1.什么样的指令格式更适合流水线方式？

答：定长指令字和定长操作码使得每条指令的预取和译码操作一致，便于流水线控制；指令类型少、操作数地址规整便于规划取操作数步骤，并使得对指令进行译码的同时，可以读取寄存器操作数；采用Load/Store型指令格式便于利用执行运算步骤来进行地址计算。由此可知，RISC指令设计风格更适合于流水线方式。

2.采用流水线方式能使一条指令的执行时间更短吗？

答：不能。采用流水线方式使得指令吞吐率提高了，即在给定的时间内完成指令执行的条数增加了，但每条指令的执行过程没有减少，所以不会缩短一条指令的执行时间，反而会延长一条指令的执行时间。

3.为什么流水线方式会延长一条指令的执行时间？

答：因为在确定一条流水线的流水段个数时，是以最复杂指令执行过程所需的流水段个数为标准设计的；在确定每个流水段的宽度时，也以最复杂流水段所需的宽度来设计。因而，所有指令都至少需花最慢指令的执行时间才能完成执行。此外，每个流水段之间要有信息的缓存和传递等，这也增加了额外的执行开销。

4.二阶段流水线能成倍提高指令执行效率吗？

答：不能。二阶段流水线把一个指令周期分成取指令和执行指令两个阶段，是最简单的流水线，它不能成倍提高指令执行效率。有很多原因，主要有：（1）因为每条指令的执行阶段所花时间不同，流水线要求以最慢指令为标准来设计，所以，执行阶段时间可能会很长。（2）虽然每条指令的取指令过程可能一样，但是流水线中要求每个流水段的时间相同，所以，取指令阶段时间也要和最慢指令的执行时间一样。（3）流水线寄存器会增加一定的延迟。（4）各种流水线冒险会破坏流水线，造成流水线的停顿，影响指令执行效率。

5.加倍流水线的阶段数能成倍提高指令执行效率吗？

答：不能。一般来说，加倍流水线的阶段数会提高指令的执行效率，但是不能成倍提高。主要原因是因为增加流水段，使得流水段之间的流水线寄存器的开销增加了。例如，假定一个三阶段流水线的每一级流水段中组合逻辑延时为100ps，流水线寄存器延时为20ps，则时钟周期为100+20=120ps，吞吐率为1/120ps=8.33GOPS（每秒千兆次操作），指令延时为3x120=360ps；如果流水阶段数成倍增加到六段，则每个流水段的组合逻辑延时变为50ps，故时钟周期为50+20=70ps，吞吐率为1/70ps=14.29GOPS，指令延时为6x70=420ps。所以，性能提高了14.29/8.33=1.71倍，而不是2倍，指令延时增加了420-360=60ps，这主要是流水线寄存器增加的延时。

6.流水线深度越深，时钟频率就越高，对吗？

答：一般来说，在指令执行时间一定的情况下，流水线深度越深，时钟频率就越高。增加流水段个数，使得每个流水段内的操作变得非常简单，因而，每个阶段的延时就很小，也就缩短了时钟周期，提高了时钟频率。但是，流水线深度不能无限制提高，随着流水段个数的增加，流水段之间的流水线寄存器增多，加大了流水段之间缓冲的额外开销，当额外开销的比例达到50%时，再增加流水线的深度就没有意义了。

7.流水线方式下，如何确定流水段的个数？

答：流水线方式下，一条指令的执行过程被分成了若干个操作子过程。由于每条指令所完成的功能不同，所包含的操作过程就不同。有的指令完成寄存器的内容的传送；有的是简单的加/减运算；还有的是复杂的乘/除运算。这些操作所花的时间相差很大，所以，这些指令如果都在同一个流水线中执行的话，就必须按最复杂的指令来设计流水线的流水段个数。 现代计算机一般把复杂度相近的指令用同一条流水线完成，而把复杂度相差很大的指令安排在不同的流水线中。

8.流水线方式执行指令时，一条指令的执行时间变短了吗？

答：没有。流水线方式下，一条指令的执行过程被分成了若干个操作子过程。每个子过程由独立的功能部件来完成，以最复杂的子过程所花的时间为准设计时钟周期。这样，使得所有功能部件可以同时执行不同指令的不同子过程中的操作。理想情况下，经过若干周期后，流水线能在每个周期内执行完一条指令。但是，对于每条指令来说，它还是要经过若干子过程才能完成，所以一条指令的执行时间并没有变短。

9.流水线方式执行指令时，总能在一个时钟内完成一条指令的执行吗?

