 超长指令字处理机 超流水线处理机
超标量处理机
采用多指令流水线（度=m） 配置多套功能部件、指令译码电路和多组总线，并 且寄存器也备有多个端口和多组总线。 适合于求解稀疏向量、矩阵 IBM RS/6000、DEC 21064、Intel i960CA、Tandem Cyclone（飓风）等
超标量处理机在每个时钟周期的一开始就同时发 射多条指令，而超流水线处理机则要把一个时钟 周期平均分成多个流水线周期，每个流水线周期 发射一条指令；因此，超流水线处理机的启动延 迟比超标量处理机大。
全国2020年10月自考02325计算机系统结构真题及标准答案
全国2020年10月自考02325计算机系统结构真题及标准答案2020年10月高等教育自学考试全国统一命题考试计算机系统结构注意事项：1.本试卷分为两部分，第一部分为选择题，第二部分为非选择题。
2.应考者必须按试题顺序在答题卡（纸）指定位置上作答，答在试卷上无效。
3.涂写部分、画图部分必须使用2B铅笔，书写部分必须使用黑色字迹签字笔。
第一部分选择题一、单项选择题：本大题共10小题，每小题1分，共10分。
在每小题列出的备选项中只有一项是最符合题目要求的，请将其选出。
1.在多用户机器中，应用程序员不能使用的指令是A.“访管”指令B.“访存”指令C.“启动I/O”指令D.“算术运算”指令2.浮点数机器字长和尾数位数一定时，如果尾数基值增大，则运算中的精度损失和表示的精度分别会A.减少和降低B.增大和降低C.增大和提高D.减少和提高3.机器指令执行结果出现异常引起的中断是A.机器校验中断B.I/O中断C.程序性中断D.外中断4.一次重叠中消除指令相关，下列方法中最佳的是A.不准在程序执行过程中修改指令B.增设相关专用通路C.推后下一条指令的执行D.推后下一条指令的分析5.程序在主存中的定位技术不仅A.静态再定位B.动态再定位C.虚实地址映像表D.自动再定位6.现有0~15编号的16个处理器采用PM2.3单级网络互连，则与13号处理器相连的处理器编号是A.1B.5C.7D.97.下列关于多处理机系统的任务粒度描述，不正确的是A.任务粒度的大小会显著影响多处理机系统的效率B.任务粒度过小，系统的并行度会提高，性能会提高C.任务粒度过小，系统的辅助开销增大，性能会下降D.任务粒度过大，系统的并行度会降低，性能会下降8.下列关于数据流计算机的描述不正确的是A.数据流计算机的主要目的是提高对操作级并行的开发水平B.数据流计算机擅长处理具有很强数据相关性但并行性不高的任务C.数据流计算机需要花费较多的辅助开销和存储空间用于数据建立、识别和处理标记D.数据流计算机对标量运算非常有利，而对数组、递归及其他高级操作较难管理9.能够被硬件识别并执行的程序是A.微指令程序B.汇编语言程序C.机器语言程序第二部分非选择题以下内容不提供改写）B。
系统结构期末考试试题及答案..
