吉林大学计算机系统结构题库第三章

吉林大学计算机系统结构题库第三章吉林大学计算机系统结构题库第三章11/11吉林大学计算机系统结构题库第三章优选文档第三章流水线技术知识点汇总先行控制、流水线、单功能流水线、多功能流水线、静态流水线、动向流水线、部件级流水线、办理机级流水线、办理机间流水线、线性流水线、非线性流水线、序次流水线、乱序流水线、时空图、流水线性能议论（吞吐率、加速比、效率）、解决流水线瓶颈问题方法、相关（数据相关、名相关、控制相关）、换名技术、流水线矛盾（结构矛盾、数据矛盾、控制矛盾）、流水线互锁体系、定向技术、指令调换、展望分支失败、展望分支成功、延缓分支（从前调换、从失败处调换、从成功处调换）、流水寄存器、3种向量办理方式（横向、纵向、纵横）、链接技术。简答题流水技术有哪些特点？（答出4个即可）（知识点：流水线）答：1.将办理过程分解为若干子过程，由特地的功能部件来实现，2各段的时间尽可能相等，3各部件间都有一个缓冲寄存器，4适用于大量重复的时序过程，5需要经过时间和排空时间。什么是静态流水线？什么是动向流水线？（知识点：静态流水线、动向流水线）答：同一时间段内，多功能流水线中的各段只能按同一种功能的连接方式工作；同一时间段内，多功能流水线中的各段能够依照不相同的方式连接同时执行多种功能。什么是单功能流水线？什么是多功能流水线？（知识点：单功能流水线、多功能流水线）答：只能完成一种固定功能的流水线。流水线的各段能够进行不相同的连接，以实现不相同的功能。什么是线性流水线？什么是非线性流水线？（知识点：线性流水线、非线性流水线）答：流水线的各段串行连接，没有反响回路。流水线中除了有串行的连接外，还有反响回路。列举3种相关。（知识点：相关）答：数据相关，名相关，控制相关。流水线中有哪三种矛盾？各是什么原因造成的？（知识点：流水线矛盾）答：结构矛盾，硬件资源满足不了指令重叠执行的要求；数据矛盾，指令在流水线中重叠执行时需要用到前面指令的执行结果；控制矛盾，流水线遇到分支指令和其他会改变PC值的指令。选择最少2种解决流水线结构矛盾的方法简述。（知识点：结构矛盾）答：流水线逗留一个时钟周期，推迟后边的指令操作。设置相互独立的指令储藏器和数据储藏器。选择最少2种解决流水线数据矛盾的方法简述。（知识点：数据矛盾）答：定向技术，将计算结果从其产生的地方直接送到其他指令需要的地方。经过编译时让编译器重新组织指令序次来除掉矛盾。.优选文档选择最少2种解决流水线控制矛盾的静态方法简述。（知识点：控制矛盾）答：展望分支失败，展望分支成功，延缓分支。简述流水寄存器的作用。（知识点：流水寄存器）答：将各段的工作分开使得相互不会搅乱，保存相应各段的办理结果，向后传到后边将要用到的数据也许控制信息。简述分支延缓槽的主要思想。（知识点：延缓分支）答：编译器每当遇到分支指令，就在以后连续生成k个空指令位，称为延缓槽，并依照不相同的调换规则将原始代码中分支指令周边的指令放进延缓槽中，若是延缓槽没有填满，节余部分用nop指令填充，即气泡。延缓槽中的指令同分支指令都看做一般的指令序次流水，无论分支指令成功与否，都先按序次执行延缓槽中的指令。延缓槽中的指令“掩盖”了流水线原来必定插入的暂停周期，减少了分支指令带来的延缓。12.简述分支延缓槽的三种调换策略。（知识点：延缓分支）答：从前调换：从分支指令从前找一条独立的指令搬动到延缓槽中。从目标处调换：把分支成功的目标地址指令复制到延缓槽中，并把分支目标地址改成分支后继地址。永远猜想分支是成功的，若是猜错，则扔掉延缓槽中指令的结果。从失败处调换：把分支失败的目标地址指令搬动到延缓槽中。永远猜想分支是失败的。若是猜错，则丢弃延缓槽中指令的结果。选择题1．关于流水线的以下说法，错误的选项是：（C）（知识点：流水线）A．流水线能够提高吞吐率；B．流水线提高了器件的利用率；C．流水线提高了单个任务的办理速度；D．除掉流水线瓶颈的方法有“瓶颈段细分方法”和“瓶颈段重复设置方法”。2．寄存器换名技术能够减少以下相关带来的暂停：（A）（知识点：换名技术）A．读后写相关；B．结构相关；C．写后读相关；D．控制相关。3．假设关于MIPS流水线，由取指令（IF）、指令译码读寄存器（ID）、执行（EX）、储藏器接见（MEM）、写寄存器（WB）五段组成。在一个时钟周期中对同一个寄存器的读操作和写操作能够经过寄存器文件“定向”，有正常定向路径。转移指令在EX段计算目标地址，在MEM段检测分支条件。