第五章-标量处理机与流水线

第五章标量处理机与流水线

选择题25，简答题10，演算题15

1 选择题

★

1.假设一条指令的执行过程可以分为“取指令”、“分析”和“执行”三段，每

一段的执行时间分别为t?、t?

3，顺序执行n条指令至少需要花费的

2和t?

时间为：

A. t

3

n?

B. t

2

n?

C. t

n?

6

D. t

n?

答案：C

★★

2.假设一条指令的执行过程可以分为“取指令”、“分析”和“执行”三段，每

一段的执行时间均为t?，连续执行n条指令所需要花费的最短时间约为（假设仅有“取指令”和“执行”可重叠并假设n足够大）：

A. t

3

n?

B. t

2

n?

3

C. t

n?

2

D. t

n?

答案B

3.假设一条指令的执行过程可以分为“取指令”、“分析”和“执行”三段，每

一段的执行时间均为t?，连续执行n条指令所需要花费的最短时间约为（假设仅有“取指令”和“分析”可重叠并假设n足够大）：

A. t

3

n?

B. t

2

n?

3

C. t

n?

2

D. t

n?

答案B

★★

4.假设一条指令的执行过程可以分为“取指令”、“分析”和“执行”三段，每

一段的执行时间分别为t?、t?

3，连续执行n条指令所需要花费的最

2和t?

短时间约为（假设仅有“取指令”和“执行:”可重叠并假设n足够大）：

A. t

6

n?

B. t

5

n?

C. t

3

n?

D. t

n?

答案B

★★

5.假设一条指令的执行过程可以分为“取指令”、“分析”和“执行”三段，每

一段分别只有一个部件可供使用并且执行时间分别为t?、t?

3，连续

2和t?执行n条指令所需要花费的最短时间约为（假设“取指令”、“分析”和“执行”可重叠并假设n足够大）：

A. t

6

n?

B. t

2

n?

C. t

3

n?

D. t

n?

答案C

★★

6.看下述程序段：

k：R0=R1×R4

k+1：R6=R5＋1

k+2：R2=R0×R3

k+3：R3=R4-1

k+4：R2=R5

K+5：……

下列哪个数据相关没有在上述程序段中发生

A. 先写后读相关

B. 写-写相关

C. 先读后写相关

D. 以上都不对

答案：D

★

7.看下述程序段：

k：R5=R2

k+1：R0=R1×R4

k+2：R2=R5＋1

k+3：R4=R0×R3

k+4：R3=R4-1

K+5：……

k和k+2之间发生的是什么数据相关

I. 先写后读相关

II.写-写相关

III. 先读后写相关

A.只有I

B.只有I、II

C.只有I、III

D.以上都不对

答案：C

★

8. 一条流水线可分为k 段，各段的执行时间都是t ?，共向该流水线输入n 个任务，第n 个任务结束于： A. t nk ?

B. ()t n k ?+

C. ()1-+n k

D. ()t n k ?-+1 答案：D

★

9. 一条流水线的可分为k 段，各段的执行时间都是t ?，共向该流水线输入n 个任务，求该流水线实际吞吐率的为：

A. t k n

TP ?=

B. ()t n k n TP ?-+=1

C. t

TP ?=1 D. t

n k n

TP ?-+=

)1(

答案：D ★

10. 一条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

B. MIPS 04.1

C. MIPS

.0

9709

D. MIPS

.0

9615

答案：C

★★

11.一条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

B. MIPS

.0

165

C. MIPS

.0

167

D. MIPS

.0

328

答案：D

★

B. 3

C. 4

D. 6

答案：C

★

13. 一条4段流水线，每段执行时间为1ns ，求该流水线执行100条指令最大效率为： A. 100% B. 96.2% C. 97.1% D. 388% 答案：C ★

14. 如下图所示的浮点加法流水部件，计算()10,,2,1 ==+i Z Y X i i i ，流水线经

B. 15

C. 14

D. 13 答案：B

★

15.