得分评分人二填空题：（20分，每题2分）《计算机系统结构》期末考试试卷（A ）得分注：1、共100分，考试时间120分钟。
2、此试卷适用于计算机科学与技术本科专业。
•"启动I/O"指令是主要的输入输出指令，是属于（B ）B •管态指令C.目态、管态都能用的指令D •编译程序只能用的指令输入输出系统硬件的功能对（B ）是透明的A.操作系统程序员B •应用程序员C •系统结构设计人员D.机器语言程序设计员3、全相联地址映象是指（A ）A.任何虚页都可装入主存中任何实页的位置B.一个虚页只装进固定的主存实页位置C.组之间固定，组内任何虚页可装入任何实页位置D.组间可任意装入，组内是固定装入4、（C ）属于MIMD 系统结构A.各处理单元同时受一个控制单元的管理B.各处理单元同时受同个控制单元送来的指令C.松耦合多处理机和多计算机系统D.阵列处理机5、多处理机上两个程序段之间若有先写后读的数据相关，则（B ）A.可以并行执行B •不可能并行C •任何情况均可交换串行D.必须并行执行6、计算机使用的语言是（B ）A.专属软件范畴，与计算机体系结构无关B.分属于计算机系统各个层次C.属于用以建立一个用户的应用环境D.属于符号化的机器指令7、指令执行结果出现异常引起的中断是（C ）A.输入/输出中断B.机器校验中断C •程序性中断D.外部中断8、块冲突概率最高的Cache 地址映象方式是（A ）A ■直接B.组相联C.段相联D.全相联9、组相联映象、LRU 替换的Cache 存储器，不影响Cache 命中率的是（B ）A.增大块的大小B.增大主存容量C.增大组的大小D ■增加Cache 中的块数10、流水处理机对全局性相关的处理不包括（C ）A.猜测法B •提前形成条件码C •加快短循环程序的执行D •设置相关专用通路一单选题：（10分，每题1分）2、 1、A.目态指令1、数据通路宽度就是—数据总线上一次并行传送的信息位数_。
2022年东北大学软件工程专业《计算机系统结构》科目期末试卷A(有答案)
2022年东北大学软件工程专业《计算机系统结构》科目期末试卷A（有答案）一、选择题1、虚拟存储器常用的地址映象方式是( )A.全相联B.段相联C.组相联D.直接2、在操作系统机器级，一般用（）程序（）作业控制语句。
A.汇编程序，翻译B.汇编程序，解释C.机器语言，解释D.机器语言，翻译3、非线性流水线是指( )A.一次运算中使用流水线中的多个功能段B.一次运算中要多次使用流水线中的某些功能段C.流水线中某些功能段在各次运算中的作用不同D.流水线的各个功能段在各种运算中有不同的组合4、以下说法中，不正确的是,软硬件功能是等效的，提高硬件功能的比例会：( )A.提高解题速度B.提高硬件利用率C.提高硬件成本D.减少所需要的存贮器用量5、下列关于标量流水机的说法不正确的是（）A.可对标量数据进行流水处理B.没有向量数据表示C.不能对向量数据进行运算D.可以对向量、数组进行运算6、传统机器语言机器级，是用（）来（）机器指令。
A.硬件，翻译B.编译程序，翻译C.微指令程序，解释D.微指令程序，翻译7、不同系列的机器之间，实现软件移植的途径不包括( )A.用统一的高级语言B.用统一的汇编语言C.模拟D.仿真8、推出系列机的新机器，不能更改的是( )A.原有指令的寻址方式和操作码B.系统总线的组成C.数据通路宽度D.存贮芯片的集成度9、下列说法正确的是（）A."一次重叠"是一次解释一条指令B."一次重叠"是同时解释相邻两条指令C.流水方式是同时只能解释两条指令D."一次重叠"是同时可解释很多条指令10、开发并行的途径有（），资源重复和资源共享。
A.多计算机系统B.多道分时C.分布式处理系统D.时间重叠二、填空题11、Cache写不命中时，只写入主存储器，并不将该字所在块由主存调入Cache。
称此分配法为________分配法。
12、在理想情况下，超标量超流水线处理机执行程序的速度是________和________的乘积。
计算机系统结构复习资料
计算机系统结构复习资料、名词解释1. 时间局部性【答案】时间局部性是指最近访问过的代码是不久将被访问的代码2. 空间局部性【答案】空间局部性是指那些地址上相邻近的代码可能会被一起访问3. 物理地址空间【答案】主存储器中所有存储字构成的物理地址空间 。
