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流水线的执行时间公式为:
第1条指令的执行时间+(指令条数-1)*流水线操作周期
例题1
若每一条指令都可以分解为取指、分析和执行三步。己知取指时间t取指=4△t,分析时间t分析=3△t,执行时间t执行=5△t。如果按串行方式执行完100条指令需要 (1) △t。如果按照流水方式执行,执行完100条指令需要 (2) △t。
供选择的答案
(1)A. 1190 B.1195 C. 1200 D.1205
(2)A. 504 B.507 C. 508 D.510
试题分析
本题考查的是计算机系统指令流水线方面的基础知识。根据题意可以看到,在此流水线中按串行方式执行完100条指令要用1200△t。采用流水方式执行,执行的总时间的关键取决于最长的执行时间,所以执行完100条的时间为:4Δt+3Δt+5Δt+(100-1)*5Δt = 507Δt。
试题答案
C B
例题2
现采用4级流水线结构分别完成一条指令的取指、指令译码和取数、运算,以及送回运算结果4个基本操作,每步操作时间依次为60 ns,100 ns,50 ns和70 ns。该流水线的操作周期应为 A ns。若有一小段程序需要用20条基本指令完成(这些指令完全适合于流水线上执行),则得到第一条指令结果需 B ns,完成该段程序需 C ns。
在流水线结构的计算机中,频繁执行 D 指令时会严重影响机器的效率。当有中断请求发生时,采用不精确断点法,则将 E 。
供选择的答案
A:①50 ②70 ③100 ④280
B:①100 ②200 ③280 ④400
C:①1400 ②2000 ③2300 ④2600
D:①条件转移 ②无条件转移 ③算术运算 ④访问存储器
E:①仅影响中断反应时间,不影响程序的正确执行
②不仅影响中断反应时间,还影响程序的正确执行
③不影响中断反应时间,但影响程序的正确执行
④不影响中断反应时间,也不影响程序的正确执行
试题分析
本题主要考查对流水线技术的掌握。
对于CPU来说,流水线技术实际上是一种以增加硬件换取性能的方式:把一条指令分解成多条更小的指令,由不同的处理单元来处理,在理想的满负荷运行状态下,执行一条指令的时间虽然没有减少,但是由于多个处理单元同时工作,在同一时间上可以执行不同指令的不同部分,从而使得总体的执行时间大大减少。流水线的操作周期取决于基本操作中最慢的那个。这里最慢的是100 ns,所以操作周期是100 ns。在流水线中,其实每一条指令的执行时间并没有减少,而第一条指令的执行并没有体现流水线的优势,它在4个操作周期后才能执行完成,这以后每个操作周期都能完成一条指令的执行。
影响流水线效率的重要因素有条件转移指令和中断,因为它们打断了流水线,使得流水线不得不重新装载。
不精确断点法实现简单,但是要等到流水线内的指令完成之后再响应中断。
试题答案
A.③ B.④ C.③ D.① E.②
上面的两个例题,都是软考当中出现过的真题。我们可以看出,两个题在计算流水线时间方面,标准并不是统一的。
在例题1中:
4Δt+3Δt+5Δt+(100-1)*5Δt = 507Δt。
而在例题2中:
100ns+100ns+100ns+100ns+(20-1)*100ns=2300ns
这两种计算方法,都是在套用公式:“第1条指令的执行时间+(指令条数-1)*流水线操作周期”,而对于“第1条指令的执行时间”的理解并不相同。在例题1中,第1条指令的执行时间是将指令执行时的几个阶段所需时间相加得到,而在例题2中,认为每一个阶段所需时间都是流水线的周期时间。其中前者是流水线的理论计算方法,而后者是我们在设计硬件流水线时,常用的方式。两种计算方法,从理论上来讲,都是正确的,但考试时,只有一个是正确答案。那么我们应该怎么做呢?由于每次考试中,无论认可的是哪种计算方式,都只会把这种计算方式的正确答案放入选项中,而不会将两个正确答案都放入,所以我们在用一种方式不能得到正确选项时,应采用另一种方式进行计算,来得到正确答案。
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