流水线技术--流水线中的相关

34流水线中的相关3 4流水线中的相关流水线中的相关是指相邻或相近的指令因存在某种关联，后面的指令不能在原指定的时钟周期开始执行。

一般来说，流水线中的相关主要分为如下三种类型：1.结构相关：当硬件资源满足不了指令重叠执行的要求，而发生资源冲突时，就发生了结构相关。

2.数据相关：当一条指令需要用到前面指令的执行结果，而这些指令均在流水线中重叠执行时，就可能引起数据相关。

3.控制相关：当流水线遇到分支指令和其它能够改变PC值的指令时，就会发生控制相关。

一旦流水线中出现相关，必然会给指令在流水线中的顺利执行带来许多问题，如果不能很好地解决相关问题，轻则影响流水线的性能，重则导致错误的执行结果。

消除相关的基本方法是让流水线暂停执行某些指令，而继续执行其它一些指令。

在后面的讨论中,我们约定：当一条指令被暂停时，在该暂停指令之后发射的所有指令都要被暂停，而在该暂停之前发射的指令则可继续进行，在暂停期间，流水线不会取新的指令。

如果某些指令组合在流水线中重叠执行时，产生资源冲突，则称该流水线有结构相关。

为了能够在流水线中顺利执行指令的所有可能组合，而不发生结构相关，通常需要采用流水化功能单元的方法或资源重复的方法。

许多流水线机器都是将数据和指令保存在同一存储器中。

如果在某个时钟周期内，流水线既要完成某条指令对数据的存储器访问操作，又要完成取指令的操作，那么将会发生存储器访问冲突问题(如图3.3.1所示)，产生结构相关。

为了解决这个问题，可以让流水线完成前一条指令对数据的存储器访问时，暂停取后一条指令的操作(如图3.3.2所示)。

该周期称为流水线的一个暂停周期。

暂停周期一般也称为流水线气泡，或简称为气泡。

从图3.3.2可以看出，在流水线中插入暂停周期可以消除这种结构相关。

图3.3.1由于存储器访问冲突而带来的流水线结构相关图3.3.2为消除结构相关而插入的流水线气泡也可以用如图3.3.3所示的时空图来表示上述暂停情况。

第三章流水线技术知识点汇总先行控制、流水线、单功能流水线、多功能流水线、静态流水线、动态流水线、部件级流水线、处理机级流水线、处理机间流水线、线性流水线、非线性流水线、顺序流水线、乱序流水线、时空图、流水线性能评价（吞吐率、加速比、效率）、解决流水线瓶颈问题方法、相关（数据相关、名相关、控制相关）、换名技术、流水线冲突（结构冲突、数据冲突、控制冲突）、流水线互锁机制、定向技术、指令调度、预测分支失败、预测分支成功、延迟分支（从前调度、从失败处调度、从成功处调度）、流水寄存器、3种向量处理方式（横向、纵向、纵横）、链接技术。

简答题1.流水技术有哪些特点？（答出4个即可）（知识点：流水线）答：1.将处理过程分解为若干子过程，由专门的功能部件来实现，2各段的时间尽可能相等，3各部件间都有一个缓冲寄存器，4适用于大量重复的时序过程，5需要通过时间和排空时间。

2.什么是静态流水线？什么是动态流水线？（知识点：静态流水线、动态流水线）答：同一时间段内，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；同一时间段内，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。

3.什么是单功能流水线？什么是多功能流水线？（知识点：单功能流水线、多功能流水线）答：只能完成一种固定功能的流水线。

流水线的各段可以进行不同的连接，以实现不同的功能。

4.什么是线性流水线？什么是非线性流水线？（知识点：线性流水线、非线性流水线）答：流水线的各段串行连接，没有反馈回路。

流水线中除了有串行的连接外，还有反馈回路。

5.列举3种相关。

（知识点：相关）答：数据相关，名相关，控制相关。

6.流水线中有哪三种冲突？各是什么原因造成的？（知识点：流水线冲突）答：结构冲突，硬件资源满足不了指令重叠执行的要求；数据冲突，指令在流水线中重叠执行时需要用到前面指令的执行结果；控制冲突，流水线遇到分支指令和其他会改变PC值的指令。

7.选择至少2种解决流水线结构冲突的方法简述。

在高性能计算中，流水线技术是一种重要的优化手段，可以提高计算效率和性能。

本文将从流水线技术的基本原理、流水线相关的问题以及流水线技术的应用等几个方面进行分析。

1. 流水线技术的基本原理流水线技术是将一项复杂的任务分解为多个子任务，并将它们分别在不同的处理阶段进行处理，从而实现并行计算。

流水线中的每个阶段都有专门的功能和任务，每个阶段的输出作为下一个阶段的输入，形成了一条流水线的运行模式。

流水线技术的基本原理是时间重叠和空间共享。

通过将一个任务划分为多个阶段，在每个阶段的同时进行处理，可以充分利用硬件资源，加快计算速度。

同时，由于每个阶段的处理结果会在下一个阶段使用，可以保持计算流程的连续性，提高整体性能。

2. 流水线相关的问题尽管流水线技术可以提高计算效率，但也存在一些问题需要解决。

首先是数据依赖性问题，即某个阶段的计算结果依赖于前面阶段的计算结果。

一旦前面的计算结果尚未完成，后续的计算就无法进行，从而导致流水线停顿，降低了整体性能。

此外，流水线中的每个阶段都需要有足够的处理时间，否则就会出现阶段饱和的情况。

而某些任务可能会引起阶段的处理时间不均匀，从而导致流水线的性能下降。

3. 流水线技术的应用流水线技术在高性能计算中有着广泛的应用，尤其是在图像处理、模拟计算、数据压缩等领域。

以图像处理为例，流水线可以将图像的不同处理任务划分为多个阶段，从而实现并行计算，提高图像处理的速度和效率。

此外，在模拟计算中，流水线技术可以将复杂的数值计算过程分解为多个阶段，并分别在不同的处理器上进行计算，从而实现并行计算，提高计算效率。

在数据压缩方面，流水线技术可以将压缩的不同处理步骤划分为多个阶段，每个阶段负责一个处理步骤，从而加快数据压缩的速度。

总之，流水线技术作为一种重要的优化手段，在高性能计算中发挥着重要作用。

通过合理地使用流水线技术，可以提高计算效率和性能，进而满足不同领域对计算速度和效率的需求。

对流水线技术的进一步研究和改进，有助于更好地发挥高性能计算的潜力，推动科学技术的发展。

计算机组成与体系结构——流⽔线相关知识点（常考计算） 流⽔线是软考中经常考的⼀部分内容，并且常以要求计算的形式出现，所以，这⾥详细总结⼀下流⽔线的相关知识点。

流⽔线的概念 流⽔线是指在程序执⾏时多条指令重叠进⾏操作的⼀种准并⾏处理实现技术。

即可以同时为多条指令的不同部分进⾏⼯作，以提⾼各部件的利⽤率和指令的平均执⾏速度。

我们都知道，在执⾏⼀条指令的过程中，最少要经历取指分析执⾏三个步骤，也就是说，假设有三个指令1 、2、 3，当我们在正常情况下，在执⾏指令1的时候，会⾸先对指令1按照以上三个步骤进⾏处理，处理完毕后在对指令2进⾏处理，以此类推。

⽽流⽔线的应⽤，就是像我们在⼯⼚中⼀样，当对指令1进⾏分析⼯作时，同时对指令2进⾏取指，继续执⾏，当指令1到达执⾏阶段时，指令2进⼊分析阶段1同时对于指令3进⾏取指处理，这样就⼤⼤增加了对于时间的利⽤率。

流⽔线的计算 1、流⽔线的执⾏时长 ①关于流⽔线的周期，我们需要知道的是，流⽔线周期（△t）为指令执⾏阶段中执⾏时间最长的⼀段。

②流⽔线的计算公式为： 完成⼀条指令所需的时间+（指令条数-1）*流⽔线周期，在这个公式中，⼜存在理论公式和实践公式。

理论公式： 实践公式：（k+n-1）*△t k为⼀条指令所包含的部分的多少 例题：若指令流⽔线⼀条指令分为取指、分析、执⾏三个阶段，并且这三个阶段的时间分别为取指1ns，分析2ns，执⾏1ns，则流