提升计算机性能：指令流水线与超标量处理器设计

在《计算机组织与结构：性能设计》这门课程的东南大学信息学院期末试卷 16-17-2 中，主要考察了计算机体系结构的基础理论和性能优化策略。试题涵盖了以下几个关键知识点： 1. **指令流水线** (Instruction Pipeline): 指令流水线是处理器提升执行效率的关键技术。通过将指令分解为多个按顺序执行的阶段，如取指、解码、执行等，处理器能够并行处理多个操作，减少等待时间。然而，指令转移（例如分支）和指令间的依赖关系（数据或控制依赖）对流水线设计提出了挑战，需要考虑分支预测和冲突解决策略。 2. **延迟分支 (Delayed Branch)**: 这是一种优化策略，通过推迟分支指令的执行，直到后续指令完成，以避免流水线阻塞。这样可以减少因分支导致的流水线浪费，提高整体效率。 3. **超标量处理器 (Superscalar Processor)**: 在这种处理器架构中，多个独立的指令流水线并行工作，每个流水线可同时处理多个指令，实现了更高层次的并行性。这允许处理器在单个时钟周期内执行更多的操作，提升了系统性能。 4. **控制单元的设计 (Control Unit Design)**: 实现控制单元的一种技术是采用硬件预取（Hardware Prefetching），即在指令真正执行前预测并准备下一条可能需要的数据，从而减少访问内存的时间，进一步提升处理器速度。 5. **并行性和资源调度**: 考虑到处理器中的资源分配，包括寄存器、ALUs（算术逻辑单元）和缓存，如何有效地管理和调度这些资源，以最大化并行任务的处理能力是另一个重要主题。 6. **性能度量和优化**: 测试还包括对处理器性能指标的理解，如时钟速率、指令周期、流水线深度等，以及针对特定应用的性能调优技术。 该试卷要求学生深入理解这些概念，并能运用到实际问题中，体现出对计算机体系结构原理的掌握和应用能力。考生需要熟悉各种处理器架构的工作方式，以及如何通过软件和硬件手段来提升系统的性能和效率。