计算机硬件基础：流水线技术 2021年5月10日
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流水线技术是指在程序执行时，多条指令重叠进行操作的一种任务分解技术。把一个任务分解为若干顺序执行的子任务，不同的子任务由不同的执行机构来负责执行，而这些执行机构可以同时并行工作。

如图所示，t1到t3的空闲时间叫做建立时间；t4到t6的空闲时间叫做排空时间。

I1、C1、P1的执行必须严格按照I1，C1，P1的顺序；而C1与I2，P1与C2、I3是可以同时执行的。

1、计算执行时间

假定有某种类型的任务，可分成N个子任务，每个子任务需要时间t，则完成该任务所需的时间为N×t。

  • 若以传统的方式，完成k个任务所需的时间是kNt。
  • 使用流水线技术，花费的时间是Nt+(k-1)tl。

注意，如果每个子任务所需的时间不同，其时间取决于执行顺序中最慢的那一个，tl即为最长的子任务的执行时间。

例 2：若指令流水线把一条指令分为取指令、分析和执行三部分，三部分的时间分别是取指令2ns，分析2ns，执行1ns。最长的是2ns，因此100条指令全部执行完毕所需要的时间是：(2ns+2ns+1ns)+(100-1) x2ns=203ns

（1）流水线的吞吐率

指在单位时间内流水线所完成的任务数量或输出的结果数量。

Tp=n/Tk

n为任务数，Tk是处理完成n个任务所用的时间。

例1的吞吐率为 100×109 /203=4.93×108/s
（203ns=10×2-9s）

（2）加速比

是指不采用流水线的执行时间／采用流水线的执行时间，用来衡量并行系统或程序并行化的性能和效果。

例1的加速比为 500/203=2.46
(如果不采用流水线，则执行100条指令需要500ns)

例 2：某指令流水线由4段组成，各段所需要的时间如下图所示。

连续输入8条指令时 的吞吐率（单位时间内流水线所完成的任务数或输出的结果数为：

执行时间：Nt+(k-1)t=7t+(8-1)3tl=28Δt
吞吐率：Tp=n/Tk=8/28Δt

2、影响流水线的主要因素

  • 转移指令：因为前面的转移指令还没有完成，流水线无法确定下一条指令的地址，因此也就无法向流水线中添加这条指令。
  • 共享资源访问的冲突：后一条指令需要使用的数据，与前一条指令发生冲突，或者相邻的指令使用了相同的寄存器。
  • 响应中断：当有中断请求时，流水线也会停止。对于这种情况有两种响应方式：
    • 精确断点法：立即停止，这种方法能够立即响应中断；
    • 不精确断点法：流水线中的指令继续执行，不再新增指令到流水线。