A. 插入一个流水线寄存器，得到一个两级流水线

B. 插入两个流水线寄存器，得到一个三级流水线

C. 插入三个流水线寄存器，得到一个四级流水线

D. 吞吐量最大的流水线

参考答案：略

简要分析： A.两级流水线的平衡点在C和D之间，其前面一个流水段的组合逻辑延时为80+30+60=170ps，后面一个流水段的组合逻辑延时为50+70+10=130ps。这样每个流水段都以最长延时调整为170+20=190ps，故时钟周期为190ps，指令吞吐率为1/190ps=5.26GOPS，每个指令的执行时间为2x190=380ps。 B.两个流水线寄存器分别插在B和C、D和E之间，这样第一个流水段的组合逻辑延时为80+30=110ps，中间第二段的时延为60+50=110ps，最后一个段延时为70+10=80ps。这样每个流水段都以最长延时调整为110+20=130ps，故时钟周期为130ps，指令吞吐率为1/130ps=7.69GOPS，每个指令的执行时间为3x130=390ps。 C.三个流水线寄存器分别插在A和B、C和D、D和E之间，这样第一个流水段的组合逻辑延时为80ps，第二段时延为30+60=90ps，第三段时延为50ps，最后一段延时为70+10=80ps。这样每个流水段都以最长延时调整为90+20=110ps，故时钟周期为110ps，指令吞吐率为1/110ps=9.09GOPS，每个指令的执行时间为4x110=440ps。 D.因为所有组合逻辑块中最长延时为80ps，所以，达到最大可能吞吐率的划分应该是以一个流水段延时为80ps+20ps来进行，因此，至少按五段来划分，分别把流水线寄存器插入在A和B、B和C、C和D、D和E之间，这样第一段的组合逻辑延时为80ps，第二段为30ps，第三段为60ps，第四段为50ps，最后一段为70+10=80ps。这样每个流水段都以最长延时调整为80+20=100ps，故时钟周期为100ps，指令吞吐率为1/100ps=10GOPS，每个指令的执行时间为5x100=500ps。

A. 流水段个数按同一个流水线中最复杂指令的功能来确定

B. 每个流水段的时间相同，等于一个CPU时钟的宽度

C. 每个时钟都会有一条指令执行完

D. 流水线方式不能使一条指令的执行时间缩短，但能使整个程序的执行时间缩短

参考答案：选项C

简要分析： 选项A：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。 选项B：流水线中指令执行的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时间为准设计时钟周期。这样，使得每个流水段的时间都等于CPU时钟的宽度。 选项C：理想情况下，经过若干时钟周期后，流水线能在每个周期内执行完一条指令。但是，当程序中出现以下情况时，流水线被破坏：(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。所以，并不是任何时候每个时钟内都会有一条指令执行完。 选项D：对于每条指令来说，它在流水线中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。但整个程序的执行时间大大缩短了。 综上所述，错误的应该是C。

add $t1, $s1, $s0

sub $t2, $s0, $s3

add $t1, $t1, $t2

以上指令序列中，哪一条指令发生数据相关？假定采用"取指、译码/取数、执行、访存、写回"这种五段流水线方式，那么不用"转发"技术的话，需要在发生数据相关的指令前加入几条nop指令才能使这段程序避免数据冒险？如果采用"转发"是否可以完全解决数据冒险？不行的话，需要在发生数据相关的指令前加入几条nop指令才能使这段程序不发生数据冒险？

参考答案：第三条指令发生了数据相关，不进行“转发”处理的话，需要在第三条指令前加入三条nop指令才能避免数据冒险。通过“转发”可以完全避免数据冒险，无需加入nop指令。

简要分析： 因为第一条和第二条指令会更新第三条指令用到的寄存器的值，有可能导致第三条指令取操作数时得到的是更新前的数据，这样第三条指令就不能正确执行，所以第三条指令发生数据相关。 不进行“转发”的话，就只能通过在第三条指令前加nop指令来延迟第三条指令的执行。因为只有第二条指令把数据写回到$t2，第三条指令才能从$t2取到正确的值，所以，第二条指令的“回写”流水段后面是第三条指令的“译码/取数”流水段，为此，在第二和第三条指令之间必须插入三条nop指令。 采用“转发”技术，上述程序段可以完全避免数据冒险。只要把第一条指令“访存”段结束时在流水线寄存器中的$t1的值和第二条指令“执行”段结束时在流水线寄存器中的$t2 的值同时“转发”到第三条指令的“执行”段ALU的两个输入端，这样，在ALU中运算的两个操作数都是正确的值。不会发生数据冒险。

loop: add $t1,$s3,$s3

　　　add $t1,$t1,$t1

　　　add $t1, $t1,$s6

　　　lw $t0,0($t1)

　　　bne $t0,$s5,Exit

　　　add $s3,$s3,$s4

　　　j Loop
　　Exit:
分析以上指令序列，要求：
（1）指出哪些指令产生数据相关？哪些指令发生控制相关？
（2）如果不用“转发”或“分支预测”来进行冒险处理，而是简单地通过加入nop指令来避免冒险，那么加入nop指令后的指令序列是怎样的？
（3）假定采用“转发”进行数据冒险处理，并在必要时在相应阶段加入“气泡”来阻塞流水线，使流水线停顿一个周期，那么，在哪条指令的哪个阶段需要加入“气泡”呢？

参考答案： （1）发生数据相关的是第2、3、4、5行指令，发生控制相关的是第5行指令。 （2）如果不用“转发”或“分支预测”来进行冒险处理，而是简单地通过加入nop指令来避免冒险，那么加入nop指令后的指令序列如下： loop: add $t1,$s3,$s3 　　　nop 　　　nop 　　　nop 　　　add $t1,$t1,$t1 　　　nop 　　　nop 　　　nop 　　　add $t1, $t1,$s6 　　　nop 　　　nop 　　　nop 　　　lw $t0,0($t1) 　　　nop 　　　nop 　　　nop 　　　bne $t0,$s5,Exit 　　　nop 　　　nop 　　　nop 　　　add $s3,$s3,$s4 　　　j Loop Exit: 以上每个数据相关指令前加3条nop指令，使得所用数据写回到寄存器堆后再由数据相关指令取出；在控制相关指令（即分支指令）后面也需要加3条nop指令，使得分支指令在“访存”流水段把新的PC值写到PC后再取出下条指令执行。所以，共需多加15条指令，大大降低指令执行效率。 （3）大多数情况下的数据冒险都可以通过“转发”来解决，如：第2、3、4条数据相关指令引起的数据冒险。但遇到取数指令后面一条指令马上就要用到取出的数据时，就不能用“转发”完全解决问题了，因为数据只有在“访存”阶段才能得到，来不及在下一条指令取数时就得到（如：第4条取数指令和第5条分支指令），这样必须在下一条指令的译码/取数阶段插入一个“气泡”，使流水线停顿一个时钟，等到上条指令在“访存”阶段取得数据后“转发”到下条指令。

简要分析：略