3.1 解释下列术语
- 流水线： 把一个重复的过程分解为若干个子过程（相当于上面的工序），每个子过程由专门的功能部件来实现。把多个处理过程在时间上错开，依次通过各功能段，这样每个子过程就可以与其他子过程并行进行
- 单功能流水线：只能完成一种固定功能的流水线
- 多功能流水线：流水线的各段可以进行不同的连接，实现不同的功能
- 静态流水线：在同一时间内，多功能流水线中的各段只能按照一种功能的连接方式工作
- 动态流水线：在同一时间内，多功能流水线中的各段可以按照不同的方式连接，同时执行多种功能
- 部件级流水线（运算操作流水线）：把处理机的算术逻辑运算部件分段，使得各种类型的运算操作能按流水方式进行
- 处理机流水线（指令流水线）：把指令的解释执行过程按照流水方式处理
- 处理机间流水线（宏流水线）：由两个或者两个以上的处理机串行连接起来，对同一数据流进行处理，每个处理机完成整个任务中的一部分
- 线性流水线：流水线的各段串行连接，没有反馈回路。数据通过流水线的的段时，每个段最多只流过一次
- 非线性流水线：流水线中除了有串行的连接外，还有反馈回路
- 顺序流水线：流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流入的顺序完全相同
- 乱序流水线：流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流入的顺序可以不同，允许后进入流水线的任务先完成（从输出端流出），又称为无序流水线、错序流水线、异步流水线
- 吞吐率：单位时间内流水线所完成的任务数量或输出结果的数量
- 流水线加速比：完成同样一批任务，不使用流水线所用的时间与使用流水线所用的时间之比
- 效率：流水线中的设备实际使用时间与整个运行时间的比值
- 数据相关：对于两条指令i和j，如果下述条件之一成立，则称指令j与指令i数据相关：指令j使用指令i产生的结果；指令j与指令k数据相关，而指令又与指令i数据相关
- 名相关：如果两条指令使用相同的名，但是它们之间并没有数据流动，则称这两条指令存在名相关
- 控制相关：控制相关是指分 支指令引起的相关。它需要根据分支指令的执行结果来确定后续指令是否执行
- 反相关：如果指令j写的名与指令i读的名相同，则称指令i和j发生了反相关
- 输出相关：如果指令j与指令i写相同的名，则称指令i与指令j发生了输出相关
- 换名技术：名相关的两条指令之间并没有数据的传送，只是使用了相同的名。可以把其中一条指令所使用的名换成别的，以此来消除名相关
- 结构冲突：因硬件资源满足不了指令重叠执行的要求而发生的冲突
- 数据冲突：当指令在流水线中重叠执行时，因需要用到前面指令的执行结果而发生的冲突
- 控制冲突：流水线遇到分支指令和其他会改变PC值的指令所引起的冲突
- 定向：用来解决写后读冲突的。在发生写后读相关的情况下，在计算结果尚出来之前，其他指令不不真正立即需要该计算结果，将该计算结果从其产生的地方直接送到其他指令需要它的地方，来避免停顿
- 写后读冲突：指令j用到指令i的计算结果，而且在i将结果写入寄存器之前就去读该寄存器，因而得到的是旧值
- 写后写冲突：指令j与指令i的结果单元相同，而且j在i写入之前就对该单元进行了写入操作，导致写入顺序错误。这时在结果单元留下的是i写入的值，而不是j写入的。
3.2 简述流水线技术的特点
- 流水线把一个处理过程分解成若干个子过程，每一个子过程由一个专门的功能部件来实现。
- 流水线中各段的时间应尽可能相等，否则将引起流水线堵塞、断流
- 流水线每一个功能部件的后面都要有一个缓冲寄存器，称为流水寄存器
- 流水技术适合大量重复的时序过程，只有在输入端不断地提供任务，才能充分发挥流水线的效率
- 流水线需要通过时间和排空时间
3.3 解决流水线瓶颈问题有哪两种常用方法？
- 细分瓶颈段
- 重复设置瓶颈段
3.4 减少流水线分支延迟的静态方法有哪些
1. 在流水线中尽早判断出分支转移是否成功
2. 尽早计算出分支目标地址
- 预测分支失败
- 预测分支成功
- 延迟分支
3.5 简述延迟分支方法中的3种调度策略的优缺点
| 调度策略 | 对调度的要求 | 对流水线性能改善的影响 |
|---|---|---|
| 从前调度 | 分支必须不依赖于被调度的指令 | 总是可以提高流水线性能 |
| 从目标处调度 | 如果分支转移失败，必须保证被调度的指令对程序的执行没有影响，可能需要复制被调度指令 | 分支转移成功时，可以提高流水线性能。但由于复制指令，可能加大程序空间 |
| 从失败处调度 | 如果分支转移成功，必须保证被调度的指令对程序的执行没有影响 | 分支转移失败时，可以提高流水线性能 |
3.6 列举出下面循环种所有相关，包括输出相关、反相关、真相关
a[i] = b[i] + a[i] ; /* S1 */
c[i+1] = a[i] +d[i] ; /* S2 */
a[i-1] = 2 * b[i] ; /* S3 */
b[i+1] = 2 * b[i] ; /* S4 */
a[i+1] = b[i+1] + a[i+1] ; /* H1 */
c[i+2] = a[i+1] +d[i+1] ; /* H2 */
a[i] = 2 * b[i+1] ; /* H3 */
b[i+2] = 2 * b[i+1] ; /* H4 */
对于单次循环，其中：
输出相关：无。
反相关：无。
真相关：S1 和S2。
由于循环引入的相关，其中：
输出相关：S1 和H3
反相关：S1 和H3、S2 和H3。
真相关：S4 和H1、S4 和H3、S4 和H4。
小结
| 数据相关（真数据相关） | 指令j使用指令i的结果 |
|---|---|
| 指令j与指令k数据相关，而指令k又与指令i数据相关 | |
| 名相关（反相关） | j写的名与指令i读的名相同 |
| 名相关（输出相关） | 指令i与指令j写相同的名 |
| 控制相关 | 分支指令 |
