从并行性到流水线：计算机指令处理的高效途径

一、流水线基本概念

在深入了解流水线这一概念之前，重要的是要理解并行性这一基础概念，即要明白并行性的含义。

并行性与我们通常所说的并发性是两个不同的概念，因此需要明确区分它们。

并行性指的是多个事件同时发生的情况，即两个或更多事件在同一个时间点进行。

而并发性则指的是多个事件在同一个时间段内发生，但它们不必同时开始或结束。

计算机指令的执行过程可以分解为以下三个主要步骤：

1. 取址阶段：根据控制单元的指令，从内存中提取特定的指令，并将其传输到指令寄存器。
2. 分析阶段：对提取的指令进行解码，并准备所需的操作数。
3. 执行阶段：将操作的结果存储到通用寄存器中。

假设每个阶段都需要一个时间单位，如果我们不采用流水线技术，执行一条指令需要三个时间单位，而执行三条指令则将需要 9 个时间单位，这一过程可以通过以下图表进行直观展示。

换成流水线的形式，我们先看下图。执行一条指令需要 3 个时间单位，而在执行三条指令时则将缩短至 5 个时间单位。

由此我们可以知道：流水线技术是一种在程序执行过程中，允许多条指令同时进行操作的准并行处理方法，它通过优化资源分配，显著提升了各个组件的工作效率。

二、流水线周期、执行时间的计算

流水线技术虽然高效，但不同流水线的性能提升程度各有差异，因此对每条流水线进行细致评估，确保其运行达到最佳状态是至关重要的。

首先，我们来定义流水线周期，它指的是在流水线操作中，各个阶段所需时间最长的那一段。

以一个指令的执行过程为例，如果指令的取值阶段耗时 3 纳秒，分析阶段耗时 4 纳秒，执行阶段耗时 1 纳秒，那么这条指令的流水线周期将是 4 纳秒，因为这是完成一个指令周期中最长的阶段。

接下来，我们来探讨流水线执行时间的计算。假设有 100 条指令需要执行，每条指令的各个阶段时间分别为取值 2 纳秒、分析 4 纳秒、执行 1 纳秒。在流水线技术下，一旦流水线开始运作，每条指令的各个阶段可以并行进行，这意味着流水线的周期时间将决定整个流水线的执行效率。

流水线理论执行时间=第一条指令执行时间+（任务数量-1）×流水线周期。 即 $(2+4+1)+(100-1) \times 4=403ns$。

流水线实际执行时间：把上述公式中第一条指令执行的各个部分时间到替换成周期时间。 即 $(4+4+4)+(100-1)\times4=408ns$。变换一下得到计算公式：流水线实际执行时间=(一条执行的工序数+任务数量-1) x 流水线周期。

在软考考试中优先使用理论公式计算，没有答案再尝试使用实际公式计算。

流水线的吞吐率（每条指令的平均执行时间）=任务数/任务执行时间。 即在单位时间内，流水线所能完成的指令数量。$100/403\approx1/4$

流水线的加速比=不使用流水线技术的任务执行时间/使用流水线的任务执行时间。 即，$(7*100)/403=700/403\approx1.75$

最大吞吐率 = 1 / 流水线周期。即 $1/4$。

流水线的效率 = 被占用的时空格 / 总的时空格。

1. 被占用的时空格：指的是流水线中正在执行任务的单元格数量。在流水线中，每个单元格代表一个处理阶段，如果该阶段正在处理任务，则认为该单元格被占用。例如，如果流水线有 3 个阶段，每个阶段分别需要 2 纳秒、4 纳秒、1 纳秒来完成，共 100 任务，那么被占用的时空格就是一条指令运行时间乘以任务数，即 $(2+4+1)\times100=700$。
2. 总的时空格：指的是流水线中所有可能的单元格数量乘以流水线的运行时间。例如，如果流水线有3个阶段，每个阶段分别需要 2 纳秒、4纳秒、1 纳秒来完成，共 100 任务，那么总的时空格就是3个阶段乘以运行时间，即 $3\times[(2+4+1)+(100-1)*4]=1209ns$。 由此，流水线效率=700/1209。