流水線是指在程序執(zhí)行時(shí)多條指令重疊進(jìn)行操作的一種準(zhǔn)并行處理實(shí)現(xiàn)技術(shù)。各種部件同時(shí)處理是針對(duì)不同指令而言的，它們可同時(shí)為多條指令的不同部分進(jìn)行工作，以提高各部件的利用率和指令的平均執(zhí)行速度。
指令流水線是將指令執(zhí)行分成幾個(gè)子過(guò)程，每一個(gè)子過(guò)程對(duì)應(yīng)一個(gè)工位，我們稱為流水級(jí)或流水節(jié)拍，這個(gè)工位在計(jì)算機(jī)里就是可以重疊工作的功能部件，稱為流水部件。
如圖1所示，IF，ID，EX，WD分別是流水線的流水部件。
圖1 幾個(gè)部件組成的流水線
流水線要求所有的流水級(jí)部件必須在相同的時(shí)間內(nèi)完成各自的子過(guò)程。在流水線中，指令流動(dòng)一步便是一個(gè)機(jī)器周期，機(jī)器周期的長(zhǎng)度必須由最慢的流水級(jí)部件處理子過(guò)程所需的時(shí)間來(lái)決定。
那么我們?yōu)槭裁匆岢隽魉€這個(gè)概念，以及流水線是如何提高系統(tǒng)吞吐量的呢？下面我們來(lái)看幾個(gè)圖，概念自然就清楚了。
圖2是一個(gè)非流水線結(jié)構(gòu)系統(tǒng)執(zhí)行指令時(shí)空?qǐng)D。
圖2 非流水線結(jié)構(gòu)系統(tǒng)執(zhí)行指令時(shí)空?qǐng)D
我們從圖2中可以看到，任意一個(gè)系統(tǒng)時(shí)間都有大量的設(shè)備處于空閑狀態(tài)，如第一個(gè)時(shí)間段有ID，EX，WB空閑，則第二個(gè)時(shí)間段有IF，EX，WB空閑。我們?cè)賮?lái)看采用了流水線結(jié)構(gòu)的時(shí)空?qǐng)D3。
顯然，采用流水線可以大大提升系統(tǒng)資源的利用率，以及整個(gè)系統(tǒng)的吞吐量。
流水線的操作周期取決于基本操作中最慢的那個(gè)。例如：一個(gè)3段流水線，各段的執(zhí)行時(shí)間分別為t，2t，t。則最慢的一段為2t，所以流水線操作周期為2t。
流水線的執(zhí)行時(shí)間公式為：
第1條指令的執(zhí)行時(shí)間+（指令條數(shù)-1）*流水線操作周期
例題1
若每一條指令都可以分解為取指、分析和執(zhí)行三步。己知取指時(shí)間t取指＝4△t，分析時(shí)間t分析＝3△t，執(zhí)行時(shí)間t執(zhí)行＝5△t。如果按串行方式執(zhí)行完100條指令需要 （1） △t。如果按照流水方式執(zhí)行，執(zhí)行完100條指令需要 （2） △t。
供選擇的答案
（1）A. 1190 B.1195 C. 1200 D.1205
（2）A. 504 B.507 C. 508 D.510
試題分析
本題考查的是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)指令流水線方面的基礎(chǔ)知識(shí)。根據(jù)題意可以看到，在此流水線中按串行方式執(zhí)行完100條指令要用1200△t。采用流水方式執(zhí)行，執(zhí)行的總時(shí)間的關(guān)鍵取決于最長(zhǎng)的執(zhí)行時(shí)間，所以執(zhí)行完100條的時(shí)間為：4Δt＋3Δt＋5Δt＋（100－1）*5Δt = 507Δt。
試題答案
C B
例題2
現(xiàn)采用4級(jí)流水線結(jié)構(gòu)分別完成一條指令的取指、指令譯碼和取數(shù)、運(yùn)算，以及送回運(yùn)算結(jié)果4個(gè)基本操作，每步操作時(shí)間依次為60 ns，100 ns，50 ns和70 ns。該流水線的操作周期應(yīng)為 A ns。若有一小段程序需要用20條基本指令完成（這些指令完全適合于流水線上執(zhí)行），則得到第一條指令結(jié)果需 B ns，完成該段程序需 C ns。
