第3章流水線(xiàn)技術(shù)

1、第3章 流水線(xiàn)技術(shù)1. 流水技術(shù)有哪些特點(diǎn)？（1）流水過(guò)程由多個(gè)相聯(lián)系的子過(guò)程組成，每個(gè)過(guò)程稱(chēng)為流水線(xiàn)的“級(jí)”或“段”。（2）每個(gè)子過(guò)程由專(zhuān)用的功能段實(shí)現(xiàn)。（3）各個(gè)功能段所需時(shí)間應(yīng)盡量相等。（4）流水線(xiàn)需要有“通過(guò)時(shí)間”，在此之后流水過(guò)程才進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)，每一個(gè)時(shí)鐘周期(拍)流出一個(gè)結(jié)果。（5）流水技術(shù)適合于大量重復(fù)的時(shí)序過(guò)程，只有在輸入端能連續(xù)地提供任務(wù)，流水線(xiàn)的效率才能充分發(fā)揮。2. 按照流水線(xiàn)所完成的功能來(lái)分，流水線(xiàn)可分為哪兩類(lèi)？（1）單功能流水線(xiàn)：只能完成一種固定功能的流水線(xiàn)。（2）多功能流水線(xiàn)：流水線(xiàn)的各段可以進(jìn)行不同的連接，從而使流水線(xiàn)在不同的時(shí)間，或者在同一時(shí)間完成不同的功能

2、。3. 按照同一時(shí)間內(nèi)各段之間的連接方式來(lái)分，流水線(xiàn)可分為哪兩類(lèi)？ （1）靜態(tài)流水線(xiàn)：在同一時(shí)間內(nèi)，流水線(xiàn)的各段只能按同一種功能的連接方式工作。（2）動(dòng)態(tài)流水線(xiàn)：在同一時(shí)間內(nèi)，當(dāng)某些段正在實(shí)現(xiàn)某種運(yùn)算時(shí)，另一些段卻在實(shí)現(xiàn)另一種運(yùn)算。4. 按照流水的級(jí)別來(lái)分，流水線(xiàn)可分為哪三類(lèi)？ （1）部件級(jí)流水線(xiàn)（運(yùn)算操作流水線(xiàn)）：把處理機(jī)的算術(shù)邏輯部件分段，以便為各種數(shù)據(jù)類(lèi)型進(jìn)行流水操作。（2）處理機(jī)級(jí)流水線(xiàn)（指令流水線(xiàn)）：把解釋指令的過(guò)程按照流水方式處理。（3）處理機(jī)間流水線(xiàn)（宏流水線(xiàn)）：由兩個(gè)以上的處理機(jī)串行地對(duì)同一數(shù)據(jù)流進(jìn)行處理，每個(gè)處理機(jī)完成一項(xiàng)任務(wù)。5. 按照數(shù)據(jù)表示來(lái)分，流水線(xiàn)可分為哪兩類(lèi)？ （

3、1）標(biāo)量流水處理機(jī)：處理機(jī)不具有向量數(shù)據(jù)表示，僅對(duì)標(biāo)量數(shù)據(jù)進(jìn)行流水處理。（2）向量流水處理機(jī)：處理機(jī)具有向量數(shù)據(jù)表示，并通過(guò)向量指令對(duì)向量的各元素進(jìn)行處理。6. 按照流水線(xiàn)中是否有反饋回路來(lái)分，流水線(xiàn)可分為哪兩類(lèi)？ （1）線(xiàn)性流水線(xiàn)：流水線(xiàn)的各段串行連接，沒(méi)有反饋回路。（2）非線(xiàn)性流水線(xiàn)：流水線(xiàn)中除有串行連接的通路外，還有反饋回路。7. 在5段流水線(xiàn)中，一條指令的執(zhí)行需要幾個(gè)時(shí)鐘周期？它們分別是什么？一條指令的執(zhí)行需要5個(gè)時(shí)鐘周期。它們分別是：取指令周期（IF）、指令譯碼/讀寄存器周期（ID）、執(zhí)行/有效地址計(jì)算周期（EX）、存儲(chǔ)器/分支完成周期（MEM）、寫(xiě)回周期（WB）。8.流水線(xiàn)寄存器的