A. (111111)

B. (110111)

C. (010101)

D. (101010) 答案：D ★★

16. 某动态流水线有S1、S2、S3和S4段，其特性由下图所示的预约表来表示

A. 6

B. 5

C. 4

D. 3.5 答案：C ★

B. 超标量处理机

C. 超流水处理机

D. 超标量超流水处理机 答案：C

★

18. 一台()n m ,度的超标量超流水线处理机的指令并行度为

A. m

B. m(n-1)

C. (m-1)(n-1)

D. mn ★★★

19. 连续执行100条指令时，一台2度的超标量处理机的最大效率是多少（假设

这里的每条流水线是4段标准流水线的流水线）

A. 100%

B. 97.1%

C. 94.3%

D. 92.6%

答案：C

★★★

20.连续执行100条指令时，一台5度的超标量超流水线处理机的最大效率是多

少（假设这里的每条流水线是基于4段标准流水线的超标量流水线）

A. 100%

B. 97.09%

C. 96.34%

D. 96.15%

答案：C

★

21.在不同结构的处理机上运行的矩阵乘法C＝A×B，假设A是m×n阶的矩阵，

B是n×l阶的矩阵，则最少需要进行多少次乘法和多少次加法

A. mn, nl

B. mnl, ml(n-1)

C. mnl, mn(l-1)

D. mnl, mnl

答案：B

★★

22.试比较在指令并行度较低的情况下，具有相同指令并行度的超标量处理机a

和超流水线处理机b的效率

A. a>b

B. a=b

C. a

D. 不能确定（和指令数有关）

答案：A

★★

23.一条4个功能段的加－乘静态流水线，四个功能段如下所示，计算∑

=?

8

1 i

i

i

B A，

最少需要经过多少时间，假设运算的结果必须先写入到缓冲存储器才能供输入端使用。并且只有当一个流水线排空后流水线才可以发生另一种运算。

(1)取指

(2)译码、取数

(3)运算

(4)写结果

A. 19

B. 23

C. 25

D. 27

答案：C ★★

24.一条4个功能段的加－乘静态流水线，四个功能段如下所示，计算∑

=?

8

1 i

i

i

B A，

最少需要经过多少时间，假设运算的结果有专门的输出通路连接到输入端。

并且只有当一个流水线排空后流水线才可以发生另一种运算。

(5)取指

(6)译码、取数

(7)运算

(8)写结果

A. 16

B. 23

C. 25

D. 27

答案：B

★

25.一台标量处理机，具有一条5级指令流水线，每级均耗时1个时钟周期，执

行一个具有20条指令的代码序列。现将此标量处理机改为超流水线处理机，采用同样基准的指令流水线，不同的是每隔1/4个时钟周期发射1条指令，执行相同的代码序列。问前后两次执行的加速比。