4. 从执行程序的角度看，并行性等级可分为哪些？【答案】指令内部并行、指令级并行、任务级或过程级并行、作业或程序级并行5. CPI【答案】每条指令平均时钟周期数其中h =指令i 在程序中执行的次数 6. 从机器（汇编）语言程序员看，以下哪些是透明的？指令地址寄存器；指令缓冲器；时标发生器；条件码寄存器；乘法器；主存地址 寄存器；磁盘外设；先行进位链；移位器；通用寄存器；中断字寄存器【答案】透明的有：指令缓冲器、时标发生器、乘法器、先行进位链、移位器7. 高位存储交叉存取【答案】用存储器地址的高位指明存储体的体号， 而低位用于指明存储体的体内 地址。
8. 直接映射高速缓存组织的优缺点【答案】直接映射的优点在于硬件比较简单， 不需要相联查找，不需要页面替换 算法，因而成本较低且速度较高。
缺点是命中率较低。
9. 写回【答案】在M +i 中的修改延迟到M 中正在修改的字被替换或从 M 中消除后才进行。
10. 虚拟地址空间【答案】应用程序员用来编写程序的地址空间，这个地址空间非常大。
11. 动态互连网络【答案】设臵有源开关，可以根据需要借助控制信号对连接通路加以重新组合实 CPI=CPU 寸钟周期数/IC （指令的条数） n(CPI i *=i 丄 IC12．向量横向处理方式【答案】向量计算是按行的方式自左向右横向的进行。
13．动态流水线【答案】在同一时间内，多功能流水线的各段可以按照不同的方式连接，同时执行多种功能。
其中流水线中各个功能部件不能发生冲突。
14．程序中的数据相关【答案】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，并把结果写到主存或通用寄存器中之后，本条指令才能开始执行。
计算机组成原理流水线与超标量技术的性能优化
计算机组成原理流水线与超标量技术的性能优化近年来，随着计算机应用的日益广泛和复杂化，对计算机性能的要求也越来越高。
为了提高计算机的运算速度和效率，人们不断探索和研究各种性能优化技术。
其中，流水线和超标量技术是两种常见且有效的优化方法。
一、流水线技术流水线技术是一种基于指令级并行的优化方法，它将计算机指令划分为不同的阶段，每个阶段分配一个专门的硬件模块来执行相应的操作。
通过将多条指令同时并行执行，流水线技术能够显著提高计算机的执行效率。
在流水线技术中，我们通常将指令的执行过程分为取指令、译码、执行、访存和写回五个阶段。
每个阶段由不同的硬件模块负责完成，并且能够同时处理多条指令。
这样一来，计算机就可以在同一个时间周期内执行多条指令，提高了整体的运算速度。
然而，流水线技术也存在一些问题。
首先，流水线的效率受制于指令之间的依赖关系。
如果一条指令的执行需要依赖前面指令的结果，那么流水线就会发生阻塞，降低了执行效率。
此外，流水线还会引入一定的硬件代价，包括冲突检测和调度机制的设计等。
为了更好地优化流水线技术的性能，人们提出了一系列的解决方案。
例如，通过添加冗余的硬件单元来处理指令间的依赖关系，即预测执行和乱序执行技术。
此外，还可以通过设置更多的流水线段数，增加流水线的深度，从而提高整体的执行效率。
二、超标量技术相比于流水线技术，超标量技术更加复杂和灵活，可以同时启动并行执行多条指令，进一步提高计算机的性能。
超标量技术可以通过增加硬件资源和优化指令调度的方式来实现。
在超标量技术中，我们将计算机指令分为多个指令流，并且每个指令流都可独立执行。
这样一来，计算机就能够同时执行多条指令，提高整体的运算速度。
超标量技术的核心在于指令调度，通过智能地选择和排序指令，使得多条指令可以并行执行。
与流水线技术相比，超标量技术能够更好地处理指令之间的依赖关系。
当一条指令的执行需要依赖其他指令的结果时，超标量技术可以灵活地选择其他可执行的指令来填充空闲的硬件执行单元。
超标量、超级流水线、超长指令字、向量机
超标量、超级流水线、超长指令字、向量机记得本科学计算机系统结构时，在了解了流水线这一用于提高cpu处理速度的方法后，书中还介绍了一些其他的结构，这些结构一般用于较高性能的计算机中(呵呵,嵌入式系统中我还没看到,连multi issue的cpu都不多)，包括：超标量（Super Scalar）、超级流水线（Super Pipeline）、超长指令字（VLIW）、和向量机。
这些概念我总混淆，现在随着理解的深入，已经完全知道了它们各自的特点，写点简要的介绍，贴在这里。
