2021年吉林大學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)題庫

第三章流水線技術(shù)知識點(diǎn)匯總先行控制、流水線、單功能流水線、多功能流水線、靜態(tài)流水線、動態(tài)流水線、部件級流水線、解決機(jī)級流水線、解決機(jī)間流水線、線性流水線、非線性流水線、順序流水線、亂序流水線、時(shí)空圖、流水線性能評價(jià)（吞吐率、加速比、效率）、解決流水線瓶頸問題辦法、有關(guān)（數(shù)據(jù)有關(guān)、名有關(guān)、控制有關(guān)）、換名技術(shù)、流水線沖突（構(gòu)造沖突、數(shù)據(jù)沖突、控制沖突）、流水線互鎖機(jī)制、立向技術(shù)、指令調(diào)度、預(yù)測分支失敗、預(yù)測分支成功、延遲分支（從前調(diào)度、從失敗處調(diào)度、從成功處調(diào)度）、流水寄存器、3種向量解決方式（橫向、縱向、縱橫）、鏈接技術(shù)。簡答題流水技術(shù)有哪些特點(diǎn)？（答岀4個即可）（知識點(diǎn)：流水線）答：1?將解決過程分解為若干子過程，由專門功能部件來實(shí)現(xiàn)，2各段時(shí)間盡量相等，3各部件間均有一種緩沖寄存器，4介用于大疑重復(fù)時(shí)序過程，5需要通過時(shí)間和排空時(shí)間。什么是靜態(tài)流水線？什么是動態(tài)流水線？（知識點(diǎn)：靜態(tài)流水線、動態(tài)流水線）答：同一時(shí)間段內(nèi)，多功能流水線中各段只能按同一種功能連接方式工作；同一時(shí)間段內(nèi)，多功能流水線中各段可以按照不同方式連接同步執(zhí)行各種功能。什么是單功能流水線？什么是多功能流水線？（知識點(diǎn)：單功能流水線、多功能流水線）答：只能完畢一種固定功能流水線。流水線各段可以進(jìn)行不同連接，以實(shí)現(xiàn)不同功能。什么是線性流水線？什么是非線性流水線？（知識點(diǎn)：線性流水線、非線性流水線）答：流水線各段串行連接，沒有反饋回路。流水線中除了有串行連接外，尚有反饋回路。列舉3種有關(guān)。（知識點(diǎn)：有關(guān)）答：數(shù)據(jù)有關(guān)，劃有關(guān)，控制有關(guān)。流水線中有哪三種沖突？各是什么因素導(dǎo)致？（知識點(diǎn)：流水線沖突）答：構(gòu)造沖突，硬件資源滿足不了指令重疊執(zhí)行規(guī)定：數(shù)據(jù)沖突，指令在流水線中重疊執(zhí)行時(shí)需要用到前而指令執(zhí)行成果；控制沖突，流水線遇到分支指令和其她會變化PC值指令。選取至少2種解決流水線構(gòu)造沖突辦法簡述。（知識點(diǎn)：構(gòu)造沖突）答：流水線停頓一種時(shí)鐘周期，推遲背而指令操作。設(shè)立互相獨(dú)立指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。&選取至少2種解決流水線數(shù)據(jù)沖突辦法簡述。（知識點(diǎn)：數(shù)據(jù)沖突）答：泄向技術(shù)，將計(jì)算成果從英產(chǎn)生地方直接送到北她指令需要地方。通過編譯時(shí)讓編譯器重新組織指令順序來消除沖突。選取至少2種解決流水線控制沖突靜態(tài)辦法簡述。（知識點(diǎn)：控制沖突）答：預(yù)測分支失敗，預(yù)測分支成功，延遲分支。簡述流水寄存器作用。