4、作用是什么？把數(shù)據(jù)和控制信息從一個(gè)流水段傳送到下一個(gè)流水段。9. 消除流水線(xiàn)的瓶頸段有哪些方法？(1) 細(xì)分瓶頸段；(2) 重復(fù)設(shè)置瓶頸段。10. 評(píng)價(jià)流水線(xiàn)的性能指標(biāo)是什么？(1) 吞吐率：指在單位時(shí)間內(nèi)流水線(xiàn)所完成的任務(wù)數(shù)或輸出結(jié)果的數(shù)量。(2) 流水線(xiàn)的加速比：指m段流水線(xiàn)的速度與等功能的非流水線(xiàn)的速度之比。(3) 效率：指流水線(xiàn)的設(shè)備利用率。11. 什么叫相關(guān)？流水線(xiàn)中有哪幾種相關(guān)？ 相關(guān)是指兩條指令之間存在某種依賴(lài)關(guān)系。確定程序中指令之間存在什么樣的相關(guān)，對(duì)于充分發(fā)揮流水線(xiàn)的效率有重要的意義。相關(guān)有3種類(lèi)型，分別是數(shù)據(jù)相關(guān)（也稱(chēng)真數(shù)據(jù)相關(guān)）、名相關(guān)、控制相關(guān)。12. 什么叫名相關(guān)？名

5、相關(guān)有哪兩種？如果兩條指令使用相同的名，但是它們之間并沒(méi)有數(shù)據(jù)流動(dòng)，則稱(chēng)這兩條指令存在名相關(guān)。指令j與指令i之間的名相關(guān)有以下兩種：（1）反相關(guān)。如果指令j寫(xiě)的名與指令i讀的名相同，則稱(chēng)指令i和j發(fā)生了反相關(guān)。反相關(guān)指令之間的執(zhí)行順序是必須嚴(yán)格遵守的，以保證i讀的值是正確的。（2）輸出相關(guān)。如果指令j和指令i寫(xiě)相同的名，則稱(chēng)指令i和j發(fā)生了輸出相關(guān)。輸出相關(guān)指令的執(zhí)行順序是不能顛倒的，以保證最后的結(jié)果是指令j寫(xiě)進(jìn)去的。13. 流水線(xiàn)沖突有哪幾種？流水線(xiàn)沖突有以下3種類(lèi)型：（1）結(jié)構(gòu)沖突：因硬件資源滿(mǎn)足不了指令重疊執(zhí)行的要求而發(fā)生的沖突。（2）數(shù)據(jù)沖突：當(dāng)指令在流水線(xiàn)中重疊執(zhí)行時(shí)，因需要用到前面

6、指令的執(zhí)行結(jié)果而發(fā)生的沖突。（3）控制沖突：流水線(xiàn)遇到分支指令和其他會(huì)改變PC值的指令所引起的沖突。14. 解決流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)沖突的方法有哪些？（1）流水化功能單元；（2）資源重復(fù)；（3）暫停流水線(xiàn)。15. 為什么流水線(xiàn)設(shè)計(jì)者有時(shí)會(huì)允許結(jié)構(gòu)沖突的存在？主要有兩個(gè)原因：一是為了減少硬件開(kāi)銷(xiāo)，二是為了減少功能單元的延遲。16. 定向技術(shù)的主要思想是什么？在發(fā)生數(shù)據(jù)沖突時(shí)，后面的指令并不是立即就要用到前一條指令的計(jì)算結(jié)果。如果能夠?qū)⒂?jì)算結(jié)果從其產(chǎn)生的地方直接送到需要它的地方，就可以避免暫停。當(dāng)定向硬件檢測(cè)到前面某條指令的結(jié)果寄存器就是當(dāng)前指令的源寄存器時(shí)，控制邏輯會(huì)將前面那條指令的結(jié)果直接從其產(chǎn)生的地方

7、定向到當(dāng)前指令所需的位置。17.流水線(xiàn)中所有數(shù)據(jù)沖突都可以通過(guò)定向技術(shù)消除，而不需要暫停嗎？試舉例說(shuō)明。流水線(xiàn)中有需要暫停的數(shù)據(jù)沖突。例如，在下列指令序列中，需要在LW指令之后插入一個(gè)暫停周期，然后再用定向技術(shù)消除相關(guān)。LDR1，0（R2）DADDR4，R1，R5ANDR6，R1，R7XORR8，R1，R918根據(jù)指令對(duì)寄存器的讀寫(xiě)順序，可將數(shù)據(jù)沖突分為哪三種類(lèi)型？（1）寫(xiě)后讀沖突（2）寫(xiě)后寫(xiě)沖突（3）讀后寫(xiě)沖突19解決流水線(xiàn)數(shù)據(jù)沖突的方法有哪些？（1）定向技術(shù)：在某條指令產(chǎn)生一個(gè)結(jié)果之前，其他指令并不真正需要該計(jì)算結(jié)果，如果將該計(jì)結(jié)果從其產(chǎn)生的地方直接送到其他指令需要它的地方，就可以避免暫停

