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首页计算机体系结构第2版第三章课后习题答案
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第三章 流水线技术
3.1 名词解释
1. 流水线——将一个重复的时序过程,分解为若干个子过程,而每一个子过程都可有效地
在其专用功能段上与其他子过程同时执行。
2. 单功能流水线——只能完成一种固定功能的流水线。
3. 多功能流水线——流水线的各段可以进行不同的连接,从而使流水线在不同的时间,或
者在同一时间完成不同的功能。
4. 静态流水线——同一时间内,流水线的各段只能按同一种功能的连接方式工作。
5. 动态流水线——同一时间内,当某些段正在实现某种运算时,另一些段却在实现另一种
运算。
6. 部件级流水线——(运算操作流水线)把处理机的算术逻辑部件分段,以便为各种数据
类型进行流水操作。
7. 处理机级流水线——(指令流水线)把解释指令的过程按照流水方式处理。
8. 处理机间流水线——(宏流水线)由两个以上的处理机串行地对同一数据流进行处理,
每一个处理机完成一项任务。
9. 线性流水线——指流水线的各段串行连接,没有反馈回路。
10. 非线性流水线——指流水线中除有串行连接的通路外,还有反馈回路。
11. 标量流水处理机——处理机不具有向量数据表示,仅对标量数据进行流水处理。
12. 向量流水处理机——处理机具有向量数据表示,并通过向量指令对向量的各元素进行处
理。
13. 结构相关——某些指令组合在流水线中重叠执行时,发生资源冲突,则称该流水线有结
构相关。
14. 数据相关——当指令在流水线中重叠执行时,流水线有可能改变指令读 /写操作的顺序,
使得读/写操作顺序不同于它们非流水实现时的顺序,将导致数据相关。
15. 定向——将计算结果从其产生的地方直接送到其他指令需要它的地方,或所有需要它的
功能单元,避免暂停。
16. RAW——两条指令 i,j,i 在 j 前进入流水线,j 执行要用到 i 的结果,但当其在流水线
中重叠执行时,j 可能在 i 写入其结果之前就先行对保存该结果的寄存器进行读操作,得
到错误值。
17. WAW——两条指令 i,j,i 在 j 前进入流水线,j、i 的操作数一样,在流水线中重叠执
行时,j 可能在 i 写入其结果之前就先行对保存该结果的寄存器进行写操作,导致写错误。
18. WAR——两条指令 i,j,i 在 j 前进入流水线,j 可能在 i 读某个寄存器之前对该寄存器
进行写操作,导致 i 读出数据错误。
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3.2 简述流水线技术的特点。
(1) 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” ;
(2) 每个子过程由专用的功能段实现;
(3) 各个功能段所需时间应尽量相等,否则,时间长的功能段将成为流水线的瓶颈 ,
会造成流水线的“堵塞”和“断流”;
(4) 流水线需要有“通过时间”(第一个任务流出结果所需的时间),在此之后流水过程
才进入稳定工作状态,每一个时钟周期(拍)流出一个结果;
(5) 流水技术适合于大量重复的时序过程,只有在输入端能连续地提供任务,流水
线的效率才能充分发挥。
3.3 请画出 DLX 基本流水线,并简述其工作原理。
工作原理:把一条 DLX 指令在 5 个周期内实现,将每一个时钟周期看作是流水线的一
个时钟周期,硬件每个时钟周期启动一条新的指令,并执行 5 条不同指令中的某一部分。每
条指令虽仍需 5 个时钟周期完成,但提高了吞吐率,实现了流水。
指令/时钟
1 2 3 4 5 6 7 8 9
I IF ID EX MEM WB
I+1 IF ID EX MEM WB
I+2 IF ID EX MEM WB
I+3 IF ID EX MEM WB
I+4 IF ID EX MEM WB
3.5 解决流水线结构相关的方法有哪些?
(1) 流水化功能单元
(2) 资源重复
(3) 暂停流水线
3.6 降低流水线分支损失的方法有哪些?
(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”或“排空”流水线的方法
预测分支失败
预测分支成功
延迟分支
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3.7 请对延迟分支办法中的三种调度策略进行评价。
1.从前调动:分支必须不依赖于被调度的指令,总是可以有效提高流水线性能。
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 ,
可能需要复制被调度指令。分支转移成功时,可提高流水线性能。但由于复制指令 ,
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。
3.8 简述三种向量处理方法,它们对向量处理机的结构要求有什么不同?
1.水平处理方式:若向量长度为 N,则水平处理方式相当于执行 N 次循环。若使用流
水线,在每次循环中可能出现数据相关和功能转换,不适合对向量进行流水处理。
2.垂直处理方式:将整个向量按相同的运算处理完毕之后,再去执行其他运算。适合
对向量进行流水处理,向量运算指令的源/目向量都放在存储器内,使得流水线运算
部件的输入、输出端直接与存储器相联,构成 M-M 型的运算流水线。
3.分组处理方式:把长度为 N 的向量分为若干组,每组长度为 n,组内按纵向方式处
理,依次处理各组,组数为 ,适合流水处理。可设长度为 n 的向量寄存器,
使每组向量运算的源/目向量都在向量寄存器中,流水线的运算部件输入、输出端与
向量寄存器相联,构成 R-R 型运算流水线。
3.9 有一条流水线如下所示。
1 2 3 4
50ns
50ns
100ns
200ns
入 出
(1) 求连续输入 10 条指令,该流水线的实际吞吐率和效率;
(2) 该流水线的瓶颈在哪一段?请采取三种不同的措施消除此“瓶颈”。对于你所给
出的新流水线,计算连续输入 10 条指令时,其实际吞吐率和效率。
解:(1)
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