1、超标量（Super Scalar)将一条指令分成若干个周期处理以达到多条指令重叠处理,从而提高cpu部件利用率的技术叫做标量流水技术.超级标量是指cpu内一般能有多条流水线,这些流水线能够并行处理.在单流水线结构中,指令虽然能够重叠执行,但仍然是顺序的,每个周期只能发射(issue)或退休(retire) 一条指令.超级标量结构的cpu支持指令级并行,每个周期可以发射多条指令(2-4条居多).这样,可以使得cpu的IPC(Instruction Per Clock) > 1, 从而提高cpu处理速度.超级标量机能同时对若干条指令进行译码，将可以并行执行的指令送往不同的执行部件,在程序运行期间，由硬件(通常是状态记录部件和调度部件)来完成指令调度.超级标量机主要是借助硬件资源重复(例如有两套译码器和ALU等)来实现空间的并行操作.我们熟知的pentium系列(可能是p-II开始),还有SUN SPARC系列的较高级型号,以及MIPS若干型号等都采用了超级标量技术.2、超级流水线（Super Pipeline)超级流水线又叫做深度流水线，它是提高cpu速度通常采取的一种技术。
CPU处理指令是通过Clock来驱动的，每个clock完成一级流水线操作。
每个周期所做的操作越少，那么需要的时间久越短，时间越短，频率就可以提得越高。
所以超级流水线就是将cpu处理指令是得操作进一步细分，增加流水线级数来提高频率。
CPU提速之指令流水线与超标量技术
Thanks
公司名公司名公司名公司名
吞吐率
存在问题
1.超标量处理机都重复设置有多个相同的指令执行部件，而超流水线处理 机 只是把同一个指令执行部件分解为多个流水极。
2.超流水线处理机要比超标量处理机条件转移等操作造成的损失大。 3.超流水线处理机的启动延迟比超标量处理机大 4.因为超线程技术是对多任务处理有优势，因此当运行单线程运用软件时，超线 程技术将会降低系统性能，尤其在多线程操作系统运行单线程软件时将容易出现 此问题。
介绍并分析“CPU提速之指令流水线与超标量技术”
生如夏花
目录
原理
存在问题
解决办法
注意事项
原理介绍
超流水线是通过细化流水、提高主频，使得 在一个机器周期内完成一个甚至多个操作， 其实质是以空间换取时间。 超标量，CPU架构是指在一颗处理器内核中 实行了指令级并行的一类并行运算。这种技 术能够在相同的CPU主频下实现更高的CPU
5.在打开超线程支持后，如果处理器以双处理器模式工作，那么处理器内部缓存 就会被划分成几区域，互相共享内部资源。对于不支持多处理器工作的软件在双 处理器上运行时出错的概率要比单处结构才能使用超标量处理机。 操作系统选用Windows XP及以上的版本才能正式支持“超线程”技术
注意事项
对于一些需要处理器进行运算的工作来说(专门为超线程或多核、多处理器设计 的程序)，开启超线程功能绝对能够让平台的运算能力得到有效的提升，如果您 经常使用7-Zip和WinRAR等软件对文件进行压缩和解压缩，那么一定要开启超线 程，可以起到事半功倍的效果。 而对于偏向游戏的玩家来说，是否开启超线程，就要根据具体情况来抉择了。 首先，要看玩家在运行游戏的过程中，处理器的负载状态。比如有的玩家喜欢 双开、多开游戏客户端，那么平台会长时间运行在高负载的状态下，根据我们 之前的测试结果可以发现，在这种情况下，将超线程功能关闭，往往能够获得 更好的游戏体验。
计算机体系结构中的流水线和超标量设计
计算机体系结构中的流水线和超标量设计计算机体系结构是指计算机硬件和软件的结构组织方式，它决定了计算机的性能和功能。
在计算机体系结构中，流水线和超标量设计是两种常见的优化技术，它们可以提高计算机的指令执行效率和处理能力。
本文将对流水线和超标量设计进行详细的介绍和分析。
一、流水线设计流水线设计是一种将计算机指令划分为多个互相依赖的阶段，并通过多个专用硬件单元并行执行的技术。
流水线设计可以将指令的执行时间缩短，提高计算机的吞吐量。
1. 流水线结构在流水线设计中，计算机指令的执行被划分为多个阶段，每个阶段由一个专门的硬件单元负责。
典型的流水线结构包括指令获取、指令解码、执行、访存和写回等多个阶段。
每个阶段的任务会同时进行，使得计算机能够在同一时间执行多个指令。
2. 流水线优点流水线设计的主要优点是能够提高计算机的执行效率。
由于每个硬件单元只需要处理指令的一个阶段，因此可以同时进行多个指令的处理。
这种并行执行的方式可以大大提高计算机的吞吐量，加快指令的执行速度。
3. 流水线缺点尽管流水线设计可以提高计算机的执行效率，但也存在一些缺点。
首先，由于每个硬件单元只负责指令的一个阶段，因此在某个阶段出现问题时，后续的指令会受到影响，导致整个流水线的效率下降。
此外，由于指令之间可能存在依赖关系，流水线设计可能会引发数据冒险和控制冒险等问题，需要通过技术手段解决。
二、超标量设计超标量设计是一种在计算机处理器中使用多个独立的执行单元，并行执行多个指令的技术。
超标量设计可以进一步提高计算机的指令级并行性和处理能力。
1. 超标量结构在超标量设计中，处理器包含多个独立的执行单元，每个执行单元可以同时执行一条指令。