A. 2.4

B. 2.46

C. 2.67

D. 2.75

答案：B

2 问答题

★★

1.简述流水线技术的特点

答：流水线技术具有以下特点：

⑴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”。

⑵流水技术适合于大量重复的时序过程。

★★

2.请写出2种乱序流动方式中的数据相关，并举例说明分别在什么情况下发生

（采用设计程序段的方式来说明）

答：

⑴写读相关：

例如程序段R0=R1×R4; R2=R0×R3若第二条指令在第一条指令前执行则最终的结果与正确结果不同，此时发生写读相关

⑵读写相关

例如程序段R2=R0×R3; R3=R4-1若第二条指令在第一条指令前执行则最终的结果与正确结果不同，此时发生写读数据相关

⑶写写相关

例如程序段R2=R0×R3; R3=R4-1; R2=R5若指令三在指令一前发生则最终的结果与正确结果不同，此时发生写写数据相关

★★

3.在流水线处理机当中，可能有哪几种操作数据相关？这几种相关分别发生在

什么情况下？解决操作数相关的基本方法有哪几种？

答：

①

a. 写读相关（先读后写）

例如程序段R0=R1×R4; R2=R0×R3若第二条指令在第一条指令前执行则最终的结果与正确结果不同，此时发生写读相关

b. 写写相关

例如程序段R2=R0×R3; R3=R4-1; R2=R5若指令三在指令一前发生则最终的结果与正确结果不同，此时发生写写数据相关

c. 读写相关（先写后读）

例如程序段R2=R0×R3; R3=R4-1若第二条指令在第一条指令前执行则最终的结果与正确结果不同，此时发生写读数据相关

②

解决数据相关的方法可以分为2大类：延迟执行、建立专用路径

★

4.解决流水线结构相关的方法有哪些？写出2种

答：

(1)流水化功能单元

(2)资源重复

5.降低流水线分支损失的方法有哪些？

答：

(1)在流水线中尽早判断出分支转移是否成功

(2)尽早计算出分支转移成功时的PC值（即分支的目标地址）

“冻结”“排空”流水线的方法：

●预测分支失败

●预测分支成功

●延迟分支

★★★

6.试写出延迟分支的3种调度策略，并对其进行评价

答：

(1)从前调动

分支必须不依赖于被调度阿指令，总是可以有效提高流水线的性能

(2)从目标处调度

若分支转移失败，必须保证被调度的指令对程序的执行没有影响，可能

需要复制调度指令。分支转移成功时，可提高流水线性能。单由于复制

指令，可能加大程序空间

(3)从失败处调度

若分支转移成功，必须保证被调度的指令对程序的执行无影响。分支转

移失败时，可提高流水线性能

★

7.简述单流水线标量处理机、超标量处理机、超流水线处理机、超标量超流水

线处理机的特点

答：

具有标量数据表示和标量指令系统的处理机称为标量处理机，通常只有一条流水线，一个时钟周期内可以完成一条指令。

超标量处理机一般具有多于一条的流水线，一台m度的超标量处理机可同时发射m条指令，指令的发射等待时间为1个时钟，指令的并行度为m。

超流水线处理机一般具有一条k段的超流水线，一台n度的超流水处理机可以同时发射一条指令，指令的发射等待时间为1/n个时钟周期，每个时钟周期共发射n条指令。指令的并行度为n。

m,度的超标量超标量超流水处理机一般具有多余1条的超流水线，一台()n

超流水处理机可以同时发射m条指令，指令的发射等待时间为1/n个时钟周期，每个时钟周期共发射mn条指令，指令的并行度为mn。

8.画图说明什么是流水线“瓶颈”简述解决流水线瓶颈的方法

A.将流水线的“瓶颈”部分再细分

B.重复设置瓶颈流水段，让多个瓶颈流水段并行工作

★

9.什么是静态流水线？什么是动态流水线

答：

静态流水线：在同一时间内，多功能流水线种的各个功能只能按照一种固定的方式连接，实现一种固定的功能。只有当按照这种连接方式工作的所有任务都流出流水线之后，多功能流水线才能重新尽心连接，以实现其他功能。

动态流水线：在同一时间内，多功能流水线种的割断可以按照不同的方式连接，同时执行多种功能。其中流水线种各个功能部件不能发生冲突。

★★

10.程序中有哪两类相关，分别可以采取什么方法来解决

答：

程序中可能出现下两类相关

(1)数据相关

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，并把结果写道主存或通用寄存器中之后，本条指令才能开始执行。

可以采取设置专用数据通路、延迟执行等方法来解决数据相关。

(2)控制相关

控制相关指由条件分支指令、转子程序指令、中断等引起的相关。

可以采取静态分支预测技术、动态分支预测技术、提前形成条件码等来解决控制相关。

3 演算题

★★

2.一条流水线连接图如下所示，画出100条指令连续通过该流水线的时空图，

TP=100/(3*100+6-3)=0.3303MIPS

（分母是305，300都不对）

TP max=1/3=0.333333MIPS

3.一条流水线连接图如下所示，画出100条指令连续通过该流水线的时空图，

采用流水方式执行的时间为T1＝3×100＋6－1＝305ns

加速比S＝T0/T1=600/305=1.97

4.连续执行100条指令时，一台2度的超标量超流水线处理机的最大效率是多

少（假设这里的每条流水线是基于5段标准流水线的超标量流水线），画出时空图来说明

5. 用1条5个功能段的浮点加法器流水线计算∑==10

1

i i A F 。每个功能段的延时均

相等，流水线的输出端与输入端之间有直接的数据通路，而且设置有足够的缓冲寄存器。要求用尽可能短的时间完成计算工作，画出流水线时空图，计算流水线的实际吞吐率、加速比和效率 解：