（知識點(diǎn)：流水寄存器）答：將各段工作隔開使得互相不會干擾，保存相應(yīng)各段解決成果，向后傳到背而將要用到數(shù)據(jù)或者控制信息。簡述分支延遲槽重要思想。（知識點(diǎn)：延遲分支）答：編譯器每當(dāng)遇到分支指令，就在英后持續(xù)生成k個空指令位，稱為延遲槽，并依照不同調(diào)度規(guī)則將原始代碼中分支指令附近指令放進(jìn)延遲槽中，如果延遲槽沒有填滿，剩余某些用nop指令填充，即氣泡。延遲槽中指令同分支指令都看做普通指令順序流水，無論分支指令成功與否，都先按順序執(zhí)行延遲槽中指令。延遲槽中指令“掩蓋“了流水線本來必要插入暫停周期，減少了分支指令帶來延遲。簡述分支延遲槽三種調(diào)度方略。（知識點(diǎn)：延遲分支）答：從前調(diào)度：從分支指令之前找一條獨(dú)立指令移動到延遲槽中。從目的處調(diào)度：把分支成功目的地址指令復(fù)制到延遲槽中，并把分支目的地址改成分支后繼地址。永遠(yuǎn)猜測分支是成功，如果猜錯，則丟棄延遲槽中指令成果。從失敗處調(diào)度：把分支失敗目的地址指令移動到延遲槽中。永遠(yuǎn)猜測分支是失敗。如果猜錯，則丟棄延遲槽中指令成果。選取題關(guān)于流水線下列說法，錯誤是：（C）（知識點(diǎn)：流水線）流水線可以提高吞吐率：流水線提髙了器件運(yùn)用率：流水線提髙了單個任務(wù)解決速度；消除流水線瓶頸辦法有“瓶頸段細(xì)分辦法”和“瓶頸段重復(fù)設(shè)立辦法“。寄存器換名技術(shù)可以減少如下有關(guān)帶來暫停：（A）（知識點(diǎn)：換爼技術(shù)）讀后寫有關(guān)：構(gòu)造有關(guān)；寫后讀有關(guān)；控制有關(guān)。假設(shè)對于MIPS流水線，由取指令（IF）、指令譯碼讀寄存器（ID）、執(zhí)行（EX）、存儲器訪問（MEM）、寫寄存器（WB）五段構(gòu)成。在一種時(shí)鐘周期中對同一種寄存器讀操作和寫操作可以通過寄存器文獻(xiàn)“左向“，有正常左向途徑。轉(zhuǎn)移指令在EX段汁算目的地址，在MEM段檢測分支條件。指令SUBR4,R3,R2和BNEZR4,LOOP之間應(yīng)暫停周期數(shù)為：（B ）（知識點(diǎn)：數(shù)據(jù)沖突）TOC\o"1-5"\h\z3：2；1；0。流水方式是指（D）。（知識點(diǎn)：流水線）多部件同步執(zhí)行一條指令 B.多部件同步取出多條指令C.多部件同步解釋一條指令 D.多部件同步解釋多條指令評價(jià)流水線性能指標(biāo)是（D）。（知識點(diǎn)：流水線性能評價(jià)）吞吐率、流水線加速比和執(zhí)行程序所需要時(shí)鐘周期數(shù)吞吐率、流水線加速比和所執(zhí)行指令條數(shù)吞吐率、流水線加速比和CPI吞吐率、流水線加速比和效率在順序流動MIPS流水線中，也許發(fā)生沖突有（B）。（知識點(diǎn)：數(shù)據(jù)沖突）同一條指令讀操作和寫操作之間寫后讀沖突先流入指令寫操作與后流入指令讀操作之間寫后讀沖突后流入指令寫操作與先流入指令讀操作之間讀后寫沖突兩條指令寫操作之間寫后寫沖突在具備加、乘法雙功能靜態(tài)流水線中，功能切換時(shí)間是在（D）。（知識點(diǎn)：多功能流水線、靜態(tài)流水線）前一種功能第一種任務(wù)進(jìn)入流水線后前一種功能第一種任務(wù)流出流水線后前一種功能最后一種任務(wù)進(jìn)入流水線后前一種功能最后一種任務(wù)流出流水線后非線性流水線特性是（B）。（知識點(diǎn)：非線性流水線）一次運(yùn)算中使用流水線中各種段一次運(yùn)算中要多次使用流水線中某些功能段

