16. 流水线的基本原理

1. 举个例子

一个大厨做菜的例子，如下图所示，

大厨做菜的例子

用4个小厨师进行流水线的操作，如下图所示，

流水线做菜

每个小厨师负责一个环节，还有一个小厨师“吹号”，这样4分钟后，流水线填满，即每个环节都在工作了。最后一共需要7分钟完成4道菜，而一个大厨需要16分钟完成。

使用流水线，可以每分钟上一道菜，而不使用流水线，需要4分钟上一道菜，流水线提升了4倍的性能。这里需要注意，每道菜制作时间仍然是4分钟。

2. MIPS指令的执行步骤

MIPS执行需要5步，如下图所示，

MIPS指令执行步骤

从数据通路上来看，MIPS执行步骤如下图所示，

从数据通路上看MIPS指令执行的步骤

3. MIPS流水线

就像这篇笔记一开始举例那样，我们把数据通路也可以分成几个阶段，做成流水线的形式。那么就在各个阶段之间插入流水线寄存器，负责保存前一个阶段向后一个阶段需要传递的所有信息，如下图所示，

流水线形式的MIPS数据通路

假设这是一个被初始化后的流水线，里面什么都还没有，那么从IF开始分析，

<1> IF级，从指令存储器取出了PC0对应的指令，第t0时钟上升沿时，PC寄存器更新为PC1，且IF/ID流水线寄存器存储了PC0对应的指令，经过一段时间延迟后，该指令在IF/ID寄存器输出端上出现，被分解，寄存器堆同时读出了相应的数据Ra0和Rb0，该数据连接在了ID/EX流水线寄存器上；

<2> 第t1时钟上升沿，IF/ID寄存器存储了PC1指令，RegFile读取了Ra1和Rb1的数据，ID/EX存储器存入了Ra0和Rb0，经过一段时间寄存器输出延迟后，Ra0和Rb0输出到了EX级，ALU计算后，计算结果送到了EX/MEM流水线寄存器。

<3> ...

4. 流水线的性能

如果是单周期处理器，假设每个阶段需要200ps，那么每条指令需要1000ps执行完，才可以执行下一条指令，那么这个单周期处理器的时钟就是1000ps的，如下图所示，

单周期处理器的时钟周期计算

如果是流水线处理器，那么第1条指令完成IF后进入ID，同时第二条指令就可以IF了。每隔200ps就有一条指令进入流水线，且每隔200ps就有一条指令完成，那么时钟周期就是200ps。理想情况下，流水线处理器比单周期处理器性能提升有5倍。

流水线处理器的时钟周期计算

当然这是理想情况，因为每个流水线寄存器也会引入延迟，假设每个流水线寄存器引入延迟50ps，那么上图就变成了下面这个样子，

考虑流水线寄存器延迟的流水线处理器时钟周期的计算

如上图所示，考虑流水线寄存器延迟后，时钟周期变成了250ps，且完成一条指令需要1250ps，比单周期处理器还慢。

流水线的优势在于，流水线中每个部件并行工作，从而可使整个程序的执行时间缩短。但是流水线不会缩短单条指令的执行时间，相反会增加单条指令执行时间，流水线提高的是指令吞吐率。