流水线技术PPT课件
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流水线CPU技术获奖课件
FD
I E E EW
⑧
F
D
I E E EW
（b）8 条指令顺序
（c）8 条指令的流水线
图 4-12 流水线的相关延迟
指令发射：开启指令去处理器功能单元执行旳过程
静态调度：编译检测
编译器优化后，所需时间为
17个时钟周期 ① R1←M（Y）
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
(R1)×(R2)->R3 (R4) + (R5)->R3
局部性有关：数据有关
(1) I1: ADD R1，R2，R3 ； I2: SUB R4，R1，R5 ；
(R2) + (R3)->R1 (R1) - (R5)->R4
第(1)组指令中，I1指令运算成果应先写入R1，然 后在I2指令中读出R1内容。因为I2指令进入流水线， 变成I2指令在I1指令写入R1前就读出R1内容，发生 RAW（写后读）有关。
② 增设一种存储器，将指令和数据分开存储；
③ 采用双端口存储器。
局部性有关：数据有关
在程序中，一条指令旳执行需等前一条指令执行完后才 干进行，则有数据有关。
例：SUB R1，R2，R3；（R2）（R3） R1
ADD R4，R1，R5；（R1）（R5） R4
时钟 1 2 3 4
指令
SUB 取指 译码 取数 执行
图 4-15 基于计分牌发射逻辑的流水线调度过程
动态调度-计分牌法
记分牌旳缺陷 依托流水线停止来处理有关性 没有消除数据有关 集中式调度
记分牌部件是性能瓶颈
动态调度-保存站法
FD
RS
RS
E
E
五段指令流水线kppt
6
五段流水线模拟
部分代码实现：五段指令部分用链表来实现。定义 一个头结点*Head,中间节点共5个。用*next相连。 当到达最后一个阶段WB的NEXT，直接删除（ delete this）.同时用一个静态变量t来控制时钟。 设置成一个时钟函数。
7
五段流水线模拟
1、典型的流水线执行分五段，IF,ID,IE,MEM,WB 2，开发环境MFC 3, 执行流程模拟,显示指令执行的具体阶段： 第一条指令取值：
1
五段流水线模拟
1、第一条指令的ID阶段，第二条指令的IF阶段
Hale Waihona Puke 2五段流水线模拟 1、第一条指令的EX阶段，第二条指令的ID阶段,第 三台指令的IF阶段。
3
五段流水线模拟
1、第一条指令的MEM阶段，第二条指令的EX阶段 ,第三台指令的ID阶段，第四条指令IF阶段。
4
五段流水线模拟
1、第一条指令的WB阶段，第二条指令的MEM阶 段,第三台指令的EX阶段，第四条指令ID阶段第五 条指令IF阶段。
5
五段流水线模拟
1、第一条指令的WB阶段，第二条指令的MEM阶 段,第三台指令的EX阶段，第四条指令ID阶段第五 条指令IF阶段。
计算机体系结构之流水线技术(ppt 125页)
3 流水线技术
张伟 计算机学院
大纲
1 概念定义 2 流水线分类 3 MIPS五级流水线 4 性能分析 5 流水线相关 6 高级流水线技术
1 概念定义
洗衣店的例子
A, B, C, D 均有一些衣物要 清洗，甩干，折叠
清洗要花30 分钟 甩干要用40 分钟 叠衣物也需要20 分钟
流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流 入的顺序相同。
异步流动流水线（乱序流水线）：
流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流 入的顺序不同。
3 MIPS五级流水线
DLX(Dancing Links)
DLX 是一种简单的指令集（教学、简单芯片） 在不流水的情况下，如何实现DLX。
实现DLX指令的一种简单数据通路
4. 存储器访问周期MEM（Memory Access） 5. 写回周期WB（Write Back）
MIPS的简单实现
Instruction Fetch
Instr. Decode Reg. Fetch
Next PC
Next SEQ PC
4
RS1
RS2
Execute Addr. Calc
Zero?