答：不能。理想情况下，经过若干周期后，能在每个周期内执行完一条指令，即CPI=1。但是，当程序中出现以下情况时，流水线被破坏，因而，不能达到CPI=1。(1) 当有多条指令的不同阶段都要用到同一个功能部件时（资源冲突），后面指令要延时执行；（2）当程序的执行流程发生改变时（控制相关），原来按顺序取出的指令无效；（3）当后面指令的操作数是前面指令的运行结果时（数据相关），后面指令要延时执行。

10.是否流水段越多指令执行越快? 为什么？

答：一般情况下，采用较多的流水段个数，使得时钟周期变短，指令吞吐率提高。但是流水段个数不能无限制增多，因为： ① 流水段缓冲之间的额外开销增大 每个流水段有一些额外开销用在流水线寄存器间传送数据、进行各种准备和发送等功能，这些开销加长了一条指令的整个执行时间，当指令间在逻辑上相互依赖时，开销更大。当额外开销的比例达到50%时，再增加流水线的深度就没有意义了。 ② 流水段间控制逻辑变多、变复杂 用于流水线优化和存储器(或寄存器)冲突处理的控制逻辑将随流水段的增加而大量增多，这可能导致用于流水段之间控制的逻辑比流水段本身的控制逻辑更复杂。

答：通过以下两种规整流水线结构的方式可以解决部分结构冒险。（1）规定每个功能部件在每条指令执行过程中只能被使用一次，例如，每条指令只能用一次“寄存器写口”；（2）每个功能部件只能在一个特定的流水段内被使用。例如，“寄存器写口”只能在第五个流水阶段被使用。 另外，指令和数据分别存放在不同的存储器中，使得同时访问指令和数据不会引起存储器资源的结构冒险。这在大多数处理器中都是这样的，因为在L1 Cache的Data Cache和Code Cache是分开的。

12.什么是控制冒险？哪些情况下会发生控制冒险？

答：正常情况下PC的值按顺序增量，但在执行转移类指令或发生异常和中断时，PC的值由指令或异常/中断处理部件给出。如果在取下一条指令时，下条指令的地址还没有送到PC中，那么所取的下条指令就不是正确的，因而发生控制冒险。可以看出，如果确定下条指令地址所花时间较长的话，就会因为来不及在一个时钟内在PC中得到正确的值而发生控制冒险。分支指令(条件转移指令)要根据条件测试结果来确定PC的值，所以可能会发生控制冒险。还有，返回指令ret需要从存储器中读取返回地址送PC，所以也会发生控制冒险。

13.无条件转移（如跳转指令和调用指令等）是否可以避免发生控制冒险？

答：虽然执行无条件转移指令（如跳转指令和调用指令等）时PC不是按顺序增量，但是因为PC的值直接由指令代码得到而无需花很长时间进行条件测试或访问存储器，所以，能够保证在一个时钟内直接根据指令来得到PC的值，下个时钟取下条指令时，PC中已经是下条指令的地址了。因此，不会发生控制冒险。

