null第3章 基本流水线技术(Pipeline，P53)
（指令级，顺序执行）第3章 基本流水线技术(Pipeline，P53)
（指令级，顺序执行） 本章学习处理机在执行指令过程中使用的流水加速技术。主要内容有流水技术的分类、MIPS流水线、性能指标计算、相关等。
不含向量指令的计算机称为标量计算机，含有向量指令的计算机称为向量计算机。本章学习标量流水线，第4章学习向量流水线。
标量计算机的流水技术属于指令级并行技术，向量计算机同时使用指令级、操作级并行技术。
流水处理方式的特征，是让多个依次启动的任务，同时使用系统的不同部件，通过时间重叠来提高处理速率。这种技术理论上不增加成本。
每条指令的处理过程，可以划分为取指、译码、取数、运算、送结果5个子过程，也可以分得更细或更粗一些。划分的原则是各部分时间长度大致相等、并使用CPU中不同的部件，这样才有利于多个子过程重叠处理。3.1 流水线的概念3.1 流水线的概念 CPU中的各个部件按流水处理顺序连接起来，就称为一条流水线。
3.1.1 流水线工作原理
处理机解释程序的方式有顺序方式、流水方式等。
顺序方式是解释完一条指令再开始解释下一条；
流水方式是把一个重复的过程分解为若干个子过程，每个子过程可以与其它子过程同时进行，以此提高单位时间内解释指令的数目。
下图是流水线结构图(P54) 流水线工作时空图(P54) 流水线工作时空图(P54)3.1.2 流水技术的分类(P55)3.1.2 流水技术的分类(P55) 线性/非线性：
部件级/处理机级/处理机间级（宏流水线） ：
单功能/多功能：
静态/动态：
标量/向量：
同步/异步：
顺序/乱序：主整数单元(load、store、整数ALU、分支)
浮点与整数乘法器
浮点加法器(浮点加、减、转换)
浮点与整数除法器
图3.3 MIPS的4条单功能流水线演示程序：
DMUL R1,R2,R3
DMUL R4,R5,R6
SUB.D F1,F2,F3
SUB.D F4,F5,F6
LD R1,0(R0)3.2 流水线性能指标计算(P58)3.2 流水线性能指标计算(P58) 3.2.1 吞吐率TP
(1) 实际吞吐率（TP ─── ThroughPut）指流水线在单位时间内执行的任务数，可以用输入任务数或输出任务数
表
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示。
其中n是任务数， 是流水方式下总时间。
当满足 条件时，有 ，其中k是段数。
(2) 最大吞吐率TPmax是n→∞情况下，只考虑流水线“满载”运行期间在单位时间内执行的任务数。“瓶颈”问
题
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及其解决
方法
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(P59)“瓶颈”问题及其解决方法(P59)(1)瓶颈：瓶颈就是Δti最大的段，它使流水线“流速”减慢（P59第3行）。
S1 S2 S3 S4
Δt 3Δt Δt Δt
(2)方法1：细分 ─── 将瓶颈设备再细分为下一级流水线（P59）。
S1 S2a S2b S2c S3 S4
Δt Δt Δt Δt Δt Δt
(3)方法2：设备重复 ─── 将瓶颈设备重复设置多套，轮番接受任务）。 S2a
3Δt
S1 S2b S3 S4
Δt 3Δt Δt Δt
S2c
注意两种方法的时空图不同。 3Δt对“设备重复”的
分析
定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析
对“设备重复”的分析 “设备重复”方法对“瓶颈”段的投入与产出倍数相同，局部性能/价格比没有改善（本例局部变化率为3/3=1），但是整条流水线的性能也提高了相同的倍数，所以性能/价格比就提高了（本例全局变化率为3/1.5=2）。这也是Amdahl定律（加快最费时间的事件）的一个具体应用。3.2.2 加速比(即吞吐率之比)3.2.2 加速比(即吞吐率之比)其中 To 是顺序方式下总时间（Told），3.2.3 效率（设备利用率）3.2.3 效率（设备利用率）
段效率： ， 各段平均效率：
其中 表示第i段设备量占整条流水线全部设备量的百分比。
当满足 条件（即“等长”、“等权”）时，有：上式指出，S=E×k，就是说当效率达到100%时，流水方式（每个Δt完成一个任务）吞吐率为顺序方式（每k个Δt完成一个任务）的k倍。例3.1(P62)例3.1(P62)分析：已知下列表达式，静态二功能，有切换，有相关，k = 8，n = 7。要求用最少切换、最少相关算法。
Z = (A1+B1)(A2+B2)(A3+B3)(A4+B4)
加法： ① ② ③ ④
乘法： ⑤ ⑥
乘法： ⑦
时空图见
教材
民兵爆破地雷教材pdf初中剪纸校本课程教材衍纸校本课程教材排球校本教材中国舞蹈家协会第四版四级教材
图3.11，算式见P62倒数第3行。
例3.2(P62)
（自学）例3.3（张晨曦2版P85例3.2）例3.3（张晨曦2版P85例3.2）已知：一条流水线，CYCLE顺序=10ns，CYCLE流水=11ns，各指令的时钟周期数见右表。求最大加速比。解：
题目未给出指令总数n，表示n=∞，这时TP达到TPmax
定义每条指令延迟时间TPI=CPI×CYCLE
最大加速比公式Smax=TPmax流水/TPmax顺序=TPImax顺序/TPImax流水
TPI顺序=CPI顺序×CYCLE顺序=(4×40%+4×20%+5×40%)×10ns=44ns
TPI流水= MAX{Δti}=CYCLE流水=11ns（从公式3.7转）
代入公式得：最大加速比Smax=44ns/11ns=4倍例3.4（张晨曦2版P85例3.3）例3.4（张晨曦2版P85例3.3）已知：一条RISC流水线，各段时间如右表（单位ns），求最大加速比。解：
题目同样未给出指令总数n，同样使用最大加速比公式Smax=TPImax顺序/TPImax流水
TPI顺序=(10+8+10+10+7)ns=45ns
TPI流水= MAX{Δti}=11ns（从公式3.7转）
代入公式得：最大加速比Smax=45ns/11ns≈4.1倍作业3（第3次课）作业3（第3次课）各次作业应交的内容3.8
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