流水线技术

流水线技术原理

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流水线技术就是将一条指令分解成一连串执行的子过程。例如：把指令的执行过程细分为取指令、指令编码、取操作数和执行 $4$ 个子过程。这样多条指令可以重叠执行，因为取指令操作、指令编码操作、取操作、执行操作 是可以同时执行的。如下图所示：其中 1、2、3、4、5 表示要处理 5 条指令。

上述过程可以看出，在 8 个时间片段中，执行了 $5$ 条指令。假设每天指令均分解为 $m$ 个子过程，且每个子过程执行的时间都一样，则利用此条流水线可以将一条指令的执行时间 $T$ 有原来的 $T$ 缩短为 $T/M$（图中红框部分相当于一个时间片段执行完一条指令）；

流水线技术指标

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流水线有两个很重要的技术指标：吞吐率 和 建立时间；

吞吐率

在单位时间内，流水线处理机流出的结果为吞吐率。对指令而言，就是单位时间里执行的指令数。

建立时间

流水线开始工作，需经过一定时间才能达到最大吞吐率，这就是建立时间。若 $m$ 个子过程所用时间一样，均为 $t0$，则建立时间 $T0＝m\Delta t0$。

五级流水线

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目前流行的嵌入式处理器多采用五级流水线，例如：ARM9 采用哈弗结构。五级流水线指令过程：

各级流水线的功能

五级流水线运行示意图：

五级流水线技术将三级流水线中的执行单元进一步划分，减少了每个时钟周期内必须完成的工作量，从而可以利用较高的时钟频率来工作。分离的数据和指令存储器使得三级流水线中存储器访问指令在指令执行阶段的延迟问题得以解决。同样主频下，采用五级流水线的 ARM9 处理器的性能要比采用三级流水线的 ARM7 高 $ 20 ％ – 30 ％$。

在流水线技术中，无论是三级流水线还是五级流水线，当出现周期指令、跳转指令或者发生中断时，都会引起流水线阻塞，相邻指令之间也可能因为寄存器冲突导致流水线组赛，降低流水线效率。