3-流水线技术

计算机流⽔线（Pipeline）技术流⽔线是现代RISC核⼼的⼀个重要设计，它极⼤地提⾼了性能。

对于⼀条具体的指令执⾏过程，通常可以分为五个部分：取指令，指令译码，取操作数，运算（ALU），写结果。

其中前三步⼀般由指令控制器完成，后两步则由运算器完成。

按照传统的⽅式，所有指令顺序执⾏，那么先是指令控制器⼯作，完成第⼀条指令的前三步，然后运算器⼯作，完成后两步，在指令控制器⼯作，完成第⼆条指令的前三步，在是运算器，完成第⼆条指令的后两部……很明显，当指令控制器⼯作是运算器基本上在休息，⽽当运算器在⼯作时指令控制器却在休息，造成了相当⼤的资源浪费。

解决⽅法很容易想到，当指令控制器完成了第⼀条指令的前三步后，直接开始第⼆条指令的操作，运算单元也是。

这样就形成了流⽔线系统，这是⼀条2级流⽔线。

如果是⼀个超标量系统，假设有三个指令控制单元和两个运算单元，那么就可以在完成了第⼀条指令的取址⼯作后直接开始第⼆条指令的取址，这时第⼀条指令在进⾏译码，然后第三条指令取址，第⼆条指令译码，第⼀条指令取操作数……这样就是⼀个5级流⽔线。

很显然，5级流⽔线的平均理论速度是不⽤流⽔线的4倍。

流⽔线系统最⼤限度地利⽤了CPU资源，使每个部件在每个时钟周期都⼯作，⼤⼤提⾼了效率。

但是，流⽔线有两个⾮常⼤的问题：相关和转移。

在⼀个流⽔线系统中，如果第⼆条指令需要⽤到第⼀条指令的结果，这种情况叫做相关。

以上⾯哪个5级流⽔线为例，当第⼆条指令需要取操作数时，第⼀条指令的运算还没有完成，如果这时第⼆条指令就去取操作数，就会得到错误的结果。

所以，这时整条流⽔线不得不停顿下来，等待第⼀条指令的完成。

这是很讨厌的问题，特别是对于⽐较长的流⽔线，⽐如20级，这种停顿通常要损失⼗⼏个时钟周期。

⽬前解决这个问题的⽅法是乱序执⾏。

乱序执⾏的原理是在两条相关指令中插⼊不相关的指令，使整条流⽔线顺畅。

⽐如上⾯的例⼦中，开始执⾏第⼀条指令后直接开始执⾏第三条指令（假设第三条指令不相关），然后才开始执⾏第⼆条指令，这样当第⼆条指令需要取操作数时第⼀条指令刚好完成，⽽且第三条指令也快要完成了，整条流⽔线不会停顿。

电缆生产流水线工艺流程
一、原材料准备
1. 采购导电材料、绝缘材料等
2. 对原材料进行检验和质量确认
3. 储存原材料并确保供应充足
二、材料预处理
1. 对导电材料进行加工和处理
2. 对绝缘材料进行切割和成型
3. 准备好各种辅助材料和配件
三、电缆生产
1. 根据产品规格和要求配置生产线
2. 将导电材料和绝缘材料组装起来
3. 进行挤压、绕包、绝缘等生产工艺
四、质量检验
1. 对生产出的电缆进行质量检验
2. 检查电缆的外观和尺寸是否符合要求
3. 进行电性能测试和绝缘测试
五、包装与标识
1. 对合格的电缆进行包装和标识
2. 选择适当的包装材料和方式
3. 标注产品信息和安全警示
六、成品检验
1. 对包装好的电缆进行最终检验
2. 确认产品质量和包装完整性
3. 记录检验结果并做好档案管理
七、库存管理
1. 将成品电缆存放入库存
2. 进行库存管理和记录
3. 定期盘点和更新库存信息
八、发货与运输
1. 根据订单要求安排发货
2. 选择合适的运输方式和物流渠道
3. 跟踪货物运输情况并确保按时送达
九、售后服务
1. 提供客户售后服务支持
2. 处理客户投诉和问题
3. 收集客户反馈并改进产品质量和服务。

第1章复习要点1.1.1节嵌入式系统的概念1.1．3节嵌入式系统的特点1.3节嵌入式处理器1.4节嵌入式系统的组成第2章复习要点2.1节计算机体系结构分类2.3.1节 ARM和Thumb状态2.3.2节 RISC技术2.3.3节流水线技术2.4.3节 ARM存储系统第3章复习要点3.1节ARM编程模式3.2节ARM指令格式及其寻址方式3.3节ARM指令集(课上所讲的指令)第4章复习要点4.1节汇编语言源程序格式4.2节汇编语言的上机过程第5章复习要点5.1节键盘接口5.2节 LED显示器接口5．5.1节 UART异步串行接口作业题答案：1.什么是嵌入式系统？∙第一种，根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”（原文为devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。