这些执行单元可以根据指令的特点和依赖关系选择合适的指令并行执行策略。
超标量设计通过增加硬件资源，提高了计算机的指令级并行性。
2. 超标量优点超标量设计的主要优点是可以进一步提高计算机的处理能力。
由于每个执行单元可以独立执行指令，通过合理的指令调度和并行执行策略，可以在同一时间执行多条指令。
《计算机系统结构》课程教学大纲
《计算机系统结构》课程教学大纲一、课程基本信息课程代码:课程名称：计算机系统结构英文名称：Computer Architecture课程类别: 专业课学时：72(其中实验18学时)学分: 3.5适用对象: 计算机科学与技术、网络工程专业考核方式：考试（其中平时成绩占30%，期末考试成绩占70%）先修课程：计算机组成原理、操作系统二、课程简介本课程是计算机专业一门重要的专业基础课，对于培养学生的抽象思维能力和自顶向下、系统地分析和解决问题的能力有非常重要的作用。
其目标是使学生掌握计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构、基本设计和分析方法，并对计算机系统结构的发展历史和现状有所了解。
通过学习本课程，能把在“计算机组成原理”等课程中所学的软、硬件知识有机地结合起来，从而建立起计算机系统的完整概念。
This course is a computer professional important foundation for the professional class, for training students in abstract thinking, and top-down, System analysis and the ability to solve problems is a very important role. The goal is to enable students to master computer system structure the basic concepts, basic principles and basic structure, basic design and analysis methods and computer system architecture and the history of the development of an understanding of the status quo. Through the study of this course, can in "Principles of Computer Organization", y the school curriculum of the software and hardware knowledge combined organic, Computer systems in order to establish the integrity of the concept.三、课程性质与教学目的《计算机系统结构》的教学对象为计算机相关专业的高年级本科生专业技术基础课程，目的是介绍计算机体系结构的概念、技术和最新动态，着重介绍软，硬件功能分配以及如何最佳、最合理地实现软、硬件功能分配。
计算机组成原理中的指令流水线与超标量
计算机组成原理中的指令流水线与超标量计算机组成原理是计算机科学中的重要概念之一，它研究了计算机的硬件组成和工作原理。
其中，指令流水线和超标量技术是提高计算机性能的重要手段。
本文将介绍指令流水线和超标量技术的基本原理，并讨论它们在计算机系统中的应用。
一、指令流水线指令流水线是一种将指令执行过程分为多个阶段，并且在每个阶段中同时执行多条指令的技术。
通过将指令执行过程划分为多个独立的阶段，可以使得指令在执行过程中能够重叠进行，从而提高了计算机的运行速度。
指令流水线通常包括取指、译码、执行、访存和写回这五个阶段。
在每个时钟周期中，各个阶段同时执行不同的指令，以提高整个系统的效率。
每个指令在通过流水线的各个阶段时，都经历了不同的处理过程，最终完成指令的执行。
指令流水线的优点在于它可以充分利用计算机资源，提高处理器的性能。
然而，指令流水线技术也存在一些问题，例如流水线冲突和分支预测错误。
流水线冲突指的是由于数据相关性等原因导致指令无法按照顺序执行，而需要等待前一条指令完成。
分支预测错误则是指在程序执行过程中，由于分支指令的条件未知，导致指令流水线中的指令被误判，从而浪费了计算资源。
二、超标量技术超标量技术是指在一个时钟周期内同时发射多条指令，并且在多个功能部件上同时执行这些指令的技术。
