深入理解计算机系统 4.4 流水线的通用原理

流水线化的一个重要特性就是提高了系统的吞吐量(throughput)，也就是单位时间内服务的顾客总数，不过它也会轻微地增加延迟(latency)，也就是服务一个用户所需要的时间。例如，自助餐厅里的一个只需要甜点的顾客，能很快通过一个非流水线化的系统，只在甜点阶段停留。但是在流水线化的系统中，这个顾客如果试图直接去甜点阶段就有可能招致其他顾客的愤怒了。

4.4.1 计算流水线

让我们把注意力放到计算流水线上来，这里的“顾客”就是指令，每个阶段完成指令执行的一部分。图 4-32a给出了一个很简单的非流水线化的硬件系统例子。它是由一些执行计算的逻辑以及一个保存计算结果的寄存器组成的。时钟信号控制在每个特定的时间间隔加载寄存器。CD播放器中的译码器就是这样的一个系统。输入信号是从D表面读出的位，逻辑电路对这些位进行译码，产生音频信号。图中的计算块是用组合逻辑来实现的，意味着信号会穿过一系列逻辑门，在一定时间的延迟之后，输出就成为了输入的某个函数。

 在现代逻辑设计中，电路延迟以微微秒或皮秒(picosecond，简写成“ps”)。在这个例子中，我们假设组合逻辑需要300ps，而加载寄存器需要20ps。图 4-32还给出了一种时序图，称为流水线图(pipeline diagram)。在图中，时间从左向右流动。从上到下写着一组操作(在此称为I1、I2和I3)。实心的长方形表示这些指令执行的时间。这个实现中，在开始下一条指令之前必须完成前一个。因此，这些方框在垂直方向上并没有相互重叠。下面这个公式给出了运行这个系统的最大吞吐量: