学习笔记——计组—流水线

Myth丶恋晨 2023-07-25 11:16 9阅读 0赞

### 简介 ###

流水线（Pipeline）是一种将任务分解为多个小步骤，并让多个不同任务的各个小步骤重叠，从而实现多个任务并行处理，以加速程序运行速度的技术。

为了实现流水线，首先将输入的任务分割成一系列子任务，使各子任务能在流水线的各个阶段并发地执行。将任务源源不断地输入流水线，从而实现了子任务级的并行。流水线对于计算机系统是非常必要的。

在CPU内部，取指令、译码、执行都是由不同部件完成的，所以，以此为例。

**1.非流水线时空图：**

![20200414180358894.png][]

若不采用流水线，则3个部件在同一时间间隔内，只能有一个执行，其余两个部件处于闲置状态。

**2.流水线时空图：**

![20200414174600437.png][]

若采用流水线，当任务饱满时，即从第2时刻开始，3个部件同时执行，而且互不干扰。

在流水线中，原则上要求各个阶段的处理时间都相同。若某一阶段的处理时间较长，势必造成其他阶段的空转等待。对子任务的划分，是决定流水线性能的一个关键因素。因此，执行的总时间主要取决于流水操作步骤中最长时间的那个操作。据此：设 流水线由N个操作组成，每段所需时间为![\_\{T i\}][T i]（1<=i<=k），完成M个任务的实际时间为![\\sum\_\{i=1\}^\{N\}\_\{T i\}+(M-1)\*\_\{T j\}][sum_i_1_N_T i_M-1_T j]，其中![\_\{T j\}][T j]为流水操作步骤中最长的段时间。

在流水线处理过程中，当任务饱满时，任务源源不断地输入流水线，不论有多少级过程，每隔一个时钟周期都能输出一个任务。从理论上说，一个具有k级过程的流水线处理n个任务需要的时钟周期数为![\_\{T l\}][T l]=k+(n-1)。其中k个时钟周期用于处理第一个任务。k个周期后，流水线被装满，剩余的n-1个任务只需要n-1个周期就完成了。若用非流水线的硬件处理这n个任务，时间上只能串行，则所需的时钟周期数为![\_\{T k\}][T k]=n\*k。将![\_\{T l\}][T l]与![\_\{T k\}][T k]的比值定义为k级流水线的加速比![\_\{C k\}][C k]=![\_\{T l\}][T l]/![\_\{T k\}][T k]=(n\*k)/(k+(n-1))。

### 例题 ###

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![20200422132228196.PNG][]

![20200422132445496.PNG][]

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[sum_i_1_N_T i_M-1_T j]: https://private.codecogs.com/gif.latex?%5Csum_%7Bi%3D1%7D%5E%7BN%7D_%7BT%20i%7D&plus;%28M-1%29*_%7BT%20j%7D
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