（计算机组成原理）指令流水线

指令流水线的基本概念

一条指令的执行需要经过3个阶段：取指令、译码、执行；每个阶段都要花费一个时钟周期，如果没有指令流水线技术，那么执行N条这样的指令就要3N个时钟周期。

当第N-2条指令在执行的时候应该对N-1条指令进行译码，当第N-1条指令在译码时，可以将第N条指令取出来，这样就缩短了每条指令的平均执行周期。 

当使用指令流水线时，执行N条指令需要的时钟周期为N+2。当N较大时，N+2远远小于3N。

指令流水线的基本实现 

要使得流水线具有良好的性能，必须使流水线畅通流动，不发生断流。但由于流水过程中会出现以下3种相关冲突，因此实现流水线的不断流是困难的。3种冲突为：资源相关（结构相关）、数据相关和控制相关。

1.资源相关（结构相关）

所谓资源相关是指多条指令进入流水线后在同一机器时钟周期使用了同一个功能部件所发生的冲突。假定一条指令流水线由5段组成，分别是取指令（FI），指令译码（ID），计算有效地址或执行（EX），访存取数（MEM）和结果写寄存器（WB）

在第四个时钟，第条的MEM段（访存取数）与条的FI段（访存取指令）都要访存存储器。当数据和指令放在同一个存储器且只有一个访问口时，便发生两条指令争用存储器资源的相关冲突。

有两个办法解决冲突：

1）第 的FI段停顿一个时钟再启动

2）增加一个存储器

2.数据相关

在一个程序中，如果必须等前一条指令执行完毕后，才能执行后一条指令，那么这两条指令就是数据相关的。

数据相关分为3类：写后读（Read After Write，RAW）相关；读后写（Write After Read，WAR）相关；写后写（Write After Write，WAW）相关。

注意：RAW的读法是从右往左读

（1）写后读相关

字面理解就是应该先写入在读取，而现在是没有写入就读取，就会发生错误

（2）读后写相关

字面理解是应该先读取再写入，而现在是写入后在读取（本来应读取旧数据，现在却读到了新数据），出现错误

（3）写后写相关

字面理解是前面一条指令先写数据，然后后面一条指令再写，而现在恰好相反，导致数据出错

3.控制相关

控制相关冲突是由转移指令引起的。当执行转移指令时，依据转移条件的产生结果，可能顺序执行下一条指令；也可能转移到新的目标地址取指令，从而使流水线发生断流。

解决方式：采用“猜测法”技术，机器先选定转移分支的一个，按它取指并处理，条件码生成后，如果猜测正确，那么流水线继续进行；若错误，那么之前预取的指令失效。

流水线的性能指标

（1）吞吐率

单位时间内流水线所完成指令或输出结果的数量，吞吐率有最大吞吐率和实际吞吐率之分，一般计算的都是实际吞吐率。

（2）加速比

不使用流水线所用的时间与使用流水线所用的时间之比称为流水线的加速比

（3）流水线效率

流水线的设备利用率称为流水线的效率。假设在时空图上，一共有n个任务，k个流水段。则流水线效率计算公式为：

个任务占时空图的有效面积/个任务所用的时间与k个流水段所围成的时空区总面积