流水线技术

流水线技术通过重叠执行多条指令，显著提高 CPU 的执行速度和效率。

核心原理

• 子过程划分: 将指令执行过程分解为若干个子过程（如：取指 IF、译码 ID、计算地址 EX、取数 MEM、执行 WR）。
• 并行性: 不同的子过程由独立的硬件部件同时完成，使多条指令在空间上错开、时间上重叠。 重点

性能指标计算 重点

假设流水线为 $m$ 段，每段执行时间均为 $\Delta t$，执行 $n$ 条指令：

1. 总执行时间 ($T_k$):

   • $T_k=(m+n-1)\Delta t$
   • 解释：第一条指令跑完需 $m\cdot \Delta t$，后续 $n-1$ 条指令每隔 $\Delta t$ 产出一个结果。

2. 吞吐率 ($TP$):

   • $\text{实际吞吐率}=n/T_k=\frac{n}{(m+n-1)\Delta t}$
   • 最大吞吐率 ($T{P}_{max}$): 当 $n\to \infty$ 时，$T{P}_{max}=1/\Delta t$。

3. 加速比 ($S$):

   • $S=\frac{\text{非流水线执行时间}}{\text{流水线执行时间}}=\frac{n\cdot m\cdot \Delta t}{(m+n-1)\Delta t}=\frac{n\cdot m}{m+n-1}$

4. 效率 ($E$):

   • $E=\frac{\text{设备工作时间}}{\text{总设备时间}}$。在时空图上体现为：$n$ 个任务占用的面积 / $m$ 个部件总面积。
   • $E=S/m$。

流水线冲突 (相关性) 重点

1. 结构相关 (资源冲突): 多条指令同时争用同一硬件资源（如同时访存）。
2. 数据相关: 下一条指令依赖前一条指令的计算结果。
3. 控制相关: 遇到转移指令（if, jump），导致流水线无法预知下一条指令的地址，产生“死区”。

流水线分类

• 静态流水线:
  • 在同一时间内，流水线只能按一种功能连接工作（例如：一段时间内全做浮点加法，另一段时间全做定点乘法）。
  • 排空 (Draining): 当从一种功能切换到另一种功能时，必须先等流水线中原有的任务全部流出（排空），并进行重新配置（设置初始条件），才能开始新功能的执行。这会带来额外的时间开销。
• 动态流水线:
  • 允许在同一时间内，不同的功能段连接形成不同的功能子集，同时执行不同性质的操作（如浮点加法和定点乘法同时在流水线中运行）。
  • 以此为基础，要求各功能段所使用的硬件资源彼此不冲突。

典型结构示例

课程中以一个 6 级流水线 为例描述指令执行过程：

1. 取指 (IF)
2. 译码 (ID)
3. 计算操作数地址
4. 取操作数
5. 执行指令 (EX)
6. 写回 (WB)

每个子过程由独立的硬件部件完成。若有 9 条指令在 6 级流水线上执行，理想情况下只需 $6+(9-1)=14$ 个时间单位（相比串行的 $9\times 6=54$ 个单位）。