指令流水线

指令流水线的概念

• 将指令执行过程分解为多个子过程，各子过程并行执行
• 五级流水：取指 IF → 译码 ID → 取操作数 OF → 执行 EX → 写回 WB
• 四级流水：取指 → 译码 → 执行 → 写回（去掉取操作数）

指令集应具备的特征

• 指令长度一致，简化取指和译码
• 指令格式规整
• 采用 Load/Store 架构
• 数据和指令「对齐」存放

流水线的分类

• 按级别：部件功能级、处理机级、处理机间级
• 按功能：单功能流水线、多功能流水线
• 按工作方式：动态流水线、静态流水线
• 按结构：线性流水线、非线性流水线

影响流水线的因素

资源冲突（结构冒险）

• 多条指令争用同一功能部件
• 解决方案：停顿一个时钟周期、资源重复配置

数据冲突（数据冒险）

• 写后读 RAW：后一条指令需要前一条指令的写结果
• 读后写 WAR
• 写后写 WAW
• 解决方案：数据旁路（转发）、停顿、编译器调度

控制冲突（控制冒险）

• 主要由转移指令引起
• 解决方案：分支预测、延迟槽、提前形成条件码

流水线的性能指标

吞吐率 TP

• $TP=\frac{n}{T_k}$（n 为任务数，Tk 为处理 n 个任务的时间）
• 最大吞吐率：$T{P}_{max}=\frac{1}{\Delta t}$
• 实际吞吐率（m 段流水）：$TP=\frac{n}{m\Delta t+(n-1)\Delta t}$

加速比 SP

• $SP=\frac{nm}{m+n-1}$（m 为流水线段数，n 为任务数）

效率 E

• 流水线中各功能段的利用率
• $E=\frac{流水线各段处于工作时间的时空区}{流水线中各段总的时空区}$

超标量流水线技术

• 超标量流水线：每个时钟周期同时发射多条指令
• 超流水线技术：将流水线进一步细分，提高时钟频率（不调整指令执行顺序）
• 超长指令字（VLIW）：由编译器将多条并行操作打包为一条长指令