易学笔记-系统分析师考试-第6章系统配置与性能评价/6.5 流水线技术/6.5.1 流水线工作原理

增加计算机性能的主要途径

空间并行性：一个处理机内设置多个独立的操作部件并行工作
时间并行性：采用流水线技术实现

流水线工作原理

流水线技术概念：
1. 把一个任务分解为多个顺序执行的子任务，不同的子任务由不同的操作部件并行执行
2. 任一任务在任何时间只占用一个操作部件
时空图
1. 概念：流水线技术实现手段
2. 举例：有3个待执行的指令，分别用1,2,3表示，每一个指令执行都分为三个部分：取值、分析和执行
  1. 非流水线（顺序执行）技术时空图
  2. 流水线技术时空图
    2. 分析：
流水线的特点
1. 要求任务是连续不断的
  1. 总时间 = 装入时间（第一个指令到流出第一个结果）+ 执行时间 + 排空时间（最后一个指令执行完成）
2. 在流水线每个操作部件的后面都有一个缓冲寄存器
  1. 缓冲寄存器用于保存当前阶段执行结果，以保证各部件之间的速度匹配和独立运行
3. 流水线把一个大的操作部件分解为多个独立的操作部件
  1. 要求各个独立部件执行的时间尽量相等，执行时间最长的将成为流水线瓶颈
流水线的分级
1. 操作部件级
  1. 将复杂的算术和逻辑运算组成流水线方式
  2. 举例：浮点加法操作 = 求阶差 + 对阶 + 尾数相加 + 结果规格化
2. 指令级
  1. 将一个执行分解成多个阶段并行执行
  2. 举例：指令执行分解为：取指、分析、执行
3. 处理机间级
  1. 不同处理机之间按流水线串行工作，其中每一个处理机负责专门任务，上一个处理机的处理结果放在下一个处理机的存储器中
流水线的分类
1. 按功能划分
  1. 单功能流水线：只实现固定的功能，例如浮点加法器
  2. 多功能流水线
    1. 根据不同的连接方式可以实现多个功能
    2. 对资源利用率高，灵活性好
    3. 实现比单功能复杂
2. 按工作方式划分
  1. 静态流水线
    1. 同一个时间内只能按一种连接方式执行
    2. 连接方式不能频繁变换
  2. 动态流水线
    1. 从一个连接方式切换到另外一个连接方式时，需先排空当前流水线再初始化下一个流水线
3. 按连接方式划分
  1. 线性流水线
    1. 从输入到输出，每一个功能只允许处理一次，不存在反馈回路
    2. 通常只完成一个固定的功能
  2. 非线性流水线
    1. 从输入到输出，每一个功能可能多次经过流水线
    2. 通常用于递归调用或者多功能流水线

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