假设每个功能段的延迟时间为t ?，则

()()()()()[]1059784796358423621110

1A A A A A A A A A A A F i i +++++++++==∑=

上式中加法右下侧地座标表示这是第几个加法 时空图略 吞吐率为：

t

t TP ?=?=1

45.020/9

加速比为：

25.220/59=?=p S

6. 设有一个15000条指令地程序在一台时钟频率为25MHz 的线性处理机上执行。假设该指令流水线有5段，并且每个时钟周期发射一条指令。忽略由于转移指令和无序执行造成的损失。

(a) 用该流水线执行这一程序，并用通过延迟时间与其相等的一个等效非流

水线处理机执行同一程序，将两者加以比较，并计算其加速比。 (b) 该流水线处理机的效率和吞吐率是多少？ 解：

(a) 等效的非流水处理机执行一条指令需要的时间是5个时钟周期。

按照加速比定义，应有

()9986.415004

75000

1150005515000)1(==-+?=-+=

n k nk S

(b) 效率为

()[]9997.015004

15000

1==-+=

n k k nk E

(c) 吞吐率为

()()MIPS s IC n k nf TP 99.2415004

/10251500016=??=-+=

7. 设有图3.5所示的浮点加法流水部件，其中第2功能的延迟时间是t ?3，其余

解：

改进方案1：

将S2细分为3个功能断Z1，Z2，Z3，分别有t ?的延迟时间，则现在流水线有6个功能段，效率为

()()9524.06

110061001131=?-+?+++=

E

改进方案2：

()

9571.0161004102

1003=-+?+?=

E

8.

①确定禁止表F 和冲突向量C

②画出状态图，确定其最小平均等待时间和最大吞吐率 解：

由预约表可以看出，引起冲突的启动时间是2，4，5，则冲突向量()11010=C 。 此流水线的状态图如下所示

要找出最小平均等待时间，首先要从状态图种找出迫切循环。迫切循环的定义是，从它们各自的初始状态输出的边缘都具有最小等待时间。

从状态图中可以看出（3）和（1，6）是迫切循环，（1，6）平均为3.5。所以最小平均等待时间为3

此时最大吞吐率为MAL 的倒数为33.3%

9.下列汇编代码在一台3段流水线处理机上执行，每一段都有（相关）检测和

分解。这3段是取指令、取操作数（根据要求取一个或多个）和执行（包括写回操作）。试说明在代码执行中所有可能的相关情况。

k: INC R0

k+1: MUL ACC, R0

k+2: STORE R1, ACC

k+3: ADD ACC, R0

k+4: STORE M, ACC

其中，双操作数指令，第1个操作数是目的寄存器，第2个操作数是源寄存器。

答：

由此可以看出在t3时刻，发生先写后读相关

在t4时刻，发生先写后读相关

在t6时刻，发生先写后读相关。

10. 某动态流水线有S1、S2、S3、S4和S5段，其特性由下图所示的预约表来表示

①确定禁止表F 和冲突向量C

②画出状态图，确定其最小平均等待时间和最大吞吐率 ③从简单循环中找出迫切循环

④使用此流水线时，列出可允许的最小恒定循环 ⑤如果使用最小恒定循环，则吞吐率是多少？ 解：

禁止等待时间为：3,4,5 冲突向量为：(11100)

简单循环如下(1,1,6)，(2,6)，(6)，(1,6) 迫切（最小启动）循环为(1,1,6) 最小平均等待时间为(1+1+6)/3=2.67 最小恒定循环为(6)

设该流水线的时钟周期为τ，则最大吞吐率为

τ

τ83

1max =

?=MAL TP 使用最小恒定循环时，流水线的吞吐率为

τ

61=TP