软考知识点6：流水线技术

## 考点

软考中关于计算机流水线技术出题方式一般有两种：

1. 概念性理论知识题目；
2. 流水线相关参数计算题目。

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## 流水线技术概念

- **基本概念**：流水线是将一个复杂的任务分解成一系列简单的子任务，并将它们按照顺序依次执行的处理方式。在计算机中，流水线将指令执行过程划分为多个阶段，如取指令、译码、执行、访存和写回等。
- **流水线的优势**：提高指令执行速度、提高系统吞吐量、提高资源利用率等。
- **流水线的工作原理**：流水线的工作原理类似于工厂中的生产线，将一个复杂任务划分成多个简单的子任务，并在多个工作站上并行执行。

### 处理器应用

在处理器中，流水线技术被广泛应用于指令执行过程中：处理器会将指令执行过程分解成取指、译码、执行、访存和写回等多个阶段，并将这些阶段连接起来形成一个流水线。这样，在同一时刻，处理器可以同时执行多条指令的不同阶段，从而提高了指令执行的效率。

PS：计算机中流水线技术并不是真的并行，而是伪并行，因为取指、译码、执行三个步骤还是需要串行执行，计算机中的流水线技术只不过是在第一条指令没有执行完之前，就已经开始了第二条指令的取指、译码。

## 参数计算

可能涉及到的相关参数计算：
- 流水线执行时间
- 流水线吞吐率
- 流水线加速比
- 流水线效率

其中需要重点了解的参数是 `流水线执行时间` 和 `流水线吞吐率` 。

### 流水线执行时间

将指令的执行过程，抽象为空图，大概是这个样子：

|时间|1|2|3|4|5|6|7|8|
|--|-|-|-|-|-|-|-|-|
|取指|c1|c2|c3|…|c·n||||
|译码||c1|c2|c3|…|c·n|||
|执行|||c1|c2|c3|…|c·n||
|其他||||c1|c2|c3|…|c·n||

上面的时空图我们将一条指令的执行过程分成了四个步骤，根据时空图可以推导出流水线执行 `n` 条指令的理论执行时间是：`一条指令的耗时` + `(n-1)*流水线周期`。以上面的时空图为例，可以推出理论公式：$$(t1+t2+t3+t4) + (n-1) * Δt$$

其中：`t1+t2+t3+t4` 分别是一条指令对应的`取指、译码、执行、其他`所需时间；`Δt`是流水线周期。

> **流水线周期**：由时空图可知，一条指令的结束时间和上一条指令的结束时间中间有个差值，也就是 `c2` 的结束时间和 `c1` 的结束时间的差值。为了便于计算，我们假设所有指令的耗时相同，将最长耗时的步骤作为两条指令结束时间的差值，然后假设所有指令的结束时间差值都是一样的，将其称为 **流水线周期**。

- 例题

问：一条指令的执行过程分为三部分：取指、译码、执行，他们分别耗时：3s、3s、4s；采用流水线方式执行100条指令的总耗时是多少？这条流水线的流水线周期是多少？

> 解题思路：指令执行分为三步，最长的一步耗时为 `4s`，一般将最长的耗时看作流水线周期，所以流水线周期是 `4s`，然后代入公式可以计算出 `N` 条指令的总耗时。
> 
> 总耗时 = `(3 + 3 + 4) + (100 -1) * 4` = `406s`  
> 流水线周期 = `4s`

#### 拓展：实践公式

关于计算流水线执行时间的题目，我们一般才用上面的公式就足够了，但可能有时会发现算出来的结果并不是正确答案，这时可以使用实践公式计算，看看有没有正确答案。

将上面的理论公式整理一下，设一条指令会分为 `K` 个步骤执行，则公式可写为：  
> $$(t1+t2+……+tK) + (n-1) * Δt$$

实践公式是将所有步骤的执行时间扩大，增加容错（冗余）时间，认为每个步骤的实际执行时间都是最长步骤的时间（流水线周期），所以可以将公式改写为：  
> $$KΔt + (n-1) * Δt$$，提公因式得：$$(K + n-1) * Δt$$

### 流水线吞吐率

流水线吞吐率是衡量流水线性能的重要指标之一，它表示单位时间内流水线所能处理的指令数目，通常以每时钟周期执行的指令数目来衡量。流水线吞吐率越高，表示流水线能够更快地处理指令，从而提高了系统的性能和效率。

采用小学知识推导出计算公式：

> 吞吐率 = 吞吐量 / 吞吐耗时

所以根据上面的流水线执行时间公式（`实践公式！！！`），可得到吞吐率公式为：
>$$\frac{n}{(K + n-1) * Δt}$$

其中 `n` 是指令条数。

#### 拓展：最大吞吐率

采用高中知识，将 `n`趋近于无穷大，则 `K` 和 `1` 可以忽略不记，得到新公式：
>$$\frac{n}{nΔt}$$ 约分可得：$$\frac{1}{Δt}$$


## 总结

1. 掌握流水线概念和作用；
2. 理解流水线技术在处理器中的应用逻辑（时空图）；
3. 会计算流水线执行时间（理论公式、实践公式）、吞吐率、最大吞吐率。