N = (５＊t）/（4、１＊t) = １、２2倍 则多周期处理器就是单周期得1、22倍。

第七章 流水线技术 习 题 七

1、 解释下列名词

流水线技术：计算机中得流水线技术就是把一个复杂得任务分解为若干个子过程,每个子过程与其它子过程并行运行。由于其运行方式与工业领域中得流水线处理技术十分类似,因此被称为流水线技术。

通过时间:通过时间就是指第一条指令从输入流水线到输出流水线所经过得时间 排空时间:排空时间就是指最后一条指令流出流水线所花费得时间.

部件级流水线：部件级流水线又称运算操作流水线,它就是把复杂得算术运算操作按照流水得方式执行,如浮点加法运算可被分为求阶差、对阶、尾数加与规格化4个子过程。 指令级流水线:它就是把指令得执行过程按照流水得方式进行处理，即把一条指令得执行过程分解为若干个子过程，每个子过程在独立得功能部件中执行。

静态流水线:就是指在同一时间内,多功能流水线得各段之间只能按照一种固定得方式连接，当流水线要切换到另外一种功能得时候，必须等到执行前一种功能得任务全部流出流水线后，才能改变其连接方式。

动态流水线:就是指在同一时间内,多功能流水线中得各段可以按照不同得方式进行连接,同时执行多种不同得功能，前提就是多功能流水线中得任何一个功能段在同一时间仅能连接到执行一种功能得流水线中。

多功能流水线:就是指流水线得各段在不同得时间或同一时间里按照不同得连接方式可以实现两种或两种以上得不同得功能.

顺序流水线：就是指任务输入到流水线得顺序与从流水线中输出得顺序完全一致。 乱序流水线：就是指任务输入到流水线得顺序与从流水线中输出得顺序可以不同,允许后流入到流水线得任务先从流水线中输出。

流水线加速比:流水线得加速比就是不使用流水线技术执行任务所用得时间与使用流水线技术执行相同任务所用得时间之比。

流水线吞吐率:吞吐率就是指单位时间内流水线所完成得任务数或输出结果得数量。 流水线吞吐率效率：就是指流水线各段设备得利用率,即流水线中设备得实际使用时间与整个系统运行时间得比值。由于流水线有通过时间与排空时间，因此各功能段得设备不可能一直处于满负荷工作状态，总有一段空闲时间。

数据冲突:后续指令要用到前面指令得操作结果，而这个结果尚未产生或尚未送到指定得位置,从而造成后序指令无法继续执行得状况,称为数据冲突或数据相关.

结构冲突:由于多条指令在同一时钟周期都需使用同一操作部件而引起得冲突被称为结构冲突。

控制相关:当流水线遇到分支指令或其它会改变PC值得指令时，由于分支指令跳转就是否成功或改变后得PC值要等到存储器访问/分支完成（MＥM)段才能确定或计算出来,导致在指令

执行阶段,无法确定应该去执行哪一段程序所造成得相关被称之为控制相关.

写后读冲突:如果第j条指令得源操作数就是第i条指令得结果操作数,这种数据冲突被称之为先写后读冲突(RAW).

先读后写冲突:如果第ｊ条指令得结果操作数就是第i条指令得源操作数，这种数据冲突被称之为先读后写冲突(WAＲ)。

写后写冲突:如果第j条指令与第i条指令得结果操作数就是相同得,这种数据冲突被称之为写后写冲突（ＷAW)。

超标量技术：超标量技术就是指在CPＵ内部包含两条或两条以上得可并行执行得指令流水线，使得在一个时钟节拍内能同时执行多条指令。通过采用空间上得并行性，来提高系统得处理速度。

超流水线技术：在标准流水线中，将指令得执行过程分为取指、译码、执行、写回4个子过程,如果将这些子过程进一步细划分出更多得子过程，更大程度上提高任务处理过程中时间上得并行性得处理技术称为超流水线技术。