∙第二种，嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

2.与通用型计算机相比，嵌入式系统有哪些特点？⏹通常是面向特定应用的；⏹空间和各种资源相对不足，必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余；⏹产品升级换代和具体产品同步，具有较长的生命周期；⏹软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身；⏹不具备自举开发能力，必须有一套开发工具和环境才能进行开发3.举例介绍嵌入式微处理器有哪几类？一、嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit, EMPU)嵌入式处理器目前主要有Aml86/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM系列等。

二、嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU)嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。

第2章流水线技术流水线是计算机体系结构设计中普遍应用的技术。

本章介绍流水线的基本概念、表示方法、和分类，讨论流水线实现的基本结构、线性流水线的性能与非线性流水线的调度策略，分析流水线的相关及其处理方法。

2.1 流水线的基本概念2.1.1 多条指令的执行方式一条指令的执行过程可以分为多个阶段，通常分为三个阶段，执行过程如图2-1所示。

第一阶段是取指令，按照程序计数器的内容访问主存储器，取出是一条指令送到指令寄存器。

第二阶段是分析指令，对指令寄存器中的指令进行译码分析，即对指令操作码进行译码，分析指令的功能，依据给定的寻址方式和地址码字段的内容形成操作数地址，并读取操作数（立即数寻址除外）；同时，程序计数器自动产生一个增量，指到下一条指令。

第三阶段是执行指令，根据操作码的要求，对操作数进行运算和处理，完成指令规定的功能，并把运算结果送到指定的地址中。

指令执行过程中的第一阶段，一定要访问主存（指令一定在主存中），而在后两个阶段，也可能要访问主存（当操作数在主存中时）。

当有多条指令要在一个处理机中完成时，可以有多种执行方式。

现假设3个阶段所需要的时间均为△t 。

2.1.1.1 顺序执行方式顺序执行方式是指在任何时刻，处理机中只有一条指令在执行，指令之间是顺序串行执行的，即第k条指令执行完成后，再执行完成第k+1条指令，依次类推。

多条指令执行过程如图2-2（a）所示，执行n条指令所需要的时间为T = 3n△t。

顺序执行方式的优点是控制简单，节省设备。

主要缺点有两个，一是处理机执行指令的速度慢。

只有当上一条指令执行完毕后，下一条指令才能开始执行。

二是功能部件的利用率低。

如取指令时主存是忙碌的，而指令执行部件是空闲的。

2.1.1.2 一次重叠执行方式一次重叠执行方式是指在任何时刻，处理机中至多只有两条指令在同时执行，即使第k 条指令的执行阶段与第k+1条指令的取指令同时进行。

多条指令执行过程如图2-2（b）所示，执行n条指令所需要的时间为T = (2n+1)△t。

ARM架构与体系学习（二）——3级流水线
看到汇编中很多关于程序返回与中断返回时处理地址都很特别，仔细想想
原来是流水线作用的效果。

所以，决定总结学习下ARM 流水线。

ARM7 处理
器采用3 级流水线来增加处理器指令流的速度，能提供0.9MIPS/MHz 的指令处理速度。

PS:
MIPS（Million Instruction Per Second）表示每秒多少百万条指令。

比如0.9MIPS，表示每秒九十万条指令。

MIPS/MHz 表示CPU 在每MHz 的运行速度下可以执行多少个MIPS，如
0.9MIPS/MHz 则表示如果CPU 运行在1MHz 的频率下，每秒可执行90 万条指令。

如果CPU 在20MHz 的频率下，每秒可运行1800 万条指令。

MIPS/MHz 可以很好的反映CPU 的速度。

3 级流水线如上图所示（PC 为程序计数器），流水线使用3 个阶段，因此指令分3 个阶段执行。

⑴取指从存储器装载一条指令
⑵译码识别将要被执行的指令
⑶执行处理指令并将结果写会寄存器
以前学过的51 单片机，因为比较简单，所以它的处理器只能完成一条指令
的读取和执行后，才会执行下一条指令。

