IC设计知识2-流水线技术

---

前言

通过慕课学习整理了CPU中的流水线技术，记录学习点滴。

---

一、流水线原理

1.指令的串行执行

a. 假设指令的执行分为2各阶段：取指令和执行指令，其中取指令由取指令部件完成，执行指令由执行指令部件完成；在这个过程中，无论是取指令还是执行指令，都有一个部件是空闲的，那么这样效率没有达到最高，所以需要优化。

2.指令的二级流水

a. 把取指和执行两个指令并行起来，提高系统的工作效率；
b. 取指令部件执行取指令1，这个时候执行部件一定是空闲的，接下来执行部件执行指令1，这个时候取指令部件是空闲的，那么执行取指令2，当执行部件执行完指令1后，执行部件空闲，接着执行指令2，依次类推。
这里采用了指令预取技术，也就是说，当前指令还没有执行完，但是下一条指令已经在取指了；
c. 如果取指和执行阶段在时间上完全重叠，那么理论上就可以把执行速度提高到原来的2倍；

3.指令的六级流水

设指令的执行分六个阶段：
(1) 取指：指令的读取；
(2) 译码：分析指令的功能；
(3) 计算操作数地址：计算操作数的地址以便后续读取；
(4) 取数；
(5) 执行：完成指令的主要功能；
(6) 写回：把运算的结果写回到寄存器中

图中横向格表示时间，纵向格表示每一条指令的执行过程，14各周期就可以执行完9条指令，且在第6个时间单位之后，每个时间单位执行完一条指令；

4.影响指令流水效率加倍的因素

(1) 执行时间&g