RD
增加了向后传递IR和从MEM/WB.IR回送到通用寄存 器组的连接。
将对PC的修改移到了IF段，以便PC能及时地加 4，为取下一条指令做好准备。
2. 每一个流水段进行的操 作
IR[rs]＝IR6..10 IR[rt]＝IR11..15 IR[rd]＝IR16..20
流水线的每个流水段的操作
将有效地址计算周期和执行周期合并为一个时钟周期，这
是因为MIPS指令集采用load／store结构，没有任何指令
需要同时进行数据有效地址的计算、转移目标地址的计算
张伟 计算机学院
大纲
1 概念定义 2 流水线分类 3 MIPS五级流水线 4 性能分析 5 流水线相关 6 高级流水线技术
1 概念定义
洗衣店的例子
A, B, C, D 均有一些衣物要 清洗，甩干，折叠
清洗要花30 分钟 甩干要用40 分钟 叠衣物也需要20 分钟
流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流 入的顺序相同。
异步流动流水线（乱序流水线）：
流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流 入的顺序不同。
3 MIPS五级流水线
DLX(Dancing Links)
DLX 是一种简单的指令集（教学、简单芯片） 在不流水的情况下，如何实现DLX。
实现DLX指令的一种简单数据通路
4. 存储器访问周期MEM（Memory Access） 5. 写回周期WB（Write Back）
MIPS的简单实现
Instruction Fetch
Instr. Decode Reg. Fetch
Next PC
Next SEQ PC
4
RS1
RS2
Execute Addr. Calc
Zero?
RD
增加了向后传递IR和从MEM/WB.IR回送到通用寄存 器组的连接。
将对PC的修改移到了IF段，以便PC能及时地加 4，为取下一条指令做好准备。
2. 每一个流水段进行的操 作
IR[rs]＝IR6..10 IR[rt]＝IR11..15 IR[rd]＝IR16..20
流水线的每个流水段的操作
将有效地址计算周期和执行周期合并为一个时钟周期，这
是因为MIPS指令集采用load／store结构，没有任何指令
需要同时进行数据有效地址的计算、转移目标地址的计算
流水线(Pipeline)介绍PPT课件
❖ 写后读（RAW） ❖ 写后写 (WAW) ❖ 读后写 (WAR)
.
16
写后读冒险（RAW: Read After Write）
❖ 在 i 写入之前，j 先去读。j 会错误的获取旧 值。
❖ 这对应“真数据相关”，为了确保j可以得到 正确的i值，必须保持程序的顺序。
i: DSUB R1,R2,R3 j: DADD R4,R1,R3ຫໍສະໝຸດ DSUB R4，R1，R5
IM
Reg
DM
Reg
XOR R6，R1，R7
IM
Reg
DM
AND R8，R1，R9
IM
Reg
OR R10，R1，R11
IM
Reg
AND,OR操作不会暂停，但是DSUB,XOR指
令需要等待DADD在WB阶段写回数据后才
可以执行。
.
15
2.4 数据冒险的解决办法
❖ 根据指令中读写访问的顺序，可以将数据冒 险分为三类。分别是:
处理器流水线相 关技术
报告人：Hardy
.
1
流水线技术
❖1.流水线的概念 ❖2.流水线的冒险和冒险的解决办法 ❖3.多发射处理器
.
2
1.流水线的概念
❖ 流水线技术：
把一个重复的过程分解为若干个子过程，每个子过 程由专门的功能部件来实现。将多个处理过程在时 间上错开，依次通过各功能段，这样，每个子过程 就可以与其他子过程并行进行。
.
5
采用相同的功能模块，指令顺序执行和按照流水线
技术执行，在时间上可以看出流水线指令的执行速
度提高了4倍。
.
6
流水线的基本作用
流水线增大了CPU的指令吞吐量—即单位时 间执行指令的条数，但是它未减少指令各自 的执行时间。实际上流水线技术要对流水线 附加一些控制，因而了增加开销，使单条指 令执行时间略有增加。吞吐量的增大意味着 程序运行的更快，总的执行时间变短，尽管 没有一条指令的执行变快。
.
