1.14 - 流水线

目录

一、流水线的概念

二、流水线工作流程

三、未使用流水线执行指令

1、执行过程

2、结论

四、使用流水线执行指令

1、执行过程

2、结论

五、流水线周期

六、流水线计算公式

七、流水线的吞吐率

八、考法1：流水线的相关计算

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一、流水线的概念

• 所谓流水线，是指程序在执行时， 多条指令重叠进行操作的一种准并行处理实现技术。

二、流水线工作流程

• 一条指令在执行的时候，通常可以分为多个阶段进行，每个阶段由不同的部件来实现；
• 以分为3个阶段为例： 取指、分析、执行；

取指：由取指部件实现，负责内存把指令取到CPU中；

分析：由分析部件进行分析指令；

执行：由执行部件实现，负责将指令进行译码后，执行指令；

三、未使用流水线执行指令

1、执行过程

• 没有使用流水线时，当第一条指令的取指部件进行取指时，分析部件和执行部件是空闲的；
• 当取指部件取指完成后，分析部件开始分析指令，这时取指部件和执行部件是空闲的；
• 当分析部件执行完成后，执行部件开始编译后执行指令，此时取指部件和分析部件又是空闲的；

2、结论

• 由此可知，不使用流水线执行指令时，取指部件，分析部件，执行部件的利用率并不高； 

四、使用流水线执行指令

1、执行过程

• 当第一条指令开始执行时，取指部件开始工作，分析部件和执行部件空闲；
• 当第一条指令取指完成后，分析部件开始工作；此时取指部件就空闲出来了，此时就可以去取第二条指令了；
• 当第一条指令分析完成后，执行部件开始工作；此时分析部件就空闲出来了，此时就可以对刚取的第二条指令进行分析了；并且由于此时第二条指令取指完成了，所以此时取指部件又空闲出来了，所以此时可以去取第三条指令了；

2、结论

• 由此可见，使用流水线执行指令，能有效提高部件的使用率，也就有效的提高了指令的执行效率；

五、流水线周期

• 在指令中各个阶段， 执行时间最长的这一阶段的时间，就是流水线的周期；

解析：

（1）例如流水线上的工人，三个人合作完成一件物品；第一个人需要2秒，第二个人需要4秒，第三个人需要1秒；

（2）如果此时将完成这件物品的周期定为1秒，那么第一、第二个人就无法完成自己的工作；

（3）只有将周期定为4秒的时候，这三个人才都能完成自己的工作；

（4）所以我们一般将 完成一件物品 执行所需时间最长的阶段的时间，定为周期，例子中的周期是4秒；

六、流水线计算公式

• 单条指令所需时间+（n-1）*（流水线周期）

（1）由图可知，执行第一条指令时，需要3个阶段；

（2）执行完第一条指令时，第二条指令zh已经执行完分析阶段了，只需要有一个执行阶段就可完成第二条指令的执行；

（3）当第二条指令执行完成时，第三条指令已经执行完分析阶段了，也只需要一个执行阶段就可以完成第三条指令的执行；

（4）所以执行n条指令时，只需要用单条指令的时间（第一条指令的三个阶段的时间的和）+（n-1）条指令执行所需要的时间；

• 注意：n表示指令的数量；

七、流水线的吞吐率

八、考法1：流水线的相关计算