软考——流水线技术与案例分析

流水线

特点

并行化处理，提高运行效率，提高吞吐量；优化指令执行流程，减少耗时；减少冲突，提升稳定性；多发射处理数据，在同一周期内发射多条指令，提高设备并行处理能力

周期与执行时间

周期

指令的执行过程分为三个阶段——取指、分析、执行

流水线的周期 = MAX(取指时间, 分析时间, 执行时间)

执行时间

有以下两个公式进行使用，根据上图可以非常快得出

理论公式：指令全部的执行时间 + (n - 1) × 流水线周期，其中n为指令条数

实践公式：(K + N - 1) × 流水线周期。其中K为工序数（即流水线的阶段数），N为指令条数

吞吐率计算

吞吐率是衡量流水线性能的重要指标，它表示在单位时间内流水线所能完成的任务数量

计算公式为：吞吐率 = 指令条数 / 流水线执行时间

公式通俗易懂就是结合定义

最大吞吐率=1/周期

实际吞吐率可表示为

n/(m+(n−1))*周期（n为命令数，m为流水线阶数）

流水线加速比

流水线的速度与功能的非流水线的速度之比
完成n条指令在m段流水线上共需(m+(n−1))倍的周期
完成n条指令在等效的非流水线上共需 n*m倍的周期 

则加速比等于两者像除

流水线效率计算

同时还有一个参数也能评估流水线指标，那就是效率

效率 = (流水线周期数 - 空闲周期数) / 流水线周期数

例题