【中级软考—软件设计师】1计算机组成与体系结构1.6流水线技术【****】：1.6.1流水线技术

掌握：相关参数计算，以及一些理论知识【一般在上午题当中，分值：1-2分】

• 【掌握的概念】可同时执行多条指令——执行的过程是在多个子部件上进行的，叫做准并行技术
• 【掌握的概念】提高各子部件的利用率
• 【掌握的概念】提高每条指令的执行效率，压缩了平均执行时间
• 什么是流水线建立时间
• 什么是流水线周期
• 流水线执行时间计算
  • 流水线执行时间的理论公式【默认使用】——学会提取公因式的小技巧
  • 流水线执行时间的实践公式【额外】
• 流水线吞吐率和最大吞吐率的计算

流水线技术【第一章当中比较重要的【计算题型】】

• 本身是指令执行的一种实现过程——在这个过程当中对指令的执行效率和设备的利用率有很大的提高。

流水线——概念

相关参数计算

掌握：流水线执行时间计算和流水线吞吐率

• 其他俩个都在高级中涉及

有效例子—坐车

以前：

• 先轮胎工作人员做轮胎，做完底盘工作人员再做底盘，做完车身工作人员在做车身，最后玻璃工作人员做玻璃。——轮胎工作人员工作的时候，其他工作人员在休息

现在：

• 一个部件做完另一个跟着做——其中一环出现问题可能整体瘫痪【但是机器不会休息】

概念

多条指令重叠进行操作

• 在同一个时刻，可以允许三条指令同时进行【针对的是不同指令在不同的子部件或者硬件上面】

准并行处理

• 真正的并行是指：三条指令同时进行取指，分析和执行
• 流水线并没有齐头并进，所以称为准并行
• 注：串行——就是顺序执行的过程

流水线的优势
指令的平均执行速度提高

• 原来9ms，现在5ms

各部件的利用率提高

• 针对每一个部件，原本空闲碎片很多，现在利用起来了

流水线——流水线执行时间计算

n条指令划分成1条指令和n-1条指令两个部分

• 1条指令执行时间就是本身的时间——称为流水线建立时间
• n-1条指令每隔一个时间片段(叫做：流水线周期)，n-1条指令合称——流水线排空时间

流水线周期为执行时间最长的一段

• 例子：每个步骤都是1ms，所以流水线周期为1ms
• 例子：每个步骤分别是3,4,5ms，则流水线周期为5ms

流水线的计算公式——流水线执行时间计算

1条指令执行时间+（指令条数-1）*流水线周期

• 理论公式【考试默认用】：(t1 + t2 +...+tk) + (n - 1) * t
  • 注：一条指令的执行时间分为k份，最后面的t是t1-tk中最大值
• 实践公式【当理论公式算完没有正确答案的时候使用】：k * t + (n - 1) * t
  • 注：将每一段都扩大到最长的执行时间(流水线周期t)，划分为多少段k就等于几
  • 这个算出来的会比理论公式大【留出来冗余部分】
• 两者区别：流水线建立时间

例子——流水线执行时间计算

• 答案：90,4，45
• 计算也可以使用提公因式的方法，简便运算：3 + 2 + 10 * 4【掌握技巧】
  
• 如果答案中没有45这个选项，就选用带入实践公式来计算【(3 * 4) + (10 - 1) * 4 = 48】

理论公式和实践公式的对比

• 区别在于：流水线建立时间
• 默认使用理论公式，找不到答案再用实践公式

流水线——流水线吞吐率和最大吞吐率的计算

举例：某一个港口的年吞吐率——就是指一年内流通的数量【指的是某一个时间段的任务数】

流水线最大吞吐率

• 流水线最大吞吐率其实就是流水线周期的倒数

• 求取过程【了解即可】
• 其中n是主要变量，(k - 1)是个常数，当n无限大时，可以忽略(k - 1)

例题——求流水吞吐率和最大吞吐率

• 答案：10/45△t，1/4△t

例题讲解

流水线概念问题

• 选A
• 【掌握的概念】可同时执行多条指令——执行的过程是在多个子部件上进行的，叫做准并行技术
• 【掌握的概念】提高各子部件的利用率
• 【掌握的概念】提高每条指令的执行效率，压缩了平均执行时间

流水线计算问题—理想公式

• 拓展：实际公式
  • (3 * 4) + (100 - 1) * 4
• 拓展：计算吞吐率
  • 100 / 405△t
• 拓展：计算最大吞吐率
  • 1 / 4△t