指令SUBR4,R3,R2和BNEZR4,LOOP之间应暂停的周期数为：（B）（知识点：数据矛盾）A．3；B．2；C．1；D．0。.优选文档4．流水方式是指（D）。（知识点：流水线）A．多部件同时执行一条指令B．多部件同时取出多条指令C．多部件同时讲解一条指令D．多部件同时讲解多条指令5．议论流水线的性能指标是（D）。（知识点：流水线性能议论）．吞吐率、流水线的加速比和执行程序所需要的时钟周期数B．吞吐率、流水线的加速比和所执行的指令条数C．吞吐率、流水线的加速比和CPI．吞吐率、流水线的加速比和效率6．在序次流动的MIPS流水线中，可能发生的矛盾有（B）。（知识点：数据矛盾）A．同一条指令的读操作和写操作之间的写后读矛盾B．先流入的指令的写操作与后流入的指令的读操作之间的写后读矛盾C．后流入的指令的写操作与先流入的指令的读操作之间的读后写矛盾D．两条指令的写操作之间的写后写矛盾7．在拥有加、乘法双功能的静态流水线中，功能切换的时间是在（D）。（知识点：多功能流水线、静态流水线）A．前一个功能的第一个任务进入流水线后B．前一个功能的第一个任务流出流水线后C．前一个功能的最后一个任务进入流水线后D．前一个功能的最后一个任务流出流水线后8．非线性流水线的特点是（B）。（知识点：非线性流水线）A．一次运算中使用流水线中的多个段B．一次运算中要多次使用流水线中的某些功能段C．流水线的各个功能段在不相同运算中能够有不相同的连接D．流水线中某些功能段在各次运算中的作用不相同9．以下哪一种方法不能够用于解决数据矛盾（A）。（知识点：数据矛盾）A．链接技术B．定向技术C．流水线互锁体系D．编译器指令调换10．以下哪一种相关不会以致数据矛盾（D）。（知识点：数据相关、名相关、数据矛盾）A．数据相关B．反相关C．输出相关D．读后读相关11．与线性流水线最大吞吐率相关的是（C）A．第一个功能段的执行时间B．最快那一段的执行时间.优选文档C．最慢那一段的执行时间D．最后的功能段的执行时间填空题1.相关有三各种类，即（数据相关），（名相关）和（控制相关）。其中（）相关还包括输出相关和反相关两种。2.流水线中的矛盾主要分为以下3各种类：（结构矛盾）、（数据矛盾）和（控制矛盾），其中数据矛盾又分为以下3类：（写后读矛盾）、（读后写矛盾）和（写后写矛盾）。（知识点：数据冲突）3.衡量流水线的主要性能指标是（吞吐率）、（加速比）和（效率）。N段不等长的流水线中，其结果的输出速度取决于办理时间（最长）的子过程。（知识点：流水线性能议论）4.除掉流水线的瓶颈段的方法有（细分瓶颈段）和（重复设置瓶颈段）2种。（知识点：解决流水线瓶颈问题方法）5.三种经过软件（编译器）来减少分支延缓的方法为（展望分支失败）、（展望分支成功）、（延缓分支）。（知识点：控制矛盾）计算题1．有一个动向多功能流水线，该流水线可进行乘法和加法运算，流水线有S1、S2、S3、S4、S5、S6六段，每段是等时的，S14561236连接时完成乘法功能。试画出计算、S、S、S连接时完成加法功能，S、S、S、SM=（X+Y）Z（i=1，2，3，4）的时空图，并计算实质吞吐率TP、加速比SP和效率E。（知识点：动向iiii流水线、多功能流水线、流水线性能议论）答：确定算法：Ai=Xi＋Yi（i=1，2，3，4）Mi=Ai×Zi（i=1，2，3，4）时空图以下：输入：X1X2X3X4A1A2A3A4Y1Y2Y3Y4Z1Z2Z3Z4输出：A1A2A3A4M1M2M3M4实质吞吐率：TP=n／Tk=8／11Δt加速比：SP=Ts／Tk=4×(4＋4)Δt／11t=32／11效率：E=4×8Δt／6×11t=16／33.优选文档2．有以下的指令序列I1:LWR1,0(R6)I2:LWR2,4(R6)I3:MULR5,R1,R2I4:LWR3,8(R6)I5:LWR4,24(R6)I6:ADDR2,R3,R4I7:ADDR2,R2,R5如何进行指令调换使其执行延缓时间最短？进行指令调换所获得的加速比是多少？（注：基于DLX指令处理，每条指令分为5步：IF，ID，EX，MEM，WB，在一个时钟周期中对同一个寄存器的读操作和写操作能够经过寄存器文件“定向”，而且有正常的定向路径）。（知识点：定向技术、指令调换、数据矛盾）答：答案图有问题，结果没问题调换后的指令序列为I12，I4，I5，I367，I，I，I加速比：SP=13Δt／11t=13／11若是只有寄存器定向文件定向，那么答案应该是：调换前17Δt，调换后是14Δt。该题目是既有正常定向路径，又有寄存器文件定向路径。3．若一个动向浮点乘法流水线（以以下列图所示），每个功能段的时间均为t，其乘积可直接返回输入端或暂存于相应缓存器中。请画出实现ABCD的时空图，并求出该流水线的吞吐率TP、加速比SP和效率E。（知识点：动向流水线、流水线性能议论）.优选文档输入答：拟订算法：第一步计算第二步计算时空图：