16
写后读冒险（RAW: Read After Write）
❖ 在 i 写入之前，j 先去读。j 会错误的获取旧 值。
❖ 这对应“真数据相关”，为了确保j可以得到 正确的i值，必须保持程序的顺序。
i: DSUB R1,R2,R3 j: DADD R4,R1,R3ຫໍສະໝຸດ DSUB R4，R1，R5
IM
Reg
DM
Reg
XOR R6，R1，R7
IM
Reg
DM
AND R8，R1，R9
IM
Reg
OR R10，R1，R11
IM
Reg
AND,OR操作不会暂停，但是DSUB,XOR指
令需要等待DADD在WB阶段写回数据后才
可以执行。
.
15
2.4 数据冒险的解决办法
❖ 根据指令中读写访问的顺序，可以将数据冒 险分为三类。分别是:
处理器流水线相 关技术
报告人：Hardy
.
1
流水线技术
❖1.流水线的概念 ❖2.流水线的冒险和冒险的解决办法 ❖3.多发射处理器
.
2
1.流水线的概念
❖ 流水线技术：
把一个重复的过程分解为若干个子过程，每个子过 程由专门的功能部件来实现。将多个处理过程在时 间上错开，依次通过各功能段，这样，每个子过程 就可以与其他子过程并行进行。
.
5
采用相同的功能模块，指令顺序执行和按照流水线
技术执行，在时间上可以看出流水线指令的执行速
度提高了4倍。
.
6
流水线的基本作用
流水线增大了CPU的指令吞吐量—即单位时 间执行指令的条数，但是它未减少指令各自 的执行时间。实际上流水线技术要对流水线 附加一些控制，因而了增加开销，使单条指 令执行时间略有增加。吞吐量的增大意味着 程序运行的更快，总的执行时间变短，尽管 没有一条指令的执行变快。
产线流水线排线技巧PPT课件
第10页/共52页
• 通过以上案例可知：科学合理的方法才是生 产
效率值稳定的有效保证。因而，产品生产前， 我
们需要分析和设计好方法及生产排列，才能真 正
第11页/共52页
标准化的最直接的体现即在于生产作业方式，即生产 作业技巧、生产作业流程和产能。而这一切，最直接的 方式就是将其应用到实际中去，通过生产排线，将产品 导入到生产线上，进而生产执行，从而实现标准化作业。
增加，以便提高生产效率。
第34页/共52页
讨论 1、新机型，且从未生产的产品如何去评估生产产能？ 2、首次大货生产的机型，在生产时我们该怎么做？ 3、如何更高效的评估生产所需工时？
第35页/共52页
第36页/共52页
流水线在线改善-动作浪费
第37页/共52页
流水线在线改善-设备浪费
设备故障浪费 转换调试准备浪费 点点停的浪费 制造不良与维修的浪费 速度低下浪费 启动浪费 夹具模具浪费 品质故障浪费 物流慢浪费
• 1、了解此产品之产品结构，熟悉其生产流程； • 2、各工序之操作方法了解及操作； • 3、生产流程的合理性； • 4、所需工装夹具及使用状况； • 5、产线人员之技术装备状况； • 6、排拉所需要的资料之第装25备页状/共5况2页；
如下为某一产品生产状况
第26页/共52页
• 产品周期时间 • 周期时间（C）计算公式
第35动作浪费第37流水线在线改善设备浪费第38动作范围基准手在横向位置的最适范围适合作业区域指臂画半圆的范围应该用更加靠近最适作业区域下的标准作业来设定作业布局图第41下限位置手往下伸时手掌落到臀部时手所处的高度为下限不弯腰作业状态第42上限位置手抬高时与手臂与肩膀同高的位置为上限位置第43物料工具放置点产品组装点操作者手的位置形成的三角形的边长越小越好
• 通过以上案例可知：科学合理的方法才是生 产
效率值稳定的有效保证。因而，产品生产前， 我
们需要分析和设计好方法及生产排列，才能真 正
第11页/共52页
标准化的最直接的体现即在于生产作业方式，即生产 作业技巧、生产作业流程和产能。而这一切，最直接的 方式就是将其应用到实际中去，通过生产排线，将产品 导入到生产线上，进而生产执行，从而实现标准化作业。
增加，以便提高生产效率。
第34页/共52页
讨论 1、新机型，且从未生产的产品如何去评估生产产能？ 2、首次大货生产的机型，在生产时我们该怎么做？ 3、如何更高效的评估生产所需工时？
第35页/共52页
第36页/共52页
流水线在线改善-动作浪费
第37页/共52页
流水线在线改善-设备浪费
设备故障浪费 转换调试准备浪费 点点停的浪费 制造不良与维修的浪费 速度低下浪费 启动浪费 夹具模具浪费 品质故障浪费 物流慢浪费
• 1、了解此产品之产品结构，熟悉其生产流程； • 2、各工序之操作方法了解及操作； • 3、生产流程的合理性； • 4、所需工装夹具及使用状况； • 5、产线人员之技术装备状况； • 6、排拉所需要的资料之第装25备页状/共5况2页；
如下为某一产品生产状况
第26页/共52页
• 产品周期时间 • 周期时间（C）计算公式
第35动作浪费第37流水线在线改善设备浪费第38动作范围基准手在横向位置的最适范围适合作业区域指臂画半圆的范围应该用更加靠近最适作业区域下的标准作业来设定作业布局图第41下限位置手往下伸时手掌落到臀部时手所处的高度为下限不弯腰作业状态第42上限位置手抬高时与手臂与肩膀同高的位置为上限位置第43物料工具放置点产品组装点操作者手的位置形成的三角形的边长越小越好
服装流水线生产完整版课件
烫斗
用于将布料经过高温熨平。
蒸汽发生器
为烫斗提供蒸汽，增强熨烫效果 。
其他辅助工具
量具、尺子
用于测量和检验布料的尺寸。
剪刀、针线包
用于裁剪和缝制过程中的小修小补。
工作台、储物架
提供整洁的工作环境和方便的物品存放空 间。
04
流水线生产的优化与管理
流水线的布局与设计
流水线布局
根据生产需求和场地条件，合理 规划流水线的布局，以提高生产 效率。
规模效应
流水线生产适合大规模生产，能够降低单 位产品的成本。
灵活性增强
流水线生产可根据市场需求调整生产计划 ，快速响应变化。
如何降低流水线生产成本
优化流程
通过改进生产流程，减少不必要的环节， 提高生产效率。
降低材料成本
通过合理采购、降低库存准确地完成 工作任务。
质量检测与控制
采用合适的质量检测手段，对生产过程中的产品质量进 行实时监控。
流水线的维护与保养
日常维护
定期对流水线设备进行清洁、润滑等日 常维护工作，确保设备正常运行。
VS
故障诊断与排除
及时发现和解决设备故障，确保流水线的 稳定性和可靠性。
05
流水线生产的成本与效益分析
流水线生产的成本构成
直接成本
特点
流水线生产具有高效、快速、规模化 、标准化的特点，能够大幅度提高生 产效率，降低生产成本，满足大规模 生产的需求。
流水线生产的重要性
提高生产效率
流水线生产通过合理的分 工和协作，能够大幅度提 高生产效率，缩短生产周
期，降低生产成本。
保证产品质量
流水线生产能够保证每个 工序的生产质量，从而确 保最终产品的质量稳定可
第三章流水线技术.ppt
ExtOp
MemtoReg
ALUSelB
chapter3.3
3.1 流水线的基本概念
• 洗衣为例 • Ann, Brian, Cathy, Dave 每人进行洗衣的动作： wash, dry, and fold • washer需要 30 minutes • Dryer 需要 40 minutes • “Folder” 需要 20 minutes A B C D
– 45 ns/cycle x 1 CPI x 100 inst = 4500 ns
• 多周期机器
– 10 ns/cycle x 4.6 CPI (due to inst mix) x 100 inst = 4600 ns
• 理想流水线机器
– 10 ns/cycle x (1 CPI x 100 inst + 4 cycle drain) = 1040 ns
32
WrAdr 32 Din Dout
Ideal Memory
Rt 0 Rd
Reg File
busA A
32
2019/3/18
Mux
32
4 B
32
Mem Data Reg
0
1 Mux 0
Mux
1
32
1
2 3
32 32
<< 2
ALU Control
Imm 16
Extend
32
ALUOp
中国科学技术大学
• Step 2 step
ID - instruction decode and register fetch