这样，PC 始终指向的正在执行的指令。

而对于ARM7 来说因为是3 级流水线，所以把指令的处理分为了上面所述的。

流水线工作原理
流水线工作原理是指将一个任务或工作分解成若干个子任务，并按照固定的顺序和时间间隔进行处理。

流水线工作原理的核心思想是将任务分成几个工序，然后每个工序由专门的人员或机器来完成，最终将所有工序的结果组合起来得到最终的结果。

流水线工作原理通常包括以下几个步骤：
1. 拆分任务：首先将任务分解成若干个独立的子任务，每个子任务可以独立地在一个工序上进行处理。

2. 分配工序：根据任务的性质和要求，将每个子任务分配到对应的工序上，每个工序负责执行特定的处理操作。

3. 协同作业：在流水线上，不同的工序按照固定的顺序进行处理，每个工序在完成任务后将结果传递给下一个工序。

4. 时间调度：为了保证流水线的效率和稳定性，需要严格控制每个工序的处理时间，使得每个工序在规定的时间内完成任务，并迅速转移给下一个工序。

5. 故障处理：在流水线操作过程中，可能出现故障或异常情况，需要能够快速发现并采取相应的措施来处理，以保证整个流水线的正常运转。

通过流水线工作原理，可以实现任务的快速、高效处理，并充分利用资源，提高生产效率。

同时，流水线工作原理也适用于
其他领域，如软件开发、项目管理等，可以帮助提高工作效率和质量。

流水线工作原理的关键在于任务的拆分和协调，同时还需要合理的时间调度和故障处理机制，以确保整个流水线的平稳运作。

第三章流水施工原理§3.1 流水施工的基本概念一、流水施工定义：类似于其它产业生产产品通过流水线作业可提高生产率，建筑施工也渴求采用流水作业以提高效率，不同之处是建筑产品的固定性决定了它的流水作业特点、人流产品不流，这样可充分利用时间和空间（工作面）、连续、均衡、有节奏地进行施工，从而提高生产率、缩短工期、降低成本。

（一）施工组织方式组织m幢同类型房屋或将同一幢房屋分成若干个施工区段进行施工时，组织施工的方法有以下3种：依次施工（顺序施工）；平行施工；流水施工流水施工优点：（1）缩短工期；（2）工作班组专业化、提高效率；（3）总的节约了投资成本。

Δ提倡采用流水思想组织施工1、依次施工组织方式定义特点2、平行施工组织方式定义特点3、流水施工组织方式定义特点（二）流水施工的技术经济效果（三）组织流水施工的条件1、划分施工过程2、划分施工段3、每个施工过程组织独立的施工队组4、主要施工过程必须连续、均衡地施工5、不同的施工过程尽可能组织平行搭接施工二、流水施工参数（一）工艺参数1、施工过程数（n）含义：指在组织流水施工时，用以表达流水施工在工艺上开展层次的有关过程称施工过程，施工过程数目记为n。

划分方法一个工程项目若干专业工程若干分部工程若干施工过程（又称分项工程或工序）。

划分目的为便于对工程施工进行具体的安排和进行相应的资源调配。

其划分与下列因素有关：⑴施工计划的性质与作用⑵施工方案及工程结构⑶劳动组织及劳动量大小④施工过程内容和工作范围举例：某砖混结构教学楼①基础阶段②主体结构阶段③屋面工程④装修阶段⑤零星工程：房卫、电气安装、……台阶、花池……。

2、流水强度⑴机械施工过程的流水强度⑵人工施工过程的流水强度（二）空间参数1、工作面2、施工段数和施工层数Δ两步法①书上原则根据结构划；②m与n关系有时满足①不一定满足②，允许这样。

（如工种多n大，但工程量、建筑面积小，m不可能过大，否则无意义。

第三章答案三、流水线技术（80空）1、对阶尾数相加2、求阶差规格化3、时间流水线的各段4、尽量相等流水线的瓶颈5、通过时间大量重复的时序输入端能连续地提供任务6、静态动态7、部件级处理机级8、标量流水处理机向量流水处理机9、线性流水线非线性流水线10、执行/有效地址计算周期存储器访问/分支完成周期11、译码读寄存器12、ALUoutput←A op B ALUoutput←NPC + Imm13、分支 STORE指令14、ALU指令 LOAD指令15、单周期多周期16、重复设置指令执行功能部件流水17、吞吐率等功能非流水线18、通过时间排空时间19、流水线寄存器的延迟时钟扭曲20、数据相关控制相关21、结构相关数据相关22、结构数据23、硬件开销功能单元的延迟24、写后读读后写写后读25、写后读读后写26、PC值改变为分支转移的目标地址 PC值保持正常（等于当前值加4）27、目标地址分支转移条件不成立28、8 存储器29、多功能线性 830、水平处理方式垂直处理方式31、纵向处理方式纵横处理方式32、存储器向量寄存器33、访问存储器的次数对存储器带宽的要求34、每秒执行多少指令（MIPS）每秒取得多少个浮点运算结果（MFLOPS）35、512 836、链接技术向量循环或分段开采技术37、源向量结果向量38、向量功能部件标量寄存器向量寄存器块39、向量寄存器向量功能部件3.1 流水线的基本概念1、流水线：将一个重复的时序过程，分解为若干个子过程，而每一个子过程都可有效地在其专用功能段上与其他子过程同时执行。