在流水線結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)中，頻繁執(zhí)行 D 指令時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)器的效率。當(dāng)有中斷請(qǐng)求發(fā)生時(shí)，采用不精確斷點(diǎn)法，則將 E 。
供選擇的答案
A：①50 ②70 ③100 ④280
B：①100 ②200 ③280 ④400
C：①1400 ②2000 ③2300 ④2600
D：①條件轉(zhuǎn)移 ②無(wú)條件轉(zhuǎn)移 ③算術(shù)運(yùn)算 ④訪問(wèn)存儲(chǔ)器
E：①僅影響中斷反應(yīng)時(shí)間，不影響程序的正確執(zhí)行
②不僅影響中斷反應(yīng)時(shí)間，還影響程序的正確執(zhí)行
③不影響中斷反應(yīng)時(shí)間，但影響程序的正確執(zhí)行
④不影響中斷反應(yīng)時(shí)間，也不影響程序的正確執(zhí)行
試題分析
本題主要考查對(duì)流水線技術(shù)的掌握。
對(duì)于CPU來(lái)說(shuō)，流水線技術(shù)實(shí)際上是一種以增加硬件換取性能的方式：把一條指令分解成多條更小的指令，由不同的處理單元來(lái)處理，在理想的滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下，執(zhí)行一條指令的時(shí)間雖然沒(méi)有減少，但是由于多個(gè)處理單元同時(shí)工作，在同一時(shí)間上可以執(zhí)行不同指令的不同部分，從而使得總體的執(zhí)行時(shí)間大大減少。流水線的操作周期取決于基本操作中最慢的那個(gè)。這里最慢的是100 ns，所以操作周期是100 ns。在流水線中，其實(shí)每一條指令的執(zhí)行時(shí)間并沒(méi)有減少，而第一條指令的執(zhí)行并沒(méi)有體現(xiàn)流水線的優(yōu)勢(shì)，它在4個(gè)操作周期后才能執(zhí)行完成，這以后每個(gè)操作周期都能完成一條指令的執(zhí)行。
影響流水線效率的重要因素有條件轉(zhuǎn)移指令和中斷，因?yàn)樗鼈兇驍嗔肆魉€，使得流水線不得不重新裝載。
不精確斷點(diǎn)法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但是要等到流水線內(nèi)的指令完成之后再響應(yīng)中斷。
試題答案
A．③ B．④ C．③ D．① E．②
希賽IT教育專家提示：
上面的兩個(gè)例題，都是軟考當(dāng)中出現(xiàn)過(guò)的真題。我們可以看出，兩個(gè)題在計(jì)算流水線時(shí)間方面，標(biāo)準(zhǔn)并不是統(tǒng)一的。
在例題1中：
4Δt＋3Δt＋5Δt＋（100－1）*5Δt = 507Δt。
而在例題2中：
100ns+100ns+100ns+100ns+（20－1）*100ns=2300ns
這兩種計(jì)算方法，都是在套用公式：“第1條指令的執(zhí)行時(shí)間+（指令條數(shù)-1）*流水線操作周期”，而對(duì)于“第1條指令的執(zhí)行時(shí)間”的理解并不相同。在例題1中，第1條指令的執(zhí)行時(shí)間是將指令執(zhí)行時(shí)的幾個(gè)階段所需時(shí)間相加得到，而在例題2中，認(rèn)為每一個(gè)階段所需時(shí)間都是流水線的周期時(shí)間。其中前者是流水線的理論計(jì)算方法，而后者是我們?cè)谠O(shè)計(jì)硬件流水線時(shí)，常用的方式。兩種計(jì)算方法，從理論上來(lái)講，都是正確的，但考試時(shí)，只有一個(gè)是正確答案。那么我們應(yīng)該怎么做呢？由于每次考試中，無(wú)論認(rèn)可的是哪種計(jì)算方式，都只會(huì)把這種計(jì)算方式的正確答案放入選項(xiàng)中，而不會(huì)將兩個(gè)正確答案都放入，所以我們?cè)谟靡环N方式不能得到正確選項(xiàng)時(shí)，應(yīng)采用另一種方式進(jìn)行計(jì)算，來(lái)得到正確答案。