– A <-- Regs[IR6..10] – B <-- Regs[IR11..16]
流水线的形式与设计介绍(ppt 35页)
成组流水线：在一定时间内顺序生产固定在流水线上的 几种制品，在变换品种时基本上不需要重新调整设备和 工艺装备。
混合流水线：是在流水线上同时生产多个品种，各品种 均匀混合流送，组织相间性的投产。一般多用于装配阶 段生产。
4 .按流水线连续程度分：
连续流水线：
制品从投入到产出在工序间是连续进行的 没有等待和间断时间。 间断流水线：
混合流水线
连续程度
连续流水线
间断流水线
节奏性 机械化程度
强制节拍流水线 自由节拍流水线
自动线
机械化流水线
粗略节拍流水线 手工流水线
1 .按加工对象移动方式分：
123
固定流水线
移动流水线
固定流水线：加工对象固定,生产工人携带工具移动. 移动流水线：加工对象移动,工人和设备固定。
2 .按加工对象数目分：
RA =α A T效/QA =24000×41.67%/2000=5(分/件)
RB =α B T效/QB =24000 ×31.25%/1875=4 (分/件)
RC =α C T效/QC =24000×27.08%/1857=3.5 (分/件)
2、混合流水线的组织设计
定义：将工艺流程、生产作业方法基本 相同的若干品种，在一条流水线上编排投 产顺序，实行有节奏、按比例地混合连续 流水生产方式。
流水生产组织
一、流水线含义
指劳动对象按照一定的工艺 路线,顺序的通过各个工作 地，并按照统一的生产速 度（节拍）完成工艺作业 的连续的重复的生产过程。
二、流水线的形式
分类标志
流水线
对象移动方式 对象数目
对象变换方式
固定流水线 单品种流水线 不变流水线
移动流水线 多品种流水线 可变流水线 成组流水线
混合流水线：是在流水线上同时生产多个品种，各品种 均匀混合流送，组织相间性的投产。一般多用于装配阶 段生产。
4 .按流水线连续程度分：
连续流水线：
制品从投入到产出在工序间是连续进行的 没有等待和间断时间。 间断流水线：
混合流水线
连续程度
连续流水线
间断流水线
节奏性 机械化程度
强制节拍流水线 自由节拍流水线
自动线
机械化流水线
粗略节拍流水线 手工流水线
1 .按加工对象移动方式分：
123
固定流水线
移动流水线
固定流水线：加工对象固定,生产工人携带工具移动. 移动流水线：加工对象移动,工人和设备固定。
2 .按加工对象数目分：
RA =α A T效/QA =24000×41.67%/2000=5(分/件)
RB =α B T效/QB =24000 ×31.25%/1875=4 (分/件)
RC =α C T效/QC =24000×27.08%/1857=3.5 (分/件)
2、混合流水线的组织设计
定义：将工艺流程、生产作业方法基本 相同的若干品种，在一条流水线上编排投 产顺序，实行有节奏、按比例地混合连续 流水生产方式。
流水生产组织
一、流水线含义
指劳动对象按照一定的工艺 路线,顺序的通过各个工作 地，并按照统一的生产速 度（节拍）完成工艺作业 的连续的重复的生产过程。
二、流水线的形式
分类标志
流水线
对象移动方式 对象数目
对象变换方式
固定流水线 单品种流水线 不变流水线
移动流水线 多品种流水线 可变流水线 成组流水线
中国科学技术大学ppt课件
• 比较三种执行模式的性能
中国科学技术大学
chapter03.9
03/03-review 流水线技术要点
• 流水线技术并不能提高单个任务的执行效率，它可以 提高整个系统的吞吐率
• 流水线中的瓶颈——最慢的那一段 • 多个任务同时执行，但使用不同的资源 • 其潜在的加速比＝流水线的级数 • 流水段所需时间不均衡将降低加速比 • 流水线存在装入时间和排空时间，使得加速比降低 • 由于存在相关问题，会导致流水线停顿
加速比
加速比：完成同样一批任务，不使用流水线所用的时间 与使用流水线所用的时间之比。 假设：不使用流水线（即顺序执行）所用的间
为Ts，使用流水线后所用的时间为Tk，则该流
水线的加速比为
S Ts Tk