相比于指令流水线，超标量技术更进一步地提高了计算机的性能。
超标量技术的核心是多发射和多功能部件。
多发射指的是在一个时钟周期内同时发射多条指令到流水线中。
多功能部件则是指在处理器中使用多个功能部件，以同时执行多条指令，从而提高计算机的性能。
超标量技术的优点在于它可以同时执行多条指令，提高计算机处理的并行性。
通过在一个时钟周期中同时发射多条指令，并在多个功能部件上执行这些指令，可以充分利用计算机资源，提高处理器的性能。
然而，超标量技术也存在一些问题，例如硬件复杂度和资源分配等。
由于需要同时执行多条指令，并且在多个功能部件上执行，因此需要更多的硬件资源来支持。
计算机系统结构模拟试题(3)(精)
计算机系统结构模拟试题（3）一、单选题:15分，每题03分1、一台模型机共有7条指令，各指令的使用的频率分别为45％,30％,15％,5％,3％,1％,1％。
要求操作码的平均长度最短，那么该值应该是：A: 2B: 1.87C: 2.1D: 1.972、设a为一个计算机系统中n台处理机可以同时执行的程序代码的百分比，其余代码必须用单处理机顺序执行。
而单个节点机的处理效率是4MIPS,那么在a=0.8的条件下，要让系统的效率达到20MIPS,则至少需要多少台节点机？A: 8B: 16C: 32D: 以上均错误3、一条流水线的可分为k段，各段的执行时间都是，共向该流水线输入n个任务，求该流水线实际吞吐率为：A:B:C:D:4、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）A:B:C:D:5、在超标量，超流水线，超标量超流水线等不同结构的指令级并行处理机上运行矩阵乘法C＝A×B（假设A是m×n阶的矩阵，B是n×l阶的矩阵），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二、多选题:04分，每题04分6、下列功能，那些一般由硬件实现？A : 第一次关CPU中断B : 返回中断点C : 第一次开CPU中断D : 保存中断点三、填空选择题:04分，每题04分7、星形网络的网络直径和链路数分别为（）和（）。
选项 1 :N-1N/22N(N-1)/2选项 2 :N-1N/22N(N-1)/2四、大型计算题:10分，每题10分8、假设我们考虑条件分支指令的两种不同设计方法如下：CPU1：通过比较指令设置条件码，然后测试条件码进行分支。
CPU2：在分支指令中包括比较过程。
在两种CPU中，条件分支指令都占用2个时钟周期而所有其他指令占用1个时钟周期，对于CPU1，执行的指令中分支指令占20％；由于每个分支指令之前都需要有比较指令，因此比较指令也占20％。
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WR2
FA：浮点加减法运算 MD：乘除法运算 AL：定点算术逻辑运算 LS：取数存数
计算机体系结构 - 超标量处理机与超流水线处理机
（2）多发射处理机结构——超标量处理机
通常，把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。最基本的要求：必须有两条或两条以上并行的指令流水线 处理机
计算机体系结构 - 超标量处理机与超流水线处理机
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9.1.2 单发射与多发射
一个4段流水结构的单 发射处理机和并行度为 3的超标量处理机的指 令执行时空图
I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8 I9 指令 1 IF IF IF I1 I2 I3 指令 1 IF
单发射处理机的指令流水线时空图
即它们的指令级并行度ILP＞1
计算机体系结构 - 超标量处理机与超流水线处理机
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9.1 超标量处理机
己面市的高级微处理机大多数属于超标量机：
超标量处理机
Intel 的 i860 、 i960 、 Pentium 处 理 机 ， Motolora 公 司 的 MC88110，IBM的Power 6000，SUN的SuperSPARC等
指令级并行度
如果超标量处理机每个时钟周期发射m条指令，则指令级并 行度ILP的期望值是m， 实际的指令级并行度：1＜ILP＜m
计算机体系结构 - 超标量处理机与超流水线处理机
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多发射处理机结构——超标量处理机
