软件流水线技术 流水线技术

发布日期：2020-11-11

请问什么是流水线技术？

为提高处理器执行指令的效率，把一条指令的操作分成多个细小的步骤，每个步骤由专门的电路完成。

举个例子： 例如一条指令要执行要经过3个阶段：取指令、译码、执行，每个阶段都要花费一个机器周期，如果没有采用流水线技术，那么这条指令执行需要3个机器周期；如果采用了指令流水线技术，那么当这条指令完成“取指”后进入“译码”的同时，下一条指令就可以进行“取指”了，这样就提高了指令的执行效率。

指令步骤的并行。

常见的六级流水线将指令流的处理过程划分为取指、译码、计算操作数地址、取操作数、执行指令、写操作数等几个并行处理的过程段。

这就是指令6级流水时序。

在这个流水线中，处理器有六个操作部件，同时对这六条指令进行加工，加快了程序的执行速度。

目前，几乎所有的高性能计算机都采用了指令流水线。

关于流水线技术有哪些类型？

1、按处理级别分类： 操作部件级：是在实现比较复杂的运算时候采用； 指令级：是将一条指令执行过程分为多个阶段； 处理机级：是每个处理器完成其相应的任务。

2、按完成的功能分类： 单功能只完成一种如乘法或浮点运算等，一般用于数字信号处理器（DSP），各处理器可并行完成各自的功能，加快整机处理速度。

而多功能流水线是在不同情况下可以完成不同功能的流水线技术。

3、按制造结构分类： 线性流水线是指各个功能模块按照顺序串行连接，无反馈回路。

而非线性流水线则是带有反馈回路的流水线。

4、按处理对象分类： &nsp; &nsp； 标量是指一般数据，而向量流水线则是矢量数据。

例如：X+Y=Z每一个代表一维数据。

5、按连接方式分类： &nsp; &nsp； 静态流水线是在同一时间内，多功能结构只能按一种功能的连接方式工作。

而动态流水线则是同一时间内，可以有多种功能的连接方式同时工作。

流水线技术怎么样提高处理器的性能？

1. 原理流水线是一种在时间上串行，在空间上并行的技术，其基本原理如图1所示。

将整个电路划分为若干个流水线级，流水线每级之间设置寄存器锁存上一级输出的数据；每一级只完成数据处理的一部分；一个时钟周期完成一级数据处理，然后在下一个时钟到来时将处理后的数据传递给下一级；第一组数据进入流水线后，经过一个时钟周期传到第二级，同时第二组数据进入第一级，数据队列依次前进。

每组数据都要经过所有的流水级后才能得到最后的计算结果，但是对整个流水线而言，每个时钟都能计算出一组结果，所以平均计算一组数据只需要一个时钟周期的时间，这样就大大提高了数据处理速度，电路在单位时间内处理的数据量就愈大，即电路的吞吐量就越大，保证整个系统以较高的频率工作。

2. DSP中采用流水线技术的优势(1)采用流水线技术普遍比不用流水线工作速度显著提高，体现流水线技术在高速DSP运算上的优势。

(2)采用流水线技术在资源耗用（逻辑单元与寄存器个数、存储器位数）上有所增加。

(3)采用不同的流水线级数在速度指标和资源耗用率上有所不同，流水线级数增加，速度指标不一定增加，但资源耗用大大增加，所以应注意速度和资源耗用指标的权衡。

如对16位加法器，如不用M4K（专用存储器资源），以采用2级流水线最佳；如选用M4K，则取6级流水最佳。

8位乘法器则以2级或6级流水最佳。

对于其他DSP运算，在设计时必须通过反复比较、设计，选择符合系统性能要求的流水线级数。

RISC采用流水线技术,大部分指令在“一个时钟周期”内完成？？

流水线技术是一种将每条指令分解为多步，并让各步操作重叠，从而实现几条指令并行处理的技术。

程序中的指令仍是一条条顺序执行，但可以预先取若干条指令，并在当前指令尚未执行完时，提前启动后续指令的另一些操作步骤。

这样显然可加速一段程序的运行过程。

市场上推出的各种不同的1 6位/ 3 2位微处理器基本上都采用了流水线技术。

如8 0 4 8 6和P e n t i u m均使用了6步流水线结构，流水线的6步为： ( 1 ) 取指令。

C P U从高速缓存或内存中取一条指令。

( 2 ) 指令译码。

分析指令性质。

( 3 ) 地址生成。

很多指令要访问存储器中的操作数，操作数的地址也许在指令字中，也许要经过某些运算得到。

( 4 ) 取操作数。

当指令需要操作数时，就需再访问存储器，对操作数寻址并读出。

( 5 ) 执行指令。

由A L U执行指令规定的操作。

( 6 ) 存储或＂写回＂结果。

最后运算结果存放至某一内存单元或写回累加器A。

在理想情况下，每步需要一个时钟周期。

当流水线完全装满时，每个时钟周期平均有一条指令从流水线上执行完毕，输出结果，就像轿车从组装线上开出来一样。

P e n t i u m、Pentium Pro和Pentium II处理器的超标量设计更是分别结合了两条和三条独立的指令流水线，每条流水线平均在一个时钟周期内执行一条指令，所以它们平均一个时钟周期分别可执行2条和3条指令。

流水线技术是通过增加计算机硬件来实现的。

例如要能预取指令，就需要增加取指令的硬件电路，并把取来的指令存放到指令队列缓存器中，使M P U能同时进行取指令和分析、执行指令的操作。

因此，在1 6位/3 2位微处理器中一般含有两个算术逻辑单元A L U，一个主A L U用于执行指令，另一个A L U专用于地址生成，这样才可使地址计算与其它操作重叠进行。