习题

5.1 指令执行过程采用顺序方式、一次重叠方式和流水线方式，它们的主要差别是什么？各有什么优点和缺点？

5.2 假设一条指令的执行过程分为"取指令"、"分析"和"执行"三段，每一段的时间分别为、2和3。在下各种情况下，个别写出连续执行n条指令所需要的时间表达式。
(1) 顺序执行方式。
(2) 仅"取指令"和"执行"重叠。
(3) "取指令"、"分析"和"执行"重叠。

5.3 在流水线处理机中，可能有哪几种操作数据相关？这几种相关分别发生在什么情况下？解决操作数相关的基本方法有哪几种？

5.4 在流水线处理机中，有独立的加法操作部件和乘法操作部件各一个，加法操作部件为4段流水线，乘法操作部件6段流水线，都在第一段从通用寄存器从读操作数，在最后一段把运算结果写到通用寄存器中。每段的时间长度都相等，都是一个时钟周期。每个时钟周期发出一条指令。问可能发生哪几种操作数相关？写出发生相关的指令序列，分析相关发生的原因，并给出解决相关的具体办法。

5.5 在一台单流水线多操作部件的处理机上执行下面的程序，取指令、指令译码各需要一个时钟周期，MOVE、ADD和MUL操作各需要2个、3个和4个时钟周期。每个操作都在第一个时钟周期从通用寄存器中读操作数，在最后一个时钟周期把运算结果写到通用寄存器中。

(1) 就程序本身而言，可能有哪几种数据相关？
(2) 在程序实际执行过程中，有哪几种数据相关会引起流水线停顿？
(3) 画出指令执行过程的流水线时空图，并计算执行完这三条指令共使用了多少个时钟周期。

5.6 一条线性流水线有4个流水段组成，每个流水段的延迟时间都相等，都为。开始5个，每间隔一个Dt向流水线输入一个任务，然后停顿2个Dt，如此重复。求流水线的实际吞吐率、加速比和效率。
5.7 用一条5个流水段的浮点加法器流水线计算 。每个流水段的延迟时间均相等，流水线的输出端与输入端之间有直接数据通路，而且设置有足够的缓冲寄存器。要求用尽可能短的时间完成计算，画出流水线时空图，计算流水线的实际吞吐率、加速比和效率。

5.8 一条有三个流水段的流水线如下图：

每个流水段的延迟时间均相等，都为。其中流水段S2的输出要返回到它自己的输入端循环一次。
(1) 如果每间隔一个Dt向流水线的输入端连续输入新任务，问这条流水线会发生什么情况？
(2) 求这条流水线能够正常工作的最大吞吐率、加速比和效率。
(3) 有什么办法能够提高这条流水线的吞吐率，画出新的流水线。

5.9 一条有4个流水段的非线性流水线，每个流水段的延迟时间都相等，都为20ns，它的预约表如下：

(1) 写出流水线的禁止向量和初始冲突向量。
(2) 画出调度流水线的状态图。
(3) 求流水线的最小启动循环和最小平均启动距离。
(4) 求平均启动距离最小的恒定循环。
(5) 求流水线的最大吞吐率。
(6) 按照最小启动循环连续输入10个任务，求流水线的实际吞吐率。
(7) 画出该流水线各流水段之间的连接图。