软考知识点6：流水线技术

考点

软考中关于计算机流水线技术出题方式一般有两种：

概念性理论知识题目；
流水线相关参数计算题目。

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流水线技术概念

基本概念：流水线是将一个复杂的任务分解成一系列简单的子任务，并将它们按照顺序依次执行的处理方式。在计算机中，流水线将指令执行过程划分为多个阶段，如取指令、译码、执行、访存和写回等。
流水线的优势：提高指令执行速度、提高系统吞吐量、提高资源利用率等。
流水线的工作原理：流水线的工作原理类似于工厂中的生产线，将一个复杂任务划分成多个简单的子任务，并在多个工作站上并行执行。

处理器应用

在处理器中，流水线技术被广泛应用于指令执行过程中：处理器会将指令执行过程分解成取指、译码、执行、访存和写回等多个阶段，并将这些阶段连接起来形成一个流水线。这样，在同一时刻，处理器可以同时执行多条指令的不同阶段，从而提高了指令执行的效率。

PS：计算机中流水线技术并不是真的并行，而是伪并行，因为取指、译码、执行三个步骤还是需要串行执行，计算机中的流水线技术只不过是在第一条指令没有执行完之前，就已经开始了第二条指令的取指、译码。

参数计算

可能涉及到的相关参数计算：

流水线执行时间
流水线吞吐率
流水线加速比
流水线效率

其中需要重点了解的参数是 流水线执行时间 和 流水线吞吐率 。

流水线执行时间

将指令的执行过程，抽象为空图，大概是这个样子：

时间	1	2	3	4	5	6	7	8
取指	c1	c2	c3	…	c·n
译码		c1	c2	c3	…	c·n
执行			c1	c2	c3	…	c·n
其他				c1	c2	c3	…	c·n

上面的时空图我们将一条指令的执行过程分成了四个步骤，根据时空图可以推导出流水线执行 n 条指令的理论执行时间是：一条指令的耗时 + (n-1)*流水线周期。以上面的时空图为例，可以推出理论公式： $(t1+t2+t3+t4) + (n-1) * Δt$

其中：t1+t2+t3+t4 分别是一条指令对应的取指、译码、执行、其他所需时间；Δt是流水线周期。

流水线周期：由时空图可知，一条指令的结束时间和上一条指令的结束时间中间有个差值，也就是 c2 的结束时间和 c1 的结束时间的差值。为了便于计算，我们假设所有指令的耗时相同，将最长耗时的步骤作为两条指令结束时间的差值，然后假设所有指令的结束时间差值都是一样的，将其称为 流水线周期。

例题

问：一条指令的执行过程分为三部分：取指、译码、执行，他们分别耗时：3s、3s、4s；采用流水线方式执行100条指令的总耗时是多少？这条流水线的流水线周期是多少？

解题思路：指令执行分为三步，最长的一步耗时为 4s，一般将最长的耗时看作流水线周期，所以流水线周期是 4s，然后代入公式可以计算出 N 条指令的总耗时。

总耗时 = (3 + 3 + 4) + (100 -1) * 4 = 406s
流水线周期 = 4s

拓展：实践公式

关于计算流水线执行时间的题目，我们一般才用上面的公式就足够了，但可能有时会发现算出来的结果并不是正确答案，这时可以使用实践公式计算，看看有没有正确答案。

将上面的理论公式整理一下，设一条指令会分为 K 个步骤执行，则公式可写为：

$(t1+t2+……+tK) + (n-1) * Δt$

实践公式是将所有步骤的执行时间扩大，增加容错（冗余）时间，认为每个步骤的实际执行时间都是最长步骤的时间（流水线周期），所以可以将公式改写为：

$KΔt + (n-1) * Δt$ ，提公因式得： $(K + n-1) * Δt$

流水线吞吐率

流水线吞吐率是衡量流水线性能的重要指标之一，它表示单位时间内流水线所能处理的指令数目，通常以每时钟周期执行的指令数目来衡量。流水线吞吐率越高，表示流水线能够更快地处理指令，从而提高了系统的性能和效率。

采用小学知识推导出计算公式：

吞吐率 = 吞吐量 / 吞吐耗时

所以根据上面的流水线执行时间公式（实践公式！！！），可得到吞吐率公式为：

$\frac{n}{(K + n-1) * Δt}$

其中 n 是指令条数。

拓展：最大吞吐率

采用高中知识，将 n趋近于无穷大，则 K 和 1 可以忽略不记，得到新公式：

$\frac{n}{nΔt}$ 约分可得： $\frac{1}{Δt}$

总结

掌握流水线概念和作用；
理解流水线技术在处理器中的应用逻辑（时空图）；
会计算流水线执行时间（理论公式、实践公式）、吞吐率、最大吞吐率。

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