流水線各個功能段在不同運(yùn)算中可以有不同連接流水線中某些功能段在各次運(yùn)算中作用不同如下哪種辦法不能用于解決數(shù)據(jù)沖突（A）。（知識點(diǎn)：數(shù)據(jù)沖突）鏈接技術(shù)泄向技術(shù)流水線互鎖機(jī)制編譯器指令調(diào)度如下哪種有關(guān)不會導(dǎo)致數(shù)據(jù)沖突（D）。（知識點(diǎn)：數(shù)據(jù)有關(guān)、名有關(guān)、數(shù)據(jù)沖突）數(shù)據(jù)有關(guān)反有關(guān)輸出有關(guān)讀后讀有關(guān)與線性流水線最大吞吐率關(guān)于是（C）第一種功能段執(zhí)行時(shí)間最快那一段執(zhí)行時(shí)間最慢那一段執(zhí)行時(shí)間最后功能段執(zhí)行時(shí)間填空題）有關(guān)），其中數(shù)）有關(guān)），其中數(shù)數(shù)據(jù)沖突）據(jù)沖突又分為如下3類：（寫后讀沖突）、＜讀后寫沖突）和（寫后寫沖突）。（知識點(diǎn):）和（效率）。N據(jù)沖突又分為如下3類：（寫后讀沖突）、＜讀后寫沖突）和（寫后寫沖突）。（知識點(diǎn):）和（效率）。N段不等長流水衡量流水線重要性能指標(biāo)是（吞吐率）、（加速比線中，其成果輸出速度取決于解決時(shí)間（最長）子過程。（知識點(diǎn)：流水線性能評價(jià)）消除流水線瓶頸段辦法有（細(xì)分瓶頸段 ）和（重復(fù)設(shè)立瓶頸段 ）2種。（知識點(diǎn)：解決流水線瓶頸問題辦法）三種通過軟件（編譯器）來減少分支延遲辦法為（預(yù)測分支失?。?、（預(yù)測分支成功 ）、（延遲分支 ）。（知識點(diǎn)：控制沖突）計(jì)算題有一種動態(tài)多功能流水線，該流水線可進(jìn)行乘法和加法運(yùn)算，流水線有Si、S2、S3、S’S5、Sc六段，每段是等時(shí)，S|、S’S5、S6連接時(shí)完畢加法功能，S|、S2、S3、S6連接時(shí)完畢乘法功能。試畫出計(jì)算M尸（Xi+Yi）乙（i=l,2,3,4）時(shí)空圖，并計(jì)算實(shí)際吞吐率TP、加速比SP和效率E。（知識點(diǎn)：動態(tài)流水線、多功能流水線、流水線性能評價(jià)）答：擬左算法：A^Xi+Yi(i=l,2,3,4)MFAixZi(i=h2,3,4)時(shí)空圖如下：/Xp-PArA3QMip隔*3Midp 工S5ppAba2-A4中appp 工如PA訐A2Qpqpppp pP-PpppM2^M3*3隔心p p滋P-PppMl*3M2*3Ms*3pp pS1PA1PA4&M4Qpp?11A /p輸入：X1X2X3X4A1A2A3A4Y1Y2Y3Y4Z1Z2Z3Z4輸出：AiAzA3A4MiM2M3M4實(shí)際吞吐率：TP=n/Tk=8/11At加速比：SP=Ts/Tk=4x(4+4)At/llAt=32/11效率：E=4x8At/6xllAt=16/33