超长指令字技术：把多条无相关关系得常规指令储存在一个超长得指令字中，让它们同时被处理，分别控制多个功能部件并行工作得技术称为超长指令字技术。这种技术得实质,就是把超标量技术中得相关性识别任务,由CPU硬件转移给程序员或编译程序去实现。 气泡：为了消除相关，插入得等待周期。 2、简述流水线得特点、 流水线具有如下特点:

（1) 流水线把一条指令得执行划分成若干个子过程,每个子过程由一个独立得专用功能部件来执行，依靠执行不同功能得功能部件并行工作来提高系统得吞吐率与处理速度。 (２） 流水线并不能改变单条指令得执行时间,但提高了系统整体吞吐率。因此只有大量连续得任务不断输入到流水线中，保证在流水线得输出端有任务不断得从流水线中输出,才能充分发挥流水线得性能；

(3) 流水线需要有通过时间与排空时间.通过时间就是指第一条指令从输入流水线到输出流水线所经过得时间，排空时间就是指最后一条指令流出流水线所花费得时间. ３、在流水线方式就是缩短了指令得执行时间还就是程序得执行时间?

缩短了程序得执行时间，指令得执行时间并不会缩短，相反由于寄存器存取等额外开销还会增加。

4、简述流水线得分类、

流水线可以从不同得角度,按照不同得观点进行多种不同得分类。 (1)线性流水线与非线性流水线

根据流水线得结构，按照流水线中就是否有反馈回路进行分类.线性流水线就是将流水线得各个段逐个串接起来,每个功能段有且只有一个输入与一个输出,没有反馈回路。非线性流水线就是指流水线中除了有串行连接外,还有反馈回路，允许流水线得某些功能段通过反馈回路在一个任务得执行过程中被使用多次。 （２）单功能流水线与多功能流水线

按流水线得功能划分，可把流水线分为单功能流水线与多功能流水线。单功能流水线就是指流水线各段之间得连接就是固定得,只能完成某种固定得功能，如Crａy—1巨型机有12条单功能流水线；多功能流水线就是指流水线得各段在不同得时间或同一时间里按照不同得连接方

式可以实现两种或两种以上得不同得功能。 （3)静态流水线与动态流水线

按照工作方式划分，可把多功能流水线分为静态流水线与动态流水线。静态流水线就是指在同一时间内，多功能流水线得各段之间只能按照一种固定得方式连接，当流水线要切换到另外一种功能得时候，必须等到执行前一种功能得任务全部流出流水线后,才能改变其连接方式.

（4）顺序流水线与乱序流水线

按照流水线中任务输入与输出得顺序就是否相同，可把流水线分为顺序流水线与乱序流水线。顺序流水线就是指任务输入到流水线得顺序与从流水线中输出得顺序完全一致;乱序流水线就是指任务输入到流水线得顺序与从流水线中输出得顺序可以不同，允许后流入到流水线得任务先从流水线中输出。

5、某动态多功能流水线有6个功能段，其中1，2，３，6为乘法功能所用,1,4,5,6为加法功能所用,在该流水线上计算 （１)画出描述算法得任务分布图； (2)画出任务执行得时空图; （３)计算吞吐率、加速比、效率。 解:（1):

A1*B1 （２) 1 S6 S5 S4 S3 S2 空间 A2*B2 A3*B3 24A4*B4 A5*B5 3A6*B6 A7*B7 51 2 3 4 5 6 7 1+ 2+ 3+ 4+ 5+ 6+ 6 1 2 3 4 5 6 7 7 1 2 3 4 5 6 … 6+ 1+ 2+ 4+ 5+ 3+ 1+ 2+ 3+ 4+ 5+ 6+ S1 6+ 7 1+ 2+ 1 2 3 4 5 6 3+ 4+ 5+ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 1+ 2+ 3+ 4+ 5+ 6+ A2B2 A4B4 A6B6 A1B1 A3B3 A5B5 A7B7 时间 （3） 完成13条指令,共花费了27⊿ｔ得时间，故吞吐率为:

如果不采用流水线技术，每条指令执行时间为4⊿t,则完成1３条指令所需要得总时间为13×4⊿ｔ＝52⊿t,故加速比为：

而流水线得效率为：

6。有一条5段(S1-S5)组成得数据处理流水线如图7、２２所示：其中，S1、S2、S３与Ｓ４得

执行时间为△t，Ｓ5得执行时间为3△t

输入 S1 S2 S3 S4 S5 输出

图7、22 某5段数据处理流水线结构 （1）画出连续处理5个数据得处理过程得时空图,并求出流水线得实际吞吐率与效率。 (2）采用瓶颈段细分方法对瓶颈段Ｓ5进行改造，画出改造后得流水线与连续处理5个数据得时空图,并求出流水线得实际吞吐率与效率。

解:（1） S5

S4 S3 1 1 空间 1 2 2 2 3 3 3 4 4 5 5 5 5 5 S2 1 S1 1 4 2 3 4 2 3 4 时间 (b） 时空图 完成5条指令，花了1９⊿t得时间,吞吐率为

而流水线得效率为:

（2）细分瓶颈段

由于瓶颈段得执行时间就是其余各段得执行时间得3倍,将瓶颈段s3细分为3个子流水线功能段S５ａ、S5b、S5c,这样每个功能段或子功能段得执行时间均为⊿t,流水线转换为各段执行时间均相等得流水线，

S5c S5b S5a S4 S3 S2 空间 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 时间 S1 1 2 3 4 5 完成５条指令,花了11⊿t得时间,吞吐率为

而流水线得效率为：

7、某非线性流水线由四段组成,其中每当流经第3段时,总要在该段循环一次,然后才能流到第四段。如果每段得时间都就是△ｔ,问：

1）当在该流水线输入端连续地每隔△t时间输入一个任务时，该流水线会发生什么情况？ ２)此流水线得最大吞吐率为多少？如果每隔离2△t输入一个任务,连续处理10个任务时得实际吞吐率与效率就是多少？

3)当每段时间不变时，如何提高该流水线得吞吐率？仍连续处理1０个任务时,其吞吐率提高到多少？

解：(1）会产生错误得输出,流水线不能正常工作。

（2)最大吞吐率为1／2⊿t,如果每隔离2△t输入一个任务，连续处理１0个任务时得实际吞吐率

效率为

（３)每段时间不变时，可重复设置第三段来提高吞吐率,1０个任务，每隔⊿t就可以输

入一个任务，需要10＋４⊿t时间完成，吞吐率提高到：?

第八章 总线系统 习 题 八

8、1 解释下列名词

总线 系统总线 内存总线 I／O总线 三态门 总线事务 总线复用 总线带宽 突发传输 总线连接 总线仲裁 串行传送 并行传送 数据传输模式 总线标准 PCI总线 AGＰ总线 总线事务分离 波特率 桥 全双工 半双工 主设备 从设备 广播与广集 同步通信 异步通信 参考答案：

1、总线:部件之间信息传输得公共通路，通过总线可实现部件之间数据信息与控制信息得传输;

2、系统总线：连接CPU、主存、I／O模块等主要部件之间得信息传输线； 3、内存总线：连接处理器与存储器得总线称为内存总线； 4、I/O总线:主要用于计算机与I/O设备之间得通信连接线； 5、三态门：指输出具有高电平、低电平与高阻状态得逻辑门；

６、总线事务:把总线上一对设备之间得一次信息交换过程称为一个“总线事物\

７、总线复用：线指一组传输线具有多种用途，分时传送不同类型得信息。最常见得就是地址总线与数据总线复用， 即将地址总线与数据总线共用一组物理线路，某一时刻该总线传输地址信号，另一时刻传输数据信号。