【计组大题】指令流水线

例1（25竟成第二套43）

• 知识点回顾1：拿到题一看，首先，四条指令当中，有两条Load指令要引起注意，可能会造成结构冒险（本质是访存冲突）

• 细节1： 读写口独立开来的意思，就是寄存器的读和写可以在同一时钟周期内进行（题干条件），例如下图所示：

对于这两条指令之间的数据冒险，在第2条指令的ID段的前半周期，第1条指令已完成对寄存器t的写操作，在第2条指令的 ID 段的后半周期，第2条指令可以从寄存器t中取得正确的值，因此也消除了这两条指令间的数据冒险。

• 细节2：顺着上一幅图的“nop”指令，需要对硬件阻塞和软件插入“nop”指令这两者进行区分，虽然作用都是“阻塞”，但是二者在画图中的体现不一样，拿2014年真题答案为例：

注意到，I6后面莫名其妙空出来3个空段，这其实就是硬件阻塞，不可能是软件插入nop指令，因为插入nop指令是插入一条完整的5段流水线执行流程，下面I1/I7那儿的三条阻塞才是软件插入nop指令。

• 知识点回顾2：其次，五段流水线各自的功能，要十分地清楚： 

拿第一条指令 R[a1] ← M[R[a0] + 0] 来说，在五段流水线中依次执行的步骤是： IF：获取 R[a1] ← M[R[a0] + 0] 指令。 ID：解码指令，读取寄存器 R[a0] 的值，准备访问内存地址。 EX：计算内存地址 R[a0] + 0（结果为 R[a0]）。 MEM：使用计算出的地址从内存 M 中读取数据。 WB：将读取的数据写回寄存器 R[a1]。

拿第三条指令 R[a3] ← R[a1] - R[a2] 来说，在五段流水线中的执行步骤如下： IF：从内存中获取 R[a3] ← R[a1] - R[a2] 指令。 ID：解码指令，读取寄存器 R[a1] 和 R[a2] 的值。 EX：执行减法运算 R[a1] - R[a2]。 MEM：此指令不涉及内存操作，因此此阶段无操作。 WB：将计算结果写回寄存器 R[a3]。

拿第四条指令 M[R[a0]+0] ← R[a3] 来说，在五段流水线中的执行步骤如下： IF：从内存中获取 M[R[a0]+0] ← R[a3] 指令。 ID：解码指令，读取寄存器 R[a0] 和 R[a3] 的值。 EX：计算内存地址 R[a0] + 0（即 R[a0]）。 MEM：将寄存器 R[a3] 的值写入内存 M[R[a0]]。 WB：此阶段没有操作，因为数据已写入内存。

由此可以先解决第四小问：

1. load指令需要经过IF、ID、EX、MEM、WB，
2. sub指令需要经过IF、ID、EX、WB，
3. store 指令需要经过 FF、ID、EX、MEM。
4. 因此指令I1、I2的执行时间为 5T，指令 I3、I4 的执行时间为 4T。

综上所述，第一小题的答案就可以归结为：

• 知识点回顾3：第二小问，考察数据旁路（本质是从暂存寄存器中读取要用到的数据），

而在本题中，因为I4在ID阶段需要读取R[a3]的值，但是I3直到WB阶段才能写回R[a3]寄存器，所以这里的旁路关系就是EX→ID（跟王道书上EX->EX有点不同，但本质相同）【以下是25竟成第二套卷43题参考答案，其未考虑两重load指令的结构冒险，本人已做修正】

知识点回顾4：第三小问考察流水线的性能指标：

通过第（2）问的分析，可以得出使用流水线情况下完成所有任务的时间为10个时钟周期。

1. 吞吐率=任务数 / 完成所用任务所用的时间=4/(10T);
2. 加速比=不使用流水线情况下执行完所有任务的时间，即：(4x5T)÷10T=2