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TP?n?1(ns?1)
Tpipeline85E?TP???tii?1mm?TP?40010??58.82% 817? 重复设置部件
TP?n?1(ns?1)
Tpipeline85850?8?1017?58.82%
E?400?10
段 4_4 4_3 4_2 1 4_1 3_2 3_1 2 4-1 3 3-1 4876 4-2 109 4-3 2 4 12 3-2 5 2 6 8 10 1 3 5 7 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 4-4 时间 850ns 3.13有一个流水线由4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4段。如果每段经过一次所需要的时间都是?t，问：
（1） 当在流水线的输入端连续地每?t时间输入任务时，该流水线会发生什么情况？ （2） 此流水线的最大吞吐率为多少？如果每2?t输入一个任务，连续处理10个任务
时的实际吞吐率和效率是多少？ （3） 当每段时间不变时，如何提高该流水线的吞吐率？仍连续处理10个任务时，其
吞吐率提高多少？
解：（1）会发生流水线阻塞情况。 第1个任务 第2个任务 第3个任务 第4个任务 S1 S2 S1 S3 S2 S1 S3 stall stall S4 S3 S2 S1 S3 stall stall S4 S3 S2 S3 stall S4 S3 S3 S4
（2）
段 4 2 6 7 3 4 5 8 9 10 3 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10 2 5 1 2 3 4 6 7 8 9 10 时间 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 23 ? t 1
TPmax?TpipelineTp?n12?t?23?tTpipeline?1023?t
?E?TP?5?t?50?54.35I2
（3）重复设置部件
Δt 3_1 1 2 4 3_2 Δt Δt Δt Δt
段 4 3_2 3_1 2 1 11121 24356 34567 46578 56789 6879 789 8 9 10 234510910 134 2310 210时间 14 ?t
TP?nTpipeline?1014??t7?t23?t?57??t
吞吐率提高倍数＝
510＝1.64
3.14 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，其余各段的时间均为△t，而且流水线的输出可以直接返回输入端或 4?) ，画出其时空图，并计暂存于相应的流水寄存器中。现要在该流水线上计算 ( A B i i
i?1算其吞吐率、加速比和效率。
? 1 △t 加法 2△t △t △t 2 △t 3 乘法 4 5
解：首先，应选择适合于流水线工作的算法。对于本题，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)；然后求总的结果。
其次，画出完成该计算的时空图，如图所示，图中阴影部分表示该段在工作。
段 5 4 3 2 1 A B C D A×B C×D A×B×C×D A=A1＋B1 B=A2＋B2 C=A3＋B3 D=A4＋B4 输0 1 2 3 入4 5 6 7 8 9 A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4 10 11 12 13 14 15 16 17 18 A×B A C B D C×D 时间
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：
TP?7 18?t如果不用流水线，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：
2 9 ? t
S?18?t?1.61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： 4 ? ? 53 ? 3E?
5?18?0.322
3.15 动态多功能流水线由6个功能段组成，如下图：
S1 S2 S3 乘法 加法 S4 S5 S6
其中，S1、S4、S5、S6组成乘法流水线，S1、S2、S3、S6组成加法流水线，各个功能段时间均为50ns，假设该流水线的输出结果可以直接返回输入端，而且设置有足够的缓冲寄存器，若以最快的方式用该流水计算：
?xyziii?15i
（1） 画出时空图； （2） 计算实际的吞吐率、加速比和效率。 解：机器一共要做10次乘法，4次加法。
第4章 指令级并行
4.1解释下列术语 指令级并行：简称ILP。是指指令之间存在的一种并行性，利用它，计算机可以并行执行两条或两条以上的指令。
指令调度：通过在编译时让编译器重新组织指令顺序或通过硬件在执行时调整指令顺序来消除冲突。
指令的动态调度：是指在保持数据流和异常行为的情况下，通过硬件对指令执行顺序进行重新安排，以提高流水线的利用率且减少停顿现象。是由硬件在程序实际运行时实施的。
指令的静态调度：是指依靠编译器对代码进行静态调度，以减少相关和冲突。它不是在程序执行的过程中、而是在编译期间进行代码调度和优化的。
4.2 简述Tomasulo算法的基本思想。
答：核心思想是：① 记录和检测指令相关，操作数一旦就绪就立即执行，把发生RAW冲突的可能性减小到最少；② 通过寄存器换名来消除WAR冲突和WAW冲突。寄存器换名是通过保留站来实现，它保存等待流出和正在流出指令所需要的操作数。
基本思想：只要操作数有效，就将其取到保留站，避免指令流出时才到寄存器中取数据，这就使得即将执行的指令从相应的保留站中取得操作数，而不是从寄存器中。指令的执行结果也是直接送到等待数据的其它保留站中去。因而，对于连续的寄存器写，只有最后一个才真正更新寄存器中的内容。一条指令流出时，存放操作数的寄存器名被换成为对应于该寄存器保留站的名称（编号）。