8、。（2）暫停技術(shù)：設(shè)置一個(gè)“流水線(xiàn)互鎖”的功能部件，一旦流水線(xiàn)互鎖檢測(cè)到數(shù)據(jù)相關(guān)，流水線(xiàn)暫停執(zhí)行發(fā)生數(shù)據(jù)相關(guān)指令后續(xù)的所有指令，直到該數(shù)據(jù)相關(guān)解決為止。（3）采用編譯器調(diào)度。 （4）重新組織代碼順序。20. 減少流水線(xiàn)處理分支指令時(shí)的暫停時(shí)鐘周期數(shù)有哪兩種途徑？(1) 在流水線(xiàn)中盡早判斷出分支轉(zhuǎn)移是否成功。(2) 盡早計(jì)算出分支轉(zhuǎn)移成功時(shí)的PC值（即分支的目標(biāo)地址）。21. 在MIPS基本流水線(xiàn)中可采用哪些靜態(tài)方法降低分支損失？(1) 修改硬件：在ID段增加一個(gè)加法器，將計(jì)算分支目標(biāo)地址的操作移到ID段完成。(2) 預(yù)測(cè)分支失敗的方法。(3) 延遲分支方法。22從編譯技術(shù)的角度，降低流水線(xiàn)分支

9、損失的方法有哪些？ (1) 預(yù)測(cè)分支失敗的方法。 (2) 預(yù)測(cè)分支成功的方法。(3) 延遲分支方法。23. 預(yù)測(cè)分支失敗方法的主要思想是什么？當(dāng)流水線(xiàn)譯碼到一條分支指令時(shí)，流水線(xiàn)繼續(xù)取指令，并允許該分支指令后的指令繼續(xù)在流水線(xiàn)中流動(dòng)。當(dāng)流水線(xiàn)確定分支轉(zhuǎn)移成功與否以及分支的目標(biāo)地址之后，如果分支轉(zhuǎn)移成功，流水線(xiàn)必須將在分支指令之后取出的所有指令轉(zhuǎn)化為空操作，并在分支的目標(biāo)地址處重新取出有效的指令；如果分支轉(zhuǎn)移失敗，那么可以將分支指令看作是一條普通指令，流水線(xiàn)正常流動(dòng)，無(wú)需將在分支指令之后取出的所有指令轉(zhuǎn)化為空操作。24. “延遲分支”方法的主要思想是什么？其主要思想是從邏輯上“延長(zhǎng)”分支指令的執(zhí)

10、行時(shí)間。設(shè)延遲長(zhǎng)度為n的分支指令后面有n個(gè)分支延遲槽，選擇n條有效和有用的指令放入分支延遲槽中，無(wú)論分支成功與否，流水線(xiàn)都會(huì)執(zhí)行這些指令。處于分支延遲槽中的指令“掩蓋”了流水線(xiàn)原來(lái)所必須插入的暫停周期。25為了在分支延遲槽中填入有效指令，一般采用哪三種方法？從前調(diào)度、從目標(biāo)處調(diào)度、從失敗處調(diào)度26. 調(diào)度分支延遲指令的三種常用方法的特點(diǎn)和局限性是什么？調(diào)度策略對(duì)調(diào)度的要求對(duì)流水線(xiàn)性能改善的影響從前調(diào)度分支必須不依賴(lài)于被調(diào)度的指令總是可以有效提高流水線(xiàn)性能從目標(biāo)處調(diào)度如果分支轉(zhuǎn)移失敗，必須保證被調(diào)度的指令對(duì)程序的執(zhí)行沒(méi)有影響，可能需要復(fù)制被調(diào)度指令分支轉(zhuǎn)移成功時(shí)，可以提高流水線(xiàn)性能。但由于復(fù)制指

11、令，可能加大程序空間從失敗處調(diào)度如果分支轉(zhuǎn)移成功，必須保證被調(diào)度的指令對(duì)程序的執(zhí)行沒(méi)有影響分支轉(zhuǎn)移失敗時(shí)，可以提高流水線(xiàn)性能27有哪幾種向量處理方式？它們對(duì)向量處理機(jī)的結(jié)構(gòu)要求有何不同？(1) 水平處理方式：不適合對(duì)向量進(jìn)行流水處理。 (2) 垂直處理方式：適合對(duì)向量進(jìn)行流水處理，向量運(yùn)算指令的源/目向量都放在存儲(chǔ)器內(nèi)，使得流水線(xiàn)運(yùn)算部件的輸入、輸出端直接與存儲(chǔ)器相聯(lián)，構(gòu)成MM型的運(yùn)算流水線(xiàn)。 (3) 分組處理方式：適合流水處理?？稍O(shè)長(zhǎng)度為n的向量寄存器，使每組向量運(yùn)算的源/目向量都在向量寄存器中，流水線(xiàn)的運(yùn)算部件輸入、輸出端與向量寄存器相聯(lián)，構(gòu)成RR型運(yùn)算流水線(xiàn)。28什么是向量鏈接技術(shù)？當(dāng)兩條向量指令出現(xiàn)“寫(xiě)后讀”相關(guān)時(shí)，若它們不存在功能部件沖突和向量寄存器(源或目的)沖突，就有可能把它們所用的功能部件頭尾相接