2、单功能流水线：只能完成一种固定功能的流水线。

3、多功能流水线：流水线的各段可以进行不同的连接，从而使流水线在不同的时间，或者在同一时间完成不同的功能。

4、静态流水线：同一时间内，流水线的各段只能按同一种功能的连接方式工作。

5、动态流水线：同一时间内，当某些段正在实现某种运算时，另一些段却在实现另一种运算。

第3章流水线技术3.1解释下列术语流水线：将一个重复的时序过程，分解成为若干个子过程，而每一个子过程都可有效地在其专用功能段上与其它子过程同时执行。

单功能流水线：指流水线的各段之间的连接固定不变、只能完成一种固定功能的流水线。

多功能流水线：指各段可以进行不同的连接，以实现不同的功能的流水线。

静态流水线：指在同一时间内，多功能流水线中的各段只能按同一种功能的连接方式工作的流水线。

当流水线要切换到另一种功能时，必须等前面的任务都流出流水线之后，才能改变连接。

动态流水线：指在同一时间内，多功能流水线中的各段可以按照不同的方式连接，同时执行多种功能的流水线。

它允许在某些段正在实现某种运算时，另一些段却在实现另一种运算。

部件级流水线：把处理机中的部件进行分段，再把这些部件分段相互连接而成。

它使得运算操作能够按流水方式进行。

这种流水线也称为运算操作流水线。

处理机级流水线：又称指令流水线。

它是把指令的执行过程按照流水方式进行处理，即把一条指令的执行过程分解为若干个子过程，每个子过程在独立的功能部件中执行。

处理机间流水线：又称为宏流水线。

它是把多个处理机串行连接起来，对同一数据流进行处理，每个处理机完成整个任务中的一部分。

前一个处理机的输出结果存入存储器中，作为后一个处理机的输入。

线性流水线：指各段串行连接、没有反馈回路的流水线。

数据通过流水线中的各段时，每一个段最多只流过一次。

非线性流水线：指各段除了有串行的连接外，还有反馈回路的流水线。

顺序流水线：流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流入的顺序完全相同。

乱序流水线：流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流入的顺序可以不同，允许后进入流水线的任务先完成。

这种流水线又称为无序流水线、错序流水线、异步流水线。

吞吐率：在单位时间内流水线所完成的任务数量或输出结果的数量。

流水线的加速比：使用顺序处理方式处理一批任务所用的时间与按流水处理方式处理同一批任务所用的时间之比。

硬件基础名词解释流水线技术:将功能部件分离、执行时间重叠的一种技术，它可以在增加尽可能少的硬件设备情况下有效地提高CPU性能。

超流水线技术:把流水段进一步细分，使各段的功能部件在每个时钟周期内被使用多次，这样，在一个时钟周期内多条指令流入流水线，即在一个基本时钟周期内分时发射多条指令。

超标量:超标量处理器是指在处理器中安排多个指令执行部件，多条指令可以被同时启动和独立执行。

多核技术:在一个处理器封装中包含多个处理器核心。

超长指令字: VLIW中编译器经过优化策略，将多条能并行执行的指令合并成一条具有多个操作码的超长指令。

微程序：完成指定任务的微指令序列称为微程序。

微程序存储器：存放计算机指令系统所对应的所有微程序的一个专门存储器。

通道程序：通道控制器和I/O处理器可以独立地执行一系列的I/O操作，I/O操作序列被称为I/O通道程序。

指令系统：一台计算机能执行的机器指令全体称为该机的指令系统。

堆栈：堆栈是一种按特定顺序访问的存储区；其特点是后进先出(LIFO)或先进后出(FILO)。

输入输出系统：通常把I/O设备及其接口线路、控制部件、通道或I/O处理器以及I/O软件统称为输入输出系统。

接口：接口是CPU与“外部世界”的连接电路，负责“中转”各种信息。

中断：由于内部/外部事件或由程序的预先安排引起CPU暂停现行程序，转而处理随机到来的事件，待处理完后再回到被暂停的程序继续执行，这个过程就是中断。

中断系统：是计算机实现中断功能的软、硬件的总称。

中断向量：把中断服务程序的首址PC和初始PSW称为中断向量。

数据通路：数据在功能部件之间传送的路径称为数据通路。

寻址方式：指定当前指令的操作数地址以及下条指令地址的方法称为寻址方式。

有效地址：数据实际存在的存储器地址。

波特率：单位时间内传送的二进制数据的位数，以位/秒（b/s）表示，也称为数据位率。

它是衡量串行通信速率的重要指标。

指令助记符：为了便于书写和阅读程序，每条指令通常用3个或4个英文缩写字母来表示。