答：有四种处理控制冒险的方法： （1）通过编译器在分支指令后面加入空指令（nop）。这种方法相当于没有做任何积极的处理，将大大降低指令执行的效率。 （2）阻塞(stall)：通过硬件来阻止分支指令后面一条指令的执行直到条件测试结束。 （3）预测(predict)：可以有简单（静态）预测和动态预测两种。简单预测就是每次预测结果都一样，总是预测条件满足（Branch taken）或不满足（Branch not taken）,这种方式没有什么额外开销，但预测成功率只有大约50%左右。动态预测就是根据分支指令执行的历史记录来进行预测，每次预测的结果可能不同，这种预测能达到90%的成功率。 （4）延迟分支(delayed branch)：将前面一条与分支指令没有关系的指令放到分支指令后面执行，这样，使得分支指令在进行条件判断时取出后面的无关指令执行，到测试结果出来后，就可以转移到正确的分支目标指令执行，流水线不会发生阻塞现象。这种对指令进行顺序调整的工作在程序编译阶段完成。

15.在哪些情况下可能出现数据冒险?

答：当一条指令修改后面指令会用到的信息时，就有可能出现数据冒险。可能修改的信息包括：寄存器、条件码、存储单元、程序计数器。 （1）寄存器：因为寄存器读口和寄存器写口被看成两个不同的功能单元，寄存器读口在译码/取数阶段被使用，寄存器写口在最后的回写阶段被使用，因而有可能发生前面指令写入新值之前后面指令就已经读出其内容的情况，这就发生了数据冒险。 （2）条件码：前面的运算类指令可能修改条件码，后面的分支指令根据条件码进行分支转移。一般情况下，在后面的分支指令进行条件测试时，前面运算类指令已经把新的条件码写到程序状态字寄存器了。所以，不会发生数据冒险。 （3）存储单元：因为规定同一个部件在一条指令执行过程中只能用一次，并且总是在同一个流水段使用，即：数据存储器的读和写都发生访存流水段，因而，到后面指令读一个内存单元时，前面写数据的指令肯定已经完成写操作了。所以，不会发生数据冒险。 （4）程序计数器：正常情况下PC的值按顺序增量，但在执行转移类指令时，PC的值由指令给出。当取下一条指令时，上一条转移类指令已经把新的PC值写到PC中，则不会发生冒险，否则发生控制冒险。

答：有四种处理数据冒险的方法： （1）通过编译器在数据相关指令前面加入空指令（nop）。这种方法相当于没有做任何积极的处理，将大大降低指令执行的效率。 （2）阻塞(stall)：通过硬件阻止后面数据相关指令的执行直到所需数据写入结果寄存器。 （3）转发(forwarding)或旁路(bypassing)：当后面指令要用到前面指令的结果数据时，前面流水段部件中得到的数据直接通过连线传送到后面指令的流水段部件中，而不等待前面指令的结束。它能解决部分数据冒险。 （4）指令顺序调整：通过编译器重新调整指令的顺序来减少指令的数据相关性。 对于取数（Load）后立即使用的数据相关问题，需要用“阻塞加转发”的方式来避免数据冒险。

17.流水线中如何控制在同一时钟内各流水段中执行不同的指令

答：对于每条指令来说，流水线中前面的取指令流水段和指令译码流水段，都是一样的。所以这两个流水段中的操作没有必要和哪个指令对应。但是，指令译码以后，每个流水段中执行的动作一定要和特定的指令对应，也就是说，特定指令对应的控制信号一定要送到对应的流水段中，以控制该流水段中的执行部件完成正确的动作。这样也就可以控制在同一时钟内各流水段执行不同的指令。要做到特定指令对应的控制信号送到对应的流水段中，只要将译码阶段得到的控制信号也以流水线的方式传送，每来一个时钟，控制信号就往后面一个流水段传送一次，这样使得控制信号和所控制的操作同步。

答：任何指令总是先要取指令，然后对指令译码，根据指令的不同产生不同的控制信号控制数据通路完成不同的指令功能。也就是说，在指令译码前控制信号还没有产生，所以，不可能有控制信号来控制译码前指令的动作。但是，对所有指令来说，取指令和指令译码两个阶段的动作都是一致的，只要让这两个阶段的功能部件完成特定的功能就行了，而无需区分是哪条指令对应的功能，因而也就不需要控制信号对其进行控制机。