计算机系统结构中流水线的时空图怎么画

  描述流水线的工作过程，通常采用时（间）空（间）图的方法。在时空图中，纵坐标表示指令序列，横坐标表示时间。

  1、指令流水线过程段

   图5-20表示流水CPU中一个指令周期的任务分解。假设指令周期包含取指令（IF）、指令译码（ID）、指令执行（EX）、访存取数（MEM）、结果写回（WB）5个子过程（过程段），流水线由这5个串联的过程段组成，各个过程段之间设有高速缓冲寄存器，以暂时保存上一过程段子任务处理的结果，在统一的时钟信号控制下，数据从一个过程段流向相邻的过程段。

  2．非流水计算机工作方式

  图5-21表示非流水计算机的时空图。

    对于非流水计算机而言，上一条指令的5个子过程全部执行完毕后才能开始下一条指令，每隔5个时钟周期才有一个输出结果。因此，图5-21中用了15个时钟周期才完成3条指令，每条指令平均用时5个时钟周期。

   非流水线工作方式的控制比较简单，但部件的利用率较低，系统工作速度较慢。

  3．标量流水计算机工作方式

   标量（Scalar）流水计算机是只有一条指令流水线的计算机。图5-22表示标量流水计算机的时空图。

    对标量流水计算机而言，上一条指令与下一条指令的5个子过程在时间上可以重叠执行，当流水线满载时，每一个时钟周期就可以输出一个结果。因此，图5-22中仅用了9个时钟周期就完成了5条指令，每条指令平均用时1.8个时钟周期。

    采用标量流水线工作方式，虽然每条指令的执行时间并未缩短，但CPU运行指令的总体速度却能成倍提高。当然，作为速度提高的代价，需要增加部分硬件才能实现标量流水。

  4．超标量流水计算机工作方式

  一般的流水计算机因只有一条指令流水线，所以称为标量流水计算机。所谓超标量（Superscalar）流水计算机，是指它具有两条以上的指令流水线。图5-23表示超标量流水计算机的时空图。

   当流水线满载时，每一个时钟周期可以执行2条以上的指令。因此，图5-23中仅用了9个时钟周期就完成了10条指令，每条指令平均用时0.9个时钟周期。

   超标量流水计算机是时间并行技术和空间并行技术的综合应用。