計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)——流水線技術(shù)

1、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)清清流水線技術(shù)、流水線的基本概念為了對計(jì)算機(jī)技術(shù)中的流水線有清晰的認(rèn)識(shí)，我們先來看一個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)流水線的例子。某產(chǎn)品的生產(chǎn)需要4道工序，該產(chǎn)品生產(chǎn)車間以前只有一個(gè)工人，一套生產(chǎn)該產(chǎn)品的機(jī)器。該工人工作8小時(shí)，可以生產(chǎn)120件產(chǎn)品?，F(xiàn)在車間負(fù)責(zé)人希望將產(chǎn)品日產(chǎn)量提高到480件。最簡單的方法是，再雇傭3名工人，購進(jìn)3套機(jī)器設(shè)備。但我們可以看到另一種更加節(jié)約開支的方法：將原來的生產(chǎn)過程按照4道工序分離開來，使得每道工序用時(shí)1分鐘；這時(shí)4名工人每人可以負(fù)責(zé)一道工序，如此工作8小時(shí)。從圖中可以直1LJnMl.:1MlI-.i.-重復(fù)了480次某道工序，綜合4名工人的工作成果，就這類流水線工作

2、的主要特點(diǎn)是:：每件產(chǎn)品的單位加工時(shí)間不變，但是將操作時(shí)間重疊，是生產(chǎn)了480件產(chǎn)品。得每件產(chǎn)品的產(chǎn)出時(shí)間縮短。我們可以將這類例子引申到計(jì)算機(jī)技術(shù)中。例如，將一條指令的解釋過程分解為“分析”和“執(zhí)行”兩個(gè)子過程。這兩個(gè)子過程在獨(dú)立的部件上實(shí)現(xiàn)。指令分析器不必等待指令執(zhí)行完成后才讀入下一條指令，只需要完成“分析”這個(gè)子過程，并將結(jié)果送入執(zhí)行器去“執(zhí)行”時(shí)，就可以讀入下一條指令。假設(shè)兩個(gè)子過程的用時(shí)相同，那么處理器的速度將會(huì)提高一倍。所謂流水線技術(shù)，是指將一個(gè)重復(fù)的時(shí)序過程分解成為若干個(gè)子過程，而每一個(gè)子過程都可有效地在其專用功能段上與其他子過程同時(shí)執(zhí)行。流水線技術(shù)具有如下特點(diǎn)：流水線過程由多個(gè)相

3、互關(guān)聯(lián)的子過程組成，每個(gè)子過程稱為流水線的“級(jí)”或“段”。流水線的段數(shù)可以稱為流水線的“深度”或“流水深度”。各個(gè)功能段所需時(shí)間應(yīng)盡量相同，可以避免流水線的“堵塞”和“斷流”，這個(gè)時(shí)間一般為一個(gè)時(shí)鐘周期或機(jī)器周期。流水線需要有“通過時(shí)間”（第一個(gè)任務(wù)流出結(jié)果所需的時(shí)間），在此之后流水過程才進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)，即每一個(gè)時(shí)鐘周期產(chǎn)生一個(gè)“結(jié)果”。流水技術(shù)適合于大量重復(fù)的時(shí)序過程，只有輸入端能連續(xù)地提供任務(wù)，流水線的效率才會(huì)充分發(fā)揮。、流水線的分類般來說流水線可以分為如下幾種類型。1、單功能流水線和多功能流水線這是按照流水線所完成的功能來劃分的。所謂單功能流水線指的是只能完成一種固定功能的流水線。要完

4、成多種功能，可采用多個(gè)單功能的流水線。而多功能流水線，指的是流水線的各段可以進(jìn)行不同的連接，從而使流水線在不同時(shí)間或者同一時(shí)間完成不同的功能。例如下圖(a)所示的TlASC的運(yùn)算器就是多功能的流水線，它由8段組成，進(jìn)行浮點(diǎn)加、減運(yùn)算時(shí)，各段連接如圖(b)，進(jìn)行定點(diǎn)乘法時(shí)連接如圖(c)所示。這樣不同類型的操作也可以進(jìn)行流水處理。然而動(dòng)態(tài)流水線對于控制的要求是很高的。目前絕大多數(shù)的流水線是靜態(tài)流水線。從下圖給出的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)流水線的時(shí)空圖，可以清晰地看到兩種流水方式的不同。123|nTIri1tln丄3-irlEl123-V1-nrlft1213n-l1153n-11二:1n-1a-丄sT&4321

5、3、部件級(jí)、處理機(jī)級(jí)及處理機(jī)間流水線這是按照流水的級(jí)別來進(jìn)行分類的。部件級(jí)流水線，叫運(yùn)算操作流水線，它是把處理機(jī)的運(yùn)算邏輯部件分段，使得各種數(shù)據(jù)類型的操作能夠進(jìn)行流水。處理機(jī)級(jí)流水線，又叫指令流水線，它是把解釋指令的過程按照流水方式處理。處理機(jī)要處理的主要時(shí)序過程就是解釋指令的過程。按照流水方式進(jìn)行，可以使處理機(jī)重疊地解釋多條指令。處理機(jī)間流水線，又叫宏流水線。它是由兩個(gè)以上的處理機(jī)串行地對同一數(shù)據(jù)流進(jìn)行處理，每個(gè)處理機(jī)完成一項(xiàng)任務(wù)。4、標(biāo)量流水處理機(jī)和向量流水處理機(jī)這是按照數(shù)據(jù)的表示來進(jìn)行分類的。標(biāo)量流水處理機(jī)指的是，處理機(jī)不具有向量數(shù)據(jù)的表示，僅對標(biāo)量數(shù)據(jù)進(jìn)行流水處理。類似的，向量流水處理機(jī)指的是，處理機(jī)具有向量數(shù)據(jù)的表示，通過向量指令對向量的各元素進(jìn)行處理。5、線性流水線和非線性流水