中国科学技术大学
chapter03.22
1. 流水线各段时间相等（都是△t） – 一条k段流水线完成n个连续任务
JUMP end
0
56
Op
31
offset added to PC
(jump, jump and link, trap and return from exception)
▪所有指令相同长度 ▪在指令格式中寄存器位于同一位置 ▪只有Loads和Stores可以对存储器操作
中国科学技术大学
chapter3.34
• EX: 执行
– Load 、Store：计算有效地址 – Branch：计算转移地址并确定转移方向
• MEM: 存储器访问（仅Load和Store) • WB: 结果写回
中国科学技术大学
chapter03.6
流水线的可视化表示
• 多条指令执行多个时钟周期
– 指令按程序序从上到下排列 – 图中展示了每一时钟周期资源的使用情况 – 不同指令相邻阶段之间没有干扰
中国科学技术大学
chapter03.9
03/03-review 流水线技术要点
• 流水线技术并不能提高单个任务的执行效率，它可以 提高整个系统的吞吐率
• 流水线中的瓶颈——最慢的那一段 • 多个任务同时执行，但使用不同的资源 • 其潜在的加速比＝流水线的级数 • 流水段所需时间不均衡将降低加速比 • 流水线存在装入时间和排空时间，使得加速比降低 • 由于存在相关问题，会导致流水线停顿
加速比
加速比：完成同样一批任务，不使用流水线所用的时间 与使用流水线所用的时间之比。 假设：不使用流水线（即顺序执行）所用的间
为Ts，使用流水线后所用的时间为Tk，则该流
水线的加速比为
S Ts Tk
中国科学技术大学
chapter03.22
1. 流水线各段时间相等（都是△t） – 一条k段流水线完成n个连续任务
JUMP end
0
56
Op
31
offset added to PC
(jump, jump and link, trap and return from exception)
▪所有指令相同长度 ▪在指令格式中寄存器位于同一位置 ▪只有Loads和Stores可以对存储器操作
中国科学技术大学
chapter3.34
• EX: 执行
– Load 、Store：计算有效地址 – Branch：计算转移地址并确定转移方向
• MEM: 存储器访问（仅Load和Store) • WB: 结果写回
中国科学技术大学
chapter03.6
流水线的可视化表示
• 多条指令执行多个时钟周期
– 指令按程序序从上到下排列 – 图中展示了每一时钟周期资源的使用情况 – 不同指令相邻阶段之间没有干扰
流水线技术 ppt课件
▪反映了单位时间内完成的任务数 n
T P T 1 T 2 T K(n 1 ) M a x(T 1,T 2, T K )
▪K为流水线段数，Ti为第i段所需要的时间
❖指令流水线的吞吐率
单位时间内流水线所完成的指令数
n TP
kT (n 1)T
▪N为通过流水线的指令数 ▪T为指令流水线各个流水段的时间 ▪kT为指令流水线的填充时间
ADD R1, R2, R3 ; (R1) + (R2) → R3 OR R3, R2, R6 ; (R2) ^ (R3) → R6 SUB R3, R4, R5 ; (R4) - (R3) → R5
时钟周期 1 2 3 4
5
6
ADD IF ID EX —— WB
OR
IF ID EX —— WB
6
❖最大吞吐率
当流水线充满之后，理想情况下每个周期都有一条指令完成
1 T P max
T
❖最大吞吐率和实际吞吐率之间的关系
TPkT(n n1)Tkn n1T 11k 11TPm ax n
当n>>k时，TP≈TPmax
❖MIPS与吞吐率
TPMIPS106
MIPS：单位时间内所完成的指令数
7
❖加速比
时钟周期 1 2 3 4 5
6
7
8
指令1 IF ID EX MEM WB
指令2
IF ID EX MEM WB
指令3
IF ID EX MEM WB
指令4
IF ID EX MEM WB
13
❖争用同一个硬件资源，又称资源相关、冲突