阶加尾数乘规格化积B，CD，设M=AB，N=CDABCD，即G=MN空间规格化MNG尾数乘MNG阶乘MNG输入A,BC,DM,N时间输出MNG吞吐率TP、加速比SP和效率ETP=n/TK=3/7t0.43/tSP=9/71.29E=(33t)/(37t)42.9%4．假设一条指令的取指过程分为：取指令、解析和执行3段，每一段的时间分别为t、2t、3t。在以下各种情况下，分别计算连续执行n条指令所需的时间。1）序次执行方式；2）取指令、解析和执行重叠。（知识点：流水线，流水线性能议论）答：（1）序次执行方式执行n条指令的时间：3TSntin(t2t3t)6nti12）取指令、解析和执行重叠执行n条指令的时间：3TSti(n1)max(t,2t,3t)i16t(n1)3t3nt3t5．带双输入端的加、乘双功能静态流水线有1、2、3、4四个功能部件，延时分别为△t，△t，2△t，△t，“加”由1→2→4组成，“乘”由1→3→4组成，输出可直接返回输入或锁存，现执行4(aibi)?cii1.优选文档1）画出此流水线时空图，标出流水线输入端数据变化情况。2）计算运算全shi部完成所需时间及在此时期流水线的效率。3）将瓶颈子部件再细分，画出解此题的时空图。4）求出按(3)解此题所需时间及在此时期流水线的效率。（知识点：多功能流水线、静态流水线、流水线性能议论）答：（1）流水线时空图以以下列图：（2）全部完的时间是23t。效率37t37423t92（3）流水线时空图以下所示。（4）所需时间为20t。效率37t37520t1006．有一条静态多功能流水线由5段组成，加法用1、3、4、5段，乘法用1、2、5段，第3段的时间为2△t，其他各段的时间均为△t，而且流水线的输出能够直接返回输入端或暂存于相应的流水寄存器中。现要在4该流水线上计算(AiBi)，画出其时空图，并计算其吞吐率、加速比和效率。（知识点：多功能流i1水线、静态流水线、流水线性能议论）加法2△t△t△t12345△t△t乘法.优选文档答：第一，应选择适合于流水线工作的算法。关于此题，应先计算A1＋B1、A2＋B2、A3＋B3和A4＋B4；再计算(A1＋B1)×(A2＋B2)和(A3＋B3)×(A4＋B4)；尔后求总的结果。其次，画出完成该计算的时空图，以下列图，图中阴影部分表示该段在工作。段ABCDA×BC×DA×B×C×D5A=A1＋B14B=A2＋B23C=A3＋B3D=A4＋B421输0123456789101112131415161718时间A1A2A3AACA×B入4B1B2B3B4BDC×D由图可见，它在18个△t时间中，给出了7个结果。所以吞吐率为：TP718t若是不用流水线，由于一次求积需3△t，一次求和需5△t，则产生上述7个结果共需（4×5+3×3）△t=29△t。所以加速比为：S29t1.6118t该流水线的效率可由阴影区的面积和5个段总时空区的面积的比值求得：E45330.3225187．一多功能8段动向流水线，实现乘法经过：1-2-3-4-5-6-7-8功能段；实现加法经过1-2-3-4-5-8.每一功能段的延缓时间都为Δt，流水线的输出能够直接返回输入端或暂存于相应的流水寄存器中，计算向量点积和：Z=AB+CD+EF+GH。1）画出时空图；2）计算吞吐率、加速比和效率；3）解析该流水线的效率不高的原因。（知识点：多功能流水线、动向流水线、流水线性能议论）答：（1）时空图：.优选文档（2）从流水线的时空图中看到，用23个时钟周期完成了7个运算。当每一功能段的延缓时间都为Δt时，有Tk=23Δt，n=7。流水线的吞吐率TP为：TP=n/Tk=7/(23t)≈0.304/Δt若是采用序次方式，完成一次加法要用6Δt，完成一次乘法要用8Δt，全部运算要用：T0=4×6t+3×8t=48Δt则加速比：S=T0/Tk=48t/(23t)≈2.087整个流水线共有8段，流水线效率为：E=T0/(k×Tk)=48t/(8×23t)≈0.261（3）主要原