【软考】流水线

本文主要是介绍【软考】流水线，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

一、指令控制方式

1.1 说明

• 1.指令控制方式有顺序方式、重叠方式和流水方式3种。

1.2 顺序方式

• 1.各机器指令之间顺序串行执行，执行完一条指令才能取下一条指令
• 2.这种方式控制简单，但利用率低

1.3 重叠方式

• 1.执行第1条指令的时候，可以开始执行第2条指令
• 2.复杂性不高、处理速度较快
• 3.容易发生冲突
• 4.例如假设某计算机指令分为分析指令和执行指令两个小步骤，可以在某个时候，第一条指令中的执行指令和第二条指令中的分析指令同时在执行
• 5.如图，指令1的执行指令和指令2的分析指令在同时执行
  

1.4 流水方式

• 1.流水方式是模仿工业生产过程的流水线（如汽车装配线）而提供的一种指令控制方式。
• 2.流水技术（Pipelining）是把并行性或并发性嵌入到计算机系统里的一种形式，它把重复的顺序处理过程分解为若干子过程，每个子过程能在专用的独立模块上有效地并发工作。
• 3.在概念上，流水可以看成是重叠的延伸。差别仅在于一次重叠是把指令解释分解为两个子过程，流水是分解为更多的子过程。

二、流水线的种类

• 1.从流水的级别上，可分为部件级、处理机级以及系统级的流水。
• 2.从流水的功能上，可分为单功能流水线和多功能流水线。
• 3.从流水的连接上，可分为静态流水线和动态流水线。
• 4.从流水是否有反馈回路，可分为线性流水线和非线性流水线。
• 5.从流水的流动顺序上，可分为同步流水线和异步流水线。
• 6.从流水线的数据表示上，可分为标量流水线和向量流水线。

三、流水的相关处理

3.1 说明

• 1.由于流水时机器同时解释多条指令，这些指令可能有对同一主存单元或同一寄存器的“先写后读”的要求，这时就出现了相关。
• 2.这种相关包括指令相关、访存操作数相关以及通用寄存器组相关等，它只影响相关的两条或几条指令，而且最多影响流水线的某些段推后工作，并不会改动指令缓冲器中预取到的指令内容，影响是局部的，所以称为局部性相关。
• 3.解决局部性相关有两种方法:推后法和通路法。
• 4.推后法是推后对相关单元的读，直至写入完成。
• 5.通路法设置相关专用通路，使得不必先把运算结果写入相关存储单元，再从这里读出后才能使用，而是经过相关专用通路直接使用运算结果，以加快速度。
• 6.转移指令(尤其是条件转移指令)与它后面的指令之间存在关联，使之不能同时解释。
• 7.执行转移指令时，可能会改动指令缓冲器中预取到的指令内容，从而会造成流水线吞吐率和效率下降，比局部性相关的影响要严重得多，所以称为全局性相关。
• 8.解决全局性相关有3种方法:猜测转移分支、加快和提前形成条件码、加快短循环程序的处理。
• 9.条件转移指令有两个分支,一个分支是按原来的顺序继续执行下去,称为转移不成功分支;另一个分支是按转移后的新指令序列执行，称为转移成功分支。
• 10.许多流水机器都猜选转移不成功分支，若猜对的几率很大，流水线的吞吐率和效率就会比不采用猜测法时高得多。
• 11.尽早获得条件码以便对流水线简化条件转移的处理。
• 12.例如,一个乘法运算所需的时间较长，但在运算之前就能知道其结果为正或为负，或者是否为0，因此，加快单条指令内部条件码的形成，或者在一段程序内提前形成条件码，对转移问题的顺利解决是很有好处的。
• 13.由于程序中广泛采用循环结构，因此流水线大多采用特殊措施以加快循环程序的处理。
• 14.例如，使整个循环程序都放入指令缓冲存储器中，对提高流水效率和吞吐率均有明显效果。
• 15.中断和转移一样，也会引起流水线断流。好在中断出现的概率要比条件转移出现的概率低得多，因此只要处理好断点现场保护及中断后的恢复，尽量缩短断流时间即可。

3.2 RISC 中采用的流水技术

3.2.1 超流水线(Super Pipe Line)技术

• 1.它通过细化流水、增加级数和提高主频，使得在每个机器周期内能完成一个甚至两个浮点操作。
• 2.其实质是以时间换取空间。
• 3.超流水机器的特征是在所有的功能单元都采用流水，并有更高的时钟频率和更深的流水深度。
• 4.由于它只限于指令级的并行，所以超流水机器的 CPI(Clock Cycles Per Instruction，每个指令需要的机器周期数)值稍高。

3.2.2 超标量(Super Scalar)技术

• 1.它通过内装多条流水线来同时执行多个处理，其时钟频率虽然与一般流水接近，却有更小的CPI。
• 2.其实质是以空间换取时间。

3.2.3 超长指令字(Very Long Instruction Word，VLIW)技术

• 1.VLIW 和超标量都是 20 世纪80年代出现的概念，其共同点是要同时执行多条指令，其不同在于超标量依靠硬件来实现并行处理的调度，VLIW 则充分发挥软件的作用，而使硬件简化，性能提高。
• 2.VLIW 有更小的 CPI值，但需要有足够高的时钟频率。

四、吞吐率和流水建立时间

• 1.吞吐率是指单位时间内流水线处理机流出的结果数。
• 2.对指令而言，就是单位时间内执行的指令数。
• 3.如果流水线的子过程所用时间不一样，则吞吐率p应为最长子过程的倒数。
• 4.流水线开始工作，需经过一定时间才能达到最大吞吐率，这就是建立时间。
• 5.若m个子过程所用时间一样，均为△t，则建立时间T=m△t。

五、例题

5.1 例题1

• 1.题目

1.执行指令时，将每一节指令都分解为取指、分析和执行三步。已知取指时间为5△t，分析时间为2△t，
执行时间为3△t，如果按照[取指]k，[分析]k+1,[执行]k+2重叠的流水线方式执行指令，
从头到尾执行完500条指令需(B)△t。
A.2500
B.2505
C.2510
D.2515

• 2.解析

1.流水线执行时间=流水线建立时间+(n-1)x流水线周期。
2.流水建立时间=5△t+2△t+3△t10△t。
3.流水线周期为时间最长的指令执行时间，即5△t。
4.流水线建立好时，已经执行了一次，所以剩下时间为(n-1)x5△t。

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