时钟周期 1 2 3 4
5
6
7
8
指令1 Ik时，Sp≈k 增加流水线深度可以提高加速比
T P T 1 T 2 T K(n 1 ) M a x(T 1,T 2, T K )
▪K为流水线段数，Ti为第i段所需要的时间
❖指令流水线的吞吐率
单位时间内流水线所完成的指令数
n TP
kT (n 1)T
▪N为通过流水线的指令数 ▪T为指令流水线各个流水段的时间 ▪kT为指令流水线的填充时间
ADD R1, R2, R3 ; (R1) + (R2) → R3 OR R3, R2, R6 ; (R2) ^ (R3) → R6 SUB R3, R4, R5 ; (R4) - (R3) → R5
时钟周期 1 2 3 4
5
6
ADD IF ID EX —— WB
OR
IF ID EX —— WB
6
❖最大吞吐率
当流水线充满之后，理想情况下每个周期都有一条指令完成
1 T P max
T
❖最大吞吐率和实际吞吐率之间的关系
TPkT(n n1)Tkn n1T 11k 11TPm ax n
当n>>k时，TP≈TPmax
❖MIPS与吞吐率
TPMIPS106
MIPS：单位时间内所完成的指令数
7
❖加速比
时钟周期 1 2 3 4 5
6
7
8
指令1 IF ID EX MEM WB
指令2
IF ID EX MEM WB
指令3
IF ID EX MEM WB
指令4
IF ID EX MEM WB
13
❖争用同一个硬件资源，又称资源相关、冲突
时钟周期 1 2 3 4
5
6
7
8
指令1 Ik时，Sp≈k 增加流水线深度可以提高加速比
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并行处理（时间并发性）。
根据子过程划分，相应的流水线也要划分出相应的段，每一个
段称为流水节拍、流水步、流水步骤、流水阶段、流水段、功能段
等。一个流水阶段与另外一个流水阶段相连接形成流水线。过程从
流水线的一端进入，经过流水线的处理，从流水线的另一端进出。
流水线技术是一种非常经济而又有效的技术，已成为计算机中普遍
（1）静态流水线（Static Pipelining） 静态流水线是指在同一段时间内，多功能流水线只能按一种方
式连接，实现一种功能。只有当按照这种连接流入的所有处理的对 象都流出流水线之后，多功能流水线才能重新进行连接以实现其他 功能。如图3.6所示中的8段多功能流水线如果按照图3.7所示的时 空图工作，那么就是一种静态流水线。
对阶
尾数加
规格化
输出
六功能段线性单功能流水线的连接图
（2）多功能流水线（Multifunction Pipelining） 多功能流水线是指流水线的各段可以实现不同的连接，在不同
的时间内，或在同一时间内，通过. 不同的连接方式实现不同的9处理
输入
输入 求阶差 对阶 尾数加 规格化
尾数乘 累加 输出
动态流水线是指在同一段时间内，多功能流水线中的各段可以
实现多种连接，同时执行多种功能。当然，任何一个功能段只能参
定点乘法
输出
浮点加法
.
TI-ASC计算机的多功能流水线
输入 求阶差 对阶 尾数加 规格化 尾数乘 累加 输出
浮点点积 10
2. 按多功能流水线在同一时间内各段连接方式分类 在多功能流水线中，按照在同一时间内是否可以实现多种连接 ，来同时执行多种功能的要求，把多功能流水线分为静态流水线和 动态流水线。
使用的一种并行处理技术。采用流水线技术只需要增加少量的硬件，
就能够把处理机的运算速度提高几. 倍。
5
三、流水线的表示方法
流水线的表示方法有三种：连接图、时空图和预约表，其中时
空图用于表示线性流水线，预约表用于表示非线性流水线，而连接
图则均可表示。
1. 连接图
四个流水段的指令流水线的连接图如图所示，其实质是将带执
每一个流水段。
.
6
取指令 线性指令流水线的连接图
译码
取指令
译码
非线性指令流水线的连接图
执行 执行
保存结果 保存结果
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
四功能段指令流水线时空图
.
