并行

在学习流水线之前，必须掌握 并行 的概念：两个或两个以上的事件在 同一时刻发生

计算机指令在执行步骤

一条计算机指令在执行时，可以分为以下三个步骤：

1. 取指：根据控制器的要求，从存储器中取出某条指令送到指令寄存器。
2. 分析：对指令进行译码，和取操作数操作。
3. 执行：把操作结果写到通用寄存器中。

指令串行的缺点

如果 取指、分析、执行 分别需要 1 个单位的时间来执行，当 3条指令 串行 时，则需要 9 个单位的时间，如下：

提示： t表示时间单位，1t 表示 1个单位时间

缺点：

• 有大量的空闲时间，如：当 执行 指令1 时，取指 和 分析 都在空闲
• 串行时，耗时长

流水线

流水线的概念，就是在程序执行时，多条指令 并行 ，可以提高 各部件的利用率

使用流水线 的优点

如果使用了流水线，则只需要 5 个单位的时间

• 第一条指令的 取指、分析、执行，总共还是需要 3 个时间单位
• 当 分析 指令1 时，会 并行 执行 取 指令2
• 当 执行 指令1 时，会 并行 执行 分析 指令2、取 指令3

如下：

结论：

• 多条指令并行
• 提高 各部件的利用率
• 提升 系统的吞吐率

流水线周期

指的是流水线执行过程中 最长的时间。

比如一条指令取指 3 纳秒，分析 4 纳秒，执行 1 纳秒，那么这条指令的流水线周期为 4 纳秒。

流水线时间计算公式

取指时间 + 分析时间 + 执行时间   +   ( n - 1 ) * 流水线周期

解释：

• 取指时间 + 分析时间 + 执行时间 是 第1条指令的时间，因为第1条指令 没有并行

• n - 1 ：是不包括第1条指令，指后面的指令

流水线的最大吞吐量（率）

解释：

• k：一般是3，表示取指、分析、执行3个阶段
• n：条数
• tmax：流水线周期

当 n 趋向无穷大时，k、-1 都不影响结果，忽略。最后 n 再约去，所以就是 1 / tmax

指令条数 / 流水线的执行时间

原文出处：/show_1GWs2WrSUnR.html