有先行指令窗口的多发射流水线处理机结构
取指 指令译码 FA1 执行指令 FA2 FA3 写回结果
单发射处理机的指令流水线时空图
2 ID IF 3 EX ID IF 4 WR EX ID 5 WR EX WR 6 时钟周期
多发射处理机的指令流水线时空图
1 IF IF IF 2 ID ID ID IF IF IF 3 EX EX EX ID ID ID IF IF IF 4 WR WR WR EX EX EX ID ID ID WR WR WR EX EX EX WR WR WR 5 6 时钟周期
（Super Pipelinig Processor）
超标量超流水线处理机
（Super Pipelining Superscalar Processor）
计算机体系结构 - 超标量处理机与超流水线处理机
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第9章 超标量处理机与超流水线处理机
上述三类指令级并行处理机的结构特征
1）并行度为 m 的超标量处理机 ——有 m 条并行的指令流水线
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WR2
FA：浮点加减法运算 MD：乘除法运算 AL：定点算术逻辑运算 LS：取数存数
计算机体系结构 - 超标量处理机与超流水线处理机
多发射处理机结构——超标量处理机
超标量处理机
通常，把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。最基本的要求：必须有两条或两条以上并 行的指令流水线
WR2
先行指令窗口
计算机体系结构 - 超标量处理机与超流水线处理机
多发射处理机结构——超标量处理机
先行指令窗口的作用：
1）从指令Cache中读入多条指令，通过硬件判断哪些指令 可以先发射到操作部件中去执行 2）把无功能部件冲突、数据相关和控制相关的指令错序发 射到操作部件中去，提高功能部件的利用率 先行指令窗口的大小对超标量处理机的性能影响很大
超标量处理机典型结构
Motorola公司的MC88110
整数 部件 整数 部件 位操作 部件 浮点加 部件 乘法 部件 除法 部件 图形 部件 图形 部件
内部总线 读数／存数 部件 通用寄 存器堆 扩展 寄存器堆 目标 指令 指令分配／ 转移部件
数据 Cache（8KB）
指令 Cache（8KB）
n c 超流水线处理机
d 超标量超流水线处理机
计算机体系结构 - 超标量处理机与超流水线处理机
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第9章 超标量处理机与超流水线处理机
上述三类指令级并行处理机的结构特征
3）并行度为（m，n）的超标量超流水线处理机 ——每个流水段细分为 n 段的 m 条并行指令流水线 为1）和2）结构的综合
m
a 标量处理机流水线 b 超标量处理机流水线
窗口太小，容纳的指令数量少、调度的效果不好，窗口太大， 调度所需要的硬件实现太复杂
同时发射两条指令的多发射处理机的指令流水线
取指令 指令译码 FA1 执行指令 FA2 FA3 写回结果
浮点加法部件 来自指令 Cache IF1 ID1 MD1 MD2 MD3 WR1 通用寄存器 后部件 来自指令 Cache IF2 ID2 AL 定点算术逻辑部件 LS 取数存数部件
先进的超标量处理机一般包含三个处理单元：
1）定点处理单元
通常称为中央处理单元（CPU），它由一个或多个整数处理部件 组成
2）浮点处理单元（FPU）
它由浮点加减法部件和浮点乘除法部件等组成
3）图形加速部件，也称为图形处理单元（GPU）
目前已与CPU基本分离
计算机体系结构 - 超标量处理机与超流水线处理机 9
超流水线处理机
SGI的MIPS R4000，R5000，R10000等
超标量超流水线处理机
DEC的Alpha处理机
计算机体系结构 - 超标量处理机与超流水线处理机
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9.1.1 超标量处理机基本结构
超标量处理机的典型结构是：
1）有多个操作部件 2）一个或多个较大的通用寄存器堆 3）一个或两个高速Cache
四种不同类型处理机的性能比较
机器类型 机器流水线周期 同时发射指令条数 指令发射等待时间 指令级并行度ILP k段流水线 基准标量处理机 1个时钟周期 1条 1个时钟周期 1 m度超标量 处理机 1 m 1 m n度超流水线 处理机 1／n 1 1／n n （m,n）度超标量 超流水线处理机 1/n m 1/n m*n
