指令流水线有取指、译码、执行、访存、写回寄存器堆五个过程段，共有20条指令，假设时钟周期为100ns，画出流水处理的时空图。

以下是20条指令的指令码和对应的操作：

| 操作 | 指令码 |
| :-----: | :----: |
| 加法运算 | 01 |
| 减法运算 | 02 |
| 乘法运算 | 03 |
| 除法运算 | 04 |
| 跳转操作 | 05 |
| 条件跳转 | 06 |
| 比较操作 | 07 |
| 加载数据 | 08 |
| 存储数据 | 09 |
| 移位操作 | 10 |
| 逻辑操作 | 11 |
| 位操作 | 12 |
| 系统调用 | 13 |
| NOP指令 | 14 |
| 停机指令 | 15 |
| 等待指令 | 16 |
| 中断指令 | 17 |
| 陷阱指令 | 18 |
| 重置指令 | 19 |
| 错误指令 | 20 |

下面是流水线处理的时空图，其中每个阶段的执行时间都是100ns：


在该图中，每个阶段用一个矩形表示，矩形的长度为100ns，每个阶段之间用箭头表示数据的传输关系。每个矩形内的数字表示该指令在该阶段的执行时间，例如“01-1”表示加法运算指令在执行阶段需要1个时钟周期的时间。

相关问题

指令流水线有取指（IF）、译码（ID）、执行（EX）、访存（MEM）、写回寄存器堆（WB）五个过程段，共有20条指令连续输入此流水线。 a. 画出流水处理的时空图，假设时钟周期为100ns。 b. 求流水线的时间吞吐率（单位时间里执行完毕的指令数）。 c. 求流水线的加速比。

a. 时空图如下：

时钟周期     1       2       3       4       5       6       7       8       9       10
IF      指令1   指令2   指令3   指令4   指令5   指令6   指令7   指令8   指令9   指令10
ID              指令1   指令2   指令3   指令4   指令5   指令6   指令7   指令8   指令9
EX                      指令1   指令2   指令3   指令4   指令5   指令6   指令7   指令8
MEM                             指令1   指令2   指令3   指令4   指令5   指令6   指令7
WB                                      指令1   指令2   指令3   指令4   指令5   指令6

b. 每个指令需要经过5个阶段才能完成，时钟周期为100ns，所以每条指令需要500ns才能完成。流水线中有20条指令，所以总共需要的时间为20 * 500ns = 10000ns。因此，流水线的时间吞吐率为1 / （10000ns / 20）= 2,000,000指令/秒。

c. 假设没有流水线时，每条指令需要的时间为1000ns。那么，完成20条指令需要的时间为20 * 1000ns = 20000ns。流水线完成这20条指令需要的时间为10000ns。因此，流水线的加速比为20000ns / 10000ns = 2。流水线可以将执行同样数量的指令的时间缩短到原来的一半。

指令流水线时空图怎么画

### 绘制指令流水线的时空图

#### 什么是时空图？

时空图是一种用于可视化表示指令在流水线不同阶段执行情况的方法。它展示了每条指令随时间推进，在各个流水线阶段中的位置变化。

#### 如何构建时空图？

为了创建有效的时空图，需定义好横轴和纵轴：

- **横轴**代表时间步数，通常以时钟周期为单位。
- **纵轴**则对应于不同的流水线阶段名称或编号。

对于一条典型五级RISC-V处理器流水线来说，可以标记如下五个主要阶段：取指（IF）、译码（ID）、执行/访存地址计算（EX）、存储器访问（MEM），以及写回寄存器文件（WB）。当绘制多条指令共存的情况时，还需考虑各指令间可能存在的数据依赖关系及其对流水线的影响[^1]。

#### 实际案例分析

假设有一个简单的三指令序列，并且这三条指令之间不存在任何数据相关性，则其对应的时空图表可能是这样的形式：

| 时间\阶段 | IF | ID | EX | MEM | WB |
|-----------|-------|--------|---------|-----------|-----------|
| T0 | I1 | - | - | - | - |
| T1 | I2 | I1 | - | - | - |
| T2 | I3 | I2 | I1 | - | - |
| T3 | - | I3 | I2 | I1 | - |
| T4 | - | - | I3 | I2 | I1 |

在这个表格里，“I1”， “I2” 和“I3”分别代表着第一条、第二条和第三条正在被执行的指令。“Tn” 表示第 n 个时钟周期。空白单元格意味着该时刻下相应阶段没有活动发生。

如果存在数据依赖——比如 `ADD R1, R2, R3` 后紧跟一个读取 `R1` 值的操作 (`SUB R4, R1, R5`) ——那么第二个操作可能会因为等待第一个完成而被延迟进入某些特定阶段，从而形成所谓的“气泡”。这些气泡会在时空图上表现为非连续性的空隙[^2]。

| 时间\阶段 | IF    | ID     | EX      | MEM       | WB        |
|-----------|-------|--------|---------|-----------|-----------|
| T0        | ADD   | -      | -       | -         | -         |
| T1        | SUB   | ADD    | -       | -         | -         |
| T2        | -     | SUB    | ADD     | -         | -         |
| T3        | -     | -      | STALL   | ADD       | -         | <- 气泡出现
| T4        | -     | -      | SUB     | STALL     | ADD       |

上述例子中，由于 `SUB` 需要使用由 `ADD` 计算得到的结果作为输入参数之一，所以在正常情况下应该等到 `ADD` 完成后再继续前进至下一阶段。因此引入了一个额外的时间片来解决这种依赖问题，即插入了STALL（停滞）状态。

#### 关键因素考量

除了基本的数据流外，还需要注意其他几个方面会对最终形成的时空图造成影响的因素，包括但不限于硬件资源冲突、分支预测错误等情形下的惩罚机制所带来的额外开销等问题[^3]。