指令流水线
流水线指令
如果可以一个重复的过程分解成若干个子过程，每个子过程可以和其他的子过程并行；
一条指令的执行可以分成多个阶段，根据计算机的不同，具体的分法也不同；
例如之前总结的一个指令的执行可能分成如下几个阶段
-
取址阶段
-
间址阶段
-
执行阶段
-
中断阶段
举个例子，某个指令执行3个阶段，每个阶段执行都是时间t，执行n次 顺序执行： 3*n*t 一次重叠执行 t + 2*n*t 二次重叠执行：2t + n*t
流水线方式的特点：
- 把一个任务分解成几个有联系的子任务，每个子仍无都是一个专门的功能部件来执行； 多个部件并行来缩短时间；
- 每个部件都要有一个缓冲寄存器，锁存器，用来保存流水线执行的指令结果；
- 各个功能端尽量时间相等，否则会引起堵塞，断流；
- 同一类任务，连续任务
5.流水线有装入时间和排空时间，第一个任务进入到流水线道输出流水线的时间，排空时间是最后一个任务进入到排除流水线的时间；
根据不同的分类方式，流水线可以分成如下的不同种类：
部件级别流水线：算术逻辑运算，例如浮点数加法-> 求阶差，对阶，尾数相加，规格化 4个流程
处理器级别的流水：取指，译码，执行，访存，写回
处理间级别的流水：宏流水，每个处理机都完成一个单独的任务，结果存放在下一个处理器共享的储存器中
按照功能种类分
单功能流水：只能使用一种固定专门功能的流水线；
多功能流水：不同连接方式可以同时或者不同时实现多种功能的流水线；
按照各个段之间的连接方式
动态流水线：各段只能同一种功能连接方式工作
静态流水线：某些段某种运算时，另一些段进行另一种运算
按照是否有反馈信号
线性流水线： 从输入到输出每个段只允许经过一次，不存在反馈回路
非线性流水线：存在反馈回路，某些段数次通过流水线，线性递归运算
流水线性能指标
-
流水线吞吐率
单位时间内流水线完成的任务数量； TP = n/Tk； 对于理想的流水线时间 Tk=(k+n-1)dT -
流水线的加速比
不使用流水线的时间和使用流水线的时间比值 S=T0/Tk 对于理想的流水线作业 S=kn/(k+n-1);
3.流水线的效率
E=n个任务占用的时空有效面积/n个任务所用的时间和k个流水段围成时空区总面积；
影响流水线性能的因素
-
多条指令在同一时刻真多资源而形成的冲突叫做资源冲突
-
相关问题：相邻指令间存在关联，使得流水线停顿：
2.1 数据冲突（数据冒险） 下一条指令会用到这一条指令的结果，数据冒险指令，如果多条指令重叠会出现冲突； 1）后续指令暂停一到两个时钟周期，硬件阻塞stall软件插入NOP方法； 2）专用通路，不写回寄存器直接结果作为输入数据，数据旁路技术 3）指令编译优化，调整指令顺序 2.2 控制冲突（控制冒险） 指令在确定下一条指令位置，例如发生转移调用返回等会改变PC值，造成断流 1）分支预测，今早生成转移目标地址，静态预测动态预测； 2）预取转移成功或者不成功的目标指令 3）加快提前形成条件码 4）提高转移方向的猜准率 cache缺失处理过程也会造成流水线阻塞
超标量流水线
-
超标量流水线技术
每个时钟周期并发多个独立指令，用并行的操作方式将两条或者多条指令编译并执行；需要多个功能部件 -
超流水线技术
在一个时钟周期内，一个功能部件使用多次，不调整执行顺序，编译程序解决优化问题 -
超长指令字：
挖掘出指令间潜在的并行性，多个指令组合成一条具有多个操作码字段的超长指令字(多达几百位)，需要多个处理部件