7
3. 预约表 预约表是一种最常用、能直观描述某过程非线性流水线工作状 态的表示方法， 四个流水段的指令流水线的预约表如图3.4所示。 其实质是利用一张表，行表示时间即非线性流水线的段数，列表示 空间既任务通过非线性流水线的时间，表中用“×”表示行对应流 水段在列对应时间段要被使用。一行中可以有多个“×”，表明同 一个任务在不同时间重复使用了同一个流水段；一列中有多个 “×”则表明任务在同一时间使用了多个流水段。
控制简单，节省设备。执行指令速度慢，功能部件的利用率低。 （2）一次重叠方式。一次重叠执行方式是指在任何时刻，处理 机中至多只有二条指令在同时执行。执行n条指令所需要的时间为 T=(2n+1)t。
时间缩短了近一半，功能部件利用率高。需要增加一些硬件， 控制过程也复杂一些。
（3）二次重叠方式。二次重叠执行方式是指在任何时刻，处理 机中至多可以有三条指令在同时执行。执行n条指令所需要的时间 为T=(n+2)t。
时间缩短了近2/3，提高指令的. 执行速度。付出更高的代价3 。
取 指k 分 析k 执 行k 取指k+1 分析k+1 执行k+1
顺序执行方式
取指k
分析k
一次重叠执行方式
执行k 取指k+1 分析k+1 执行k+1
取指k+2 分析k+2 执行k+2
取指k
二次重叠执行方式
分析k
执行k
取指k+1 分析k+1 执行k+1
取指k+2 分析k+2 执行k+2
.
4
二、什么是流水线
计算机中的流水线与工厂中的生产流水线十分相似，它是指把
一个重复的过程分解为若干个子过程，一个过程的子过程可以与其
它过程的不同的子过程并行进行，实现不同过程在时间上重叠进行
的工作方式。实现流水线的技术方法称为流水线技术。从本质上讲，
流水线技术是一种时间并行技术，是通过时间重叠的技术途径实现
.
11
空间
浮点加
定点乘
输出
1 2 … n-1 n
1…
累加
1 2…
尾数乘
1 2 3…
规格化
1 2 … n-1 n
尾数加
1 2 … n-1 n
对阶
Hale Waihona Puke 1 2 … n-1 n求阶差
1 2 … n-1 n
输入
1 2 … n-1 n
1 2 3 4 … 时间
静态流水线的时空图
.
12
（2）动态流水线（Dynamic Pipelining）
行时间的各流水段按照流水线的执行顺序从左到右排列，并用带箭
头的直线把它们连接起来。
2. 时空图
时空图是一种最常用、能直观描述线性流水线工作过程的表示
方法，四个流水段的指令流水的时空图如图所示。其实质是利用平
面直角坐标系的第一象限。横坐标表示时间，即是输入到流水线的
各个任务在流水线中所经过的时间。纵坐标表示空间，即流水线的
×
×
×
×
×
四功能段非线性指令流水线预约表
.
8
四、流水线的分类
从不同的角度，可以把流水线分成多种不同类型，以反映流水线在某一 方面的结构、特点或性能。
1. 按流水线的功能多寡分类 （1）单功能流水线（Unifunction Pipelining） 单功能流水线是指只能完成一种固定功能的流水线。
输入
示阶差
.
1
第一节 流水线的基本概念
一、多条指令的执行方式 二、什么是流水线 三、流水线的表示方法 四、流水线的分类 五、流水线的特点
.
2
一、多条指令的执行方式
一条指令的执行过程可以分为多个阶段，通常分为取指令、分 析指令、执行指令三个阶段。现假设三个阶段所需要的时间均为t。
（1）顺序方式。顺序执行方式是指在任何时刻，处理机中只有 一条指令在执行。执行n 条指令所需要的时间为T=3nt。
第二章 流 水 线 技 术
流水线是计算机体系结构设计中普遍应用的技术。本章介绍流水 线的基本概念、表示方法、和分类，讨论流水线实现的基本结构、 线性流水线的性能与非线性流水线的调度策略，分析流水线的相关 及其处理方法。
第一节 流水线的基本概念 第二节 处理机实现流水线的基本结构 第三节 线性流水线的性能及其分析 第四节 流水线的相关及其处理 第五节 非线性流水线的调度