单发射处理机的指令流水线时空图
2 ID IF 3 EX ID IF 4 WR EX ID 5 WR EX WR 6 时钟周期
多发射处理机的指令流水线时空图
2 ID ID ID IF IF IF 3 EX EX EX ID ID ID IF IF IF 4 WR WR WR EX EX EX ID ID ID WR WR WR EX EX EX WR WR WR 5 6 时钟周期
浮点加法部件 IF1 ID1 MD1 MD2 MD3 WR1 通用寄存器 后行写数栈 通用寄存器 后行写数栈
指令 Cache
乘除法部件 IF2 ID2 AL 定点算术逻辑部件 IF3 ID3 LS 取数存数部件
FA：浮点加减法运算 MD：乘除法运算 AL：定点算术逻辑运算 LS：取数存数
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指令 Cache
n
c 超流水线处理机
d 超标量超流水线处理机
计算机体系结构 - 超标量处理机与超流水线处理机
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第9章 超标量处理机与超流水线处理机
主要性能比较
以一台k段流水线的普通标量处理机为基准，假设：
基准标量机的机器流水线周期和指令发射等待时间都为1个时钟周期， 则同时发射的指令条数为1，指令级并行度ILP（Instruction Level Parallelism）为1
计算机体系结构
第9章 超标量机与超流水线机
陈 伟 教授 西南石油大学计算机学院 ncchenwei@
1
第9章 超标量处理机与超流水线处理机
本章主要介绍另外三种高性能的指令级并行处理 机的基本原理、典型结构和主要性能：
超标量处理机
（Superscalar Processor）
超流水线处理机
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计算机体系结构 - 超标量处理机与超流水线处理机
9.1 超标量处理机
一般的流水线处理机只有一条指令流水线，每个时钟周 期平均执行指令数量小于1
指令级并行度ILP＜1或IPC＜1（每个周期完成的指令数量） 由于存在复杂操作延时、数据相关、转移相关等不利影响
超标量、超流水线和超标量超流水线三种处理机在一个 时钟周期内可以执行完成多条指令
来自指令 Cache
IF
ID
MD1 MD2 MD3 乘除法部件 AL
WR
通用寄存器 后行写数栈
FA：浮点加减法运算 MD：乘除法运算 AL：定点算术逻辑运算 LS：取数存数
定点算术逻辑部件 LS 取数存数部件
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计算机体系结构 - 超标量处理机与超流水线处理机
（2）多发射处理机结构
多个取指令部件，多个指令译码部件和多个写结果部件 设置多个指令执行部件，有些指令执行部件采用流水线结构
系统总线 32 位地址总线
计算机体系结构 - 超标量处理机与超流水线处理机
64 位数据总线
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9.1.1 超标量处理机基本结构
Motorola公司的MC88110
两个寄存器堆：
整数部件通用寄存器堆，32个32位寄存器 浮点部件扩展寄存器堆，32个80位寄存器
缓冲深度为4的先行读数栈 缓冲深度为3的后行写数栈 两个独立的高速Cache中，各为8KB，采用两路组相联方式 转移目标指令Cache，用于存放另一条分支上的指令
计算机体系结构 - 超标量处理机与超流水线处理机
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9.1.2 单发射与多发射
单发射处理机设计目标
每个时钟周期平均执 行一条指令，即它的 指令级并行度ILP的期 望值为1 但是由于数据相关、 条件转移和资源冲突 等原因，实际的ILP 不 可能达到1
I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8 I9 指令 I1 I2 I3 指令 1 IF
先行指令窗口
为了一个时钟周期内同时发射多条指令，通常设有一个先行 指令窗口，能够从指令Cache中预取多条指令，能够对窗口 内的指令进行数据相关性分析和功能部件冲突检测