有如下指令序列11:h：LWR1,0(R6)LWR2,4(R6)h：14：MULR5,Rl,R2LWR3,8(R6)15：LWR4,24(R6)【6：ADDR2,R3,R4I?：ADDR2,R2,R5如何進(jìn)行指令調(diào)度使其執(zhí)行延遲時(shí)間最短？進(jìn)行指令調(diào)度所獲得加速比是多少？（注：基于DLX指令解決,每條指令分為5步：IF,ID,EX,MEM,WB,在一種時(shí)鐘周期中對同一種寄存器讀操作和寫操作可以通過寄存器文獻(xiàn)"左向二并且有正常泄向途徑）。（知識點(diǎn)：左向技術(shù)、指令調(diào)度、數(shù)據(jù)沖突）答：答案圖有問題，成果沒問題調(diào)及何1.、 2.1 3.1 4., 5., 6、 7、 8、 9. 10.、 1L., 12.、 13.,L、LWRlfi(Pj6).IF,ID、MEMWB.、?、?、?、?、?、?、?、I"LWR2,4(R6)、?1IF.in).iEKiMEMiWB、?1?1?1?1?1.1?1.1IMULRSR1R2、?、?、IF.,嘰3、EJC,MEMWB.,?、?、?1?、八—LWR3另(R?5)、?、?、?、IF、5U11.、ED、EX,MEM-、WB、?、?、?、?、I：.、LWR424(R6)?、?、?、?、IF,ID、EK,MEMWB、?、?、?、.11ADDR2J^3^4,?、?、?、.1?、IF、ED、EXnMEMWBi?、?1I-ADDR2?R2JE^,?、?、?、八?、?、IF、ID、EX,MEM，WB、.1調(diào)度后3 223394P5Q697p8P2 12 12aLWRl,0(R6艸IF<-IBEX^MEvI<-WBQ石壯石4zLWR2/KR6WIDISEXpMEM<WBapppPpPI廣LWR3,8(R6)apIFPIDQEXPMSvI<WBQppPppI*LWR4,24(R6)<pp12IDpEXQMEM<WBQpPppzMULR5,R1,R2Q9P9IF。IDQEXPMEM，WBQP1/ADDR2,R3,R3pPppIFQIDpEXPMEM<WBQpPIrADDR2,R2,R5ppppppIFPIDQEXPMEIvI<WB<p調(diào)度后指令序列為II，bh,15，Is，16,b加速比：SP=13At/llAt=13/ll如果只有寄存器宦向文獻(xiàn)左向，那么答案應(yīng)當(dāng)是：調(diào)度前17At,調(diào)度后是144。該題目是既有正常定向途徑，又有寄存器文獻(xiàn)怎向途徑。若一種動態(tài)浮點(diǎn)乘法流水線（如下圖所示），每個功能段時(shí)間均為N,其乘積可直接返回輸入端或暫存于相應(yīng)緩存器中。請畫岀實(shí)現(xiàn)AxBxCxD時(shí)空圖，并求出該流水線吞吐率TP、加速比SP和效率E。（知識點(diǎn)：動態(tài)流水線、流水線性能評價(jià)）輸入~階加一?尾數(shù)乘答：擬左算法：第一步計(jì)算AxB,CxD,設(shè)M=AxB,N=CxD第二步計(jì)算AxBxCxD,即G=MxN時(shí)空圖：空間規(guī)格化MNG尾數(shù)乘MNG階乘MNG輸入A.BUDM.N時(shí)間輸出MNG吞吐率TP.加速比SP和效率ETP=n/Tk=3/7At^0.43/AtSP=9/7M?29E=(3x3At)/(3x7At)M2.9%假設(shè)一條指令取指過程分為：取指令、分析和執(zhí)行3段，每一段時(shí)間分別為2At.3At.在下列各種狀況下.分別訃算持續(xù)執(zhí)行n條指令所需時(shí)間。（1） 順序執(zhí)行方式：（2） 取指令、分析和執(zhí)行重疊。（知識點(diǎn)：流水線，流水線性能評價(jià)）答:（1）順序執(zhí)行方式執(zhí)行n條指令時(shí)間：Ts=舁?工△人=nx(△『+2Ar+3Ar)=6nAtr-l取指令.分析和執(zhí)行重疊執(zhí)行n條指令時(shí)間：3Ts=工V+(/?-1)max(A/,2A/,3Ar)/=1=6△/+(n一1)3△/=3“△/+3Ar5?帶雙輸入端加、乘雙功能靜態(tài)流水線有1、2.3.4四個功能部件，延時(shí)分別為At,2山，At,“加"由1-2-4構(gòu)成，“乘'由1-3-4構(gòu)成，輸出可直接返回輸入或鎖存，現(xiàn)執(zhí)行ZL[（g+Z?,）?g]/-I（1） 畫出此流水線時(shí)空圖，標(biāo)出流水線輸入端數(shù)據(jù)變化狀況。（2） 計(jì)算運(yùn)算全shi部完畢所需時(shí)間及在此期間流水線效率。（3） 將瓶頸子部件再細(xì)分，畫出解此題時(shí)空圖。（4） 求出按（3）解此題所需時(shí)間及在此期間流水線效率。（知識點(diǎn)：多功能流水線、靜態(tài)流水線、流水線性能評價(jià)）答：（1）流水線時(shí)空圖如下圖:554-554-（2）所有完時(shí)間是23囚L效率373 _37效率373 _374x23Ar=92（3）流水線時(shí)空圖如下所示。（4）所需時(shí)間為2回U效率~Z~_37〃=5x204=頑有一條靜態(tài)多功能流水線由5段構(gòu)成，加法用1、3、4、5段，乘法用1、2、5段，第3段時(shí)間為2小,別的各段時(shí)間均〉并理流水線輸岀可以直接返回輸入端或暫存于相應(yīng)流水寄存器中?，F(xiàn)要在該流水r-l線上計(jì)算 ，畫出其時(shí)空圖，并計(jì)算其吞吐率.加速比和效率。（知識點(diǎn)：多功能流水線、靜態(tài)流水線、流水線性能評價(jià)）答：一方而，應(yīng)選取適合于流水線工作算法。對于本題，應(yīng)先計(jì)算Ai+BhA2+B2.A3+B3和A4+B4：再II?算（Al+Bl）X（A2+B2）和（A3+B3）X（Aq+B4）：然后求總成果。另一方而，畫出完畢該計(jì)算時(shí)空圖，如圖所示，圖中陰影某些表達(dá)該段在工作。另一方而，畫出完畢該計(jì)算時(shí)空圖，如圖所示，圖中陰影某些表達(dá)該段在工作。由圖可見，它在18個M時(shí)間中，給出了7個成果。因此吞吐率為:184如果不用流水線，由于一次求積需3小，一次求和需5At,則產(chǎn)生上述7個成果共需（4x5+3x3）At=29小。因此加速比為:29A/18429A/184該流水線效率可由陰影區(qū)而積和5個段總時(shí)空區(qū)面積比值求得:=0.322廠=0.322E= 5x18一多功能8段動態(tài)流水線，實(shí)現(xiàn)乘法通過：1?2?34?5?6?7?8功能段：實(shí)現(xiàn)加法通過1?2?3?4?5?8?每一功能段延遲時(shí)間都為d,流水線輸出可以直接返回輸入端或暫存于相應(yīng)流水寄存器中，計(jì)算向量點(diǎn)積和:Z=AB+CD+EF+GHo（1） 畫出時(shí)空圖；（2） 計(jì)算吞吐率、加速比和效率；（3） 分析該流水線效率不高因素。（知識點(diǎn)：多功能流水線、動態(tài)流水線、流水線性能評價(jià)）答：(1)時(shí)空圖:從流水線時(shí)空圖中看到，用23個時(shí)鐘周期完畢了7個運(yùn)算。當(dāng)每一功能段延遲時(shí)間都為M時(shí),有Tk=23At,n=7o流水線吞吐率TP為：TP=nTk=7/(23At)-0.304/At如果采用順序方式，完畢一次加法要用6At,完畢一次乘法要用8At,所有運(yùn)算要用：T0=4x6At+3x8At=48At則加速比：S=T0/Tk=48AV(23At)=2.087整個流水線共有8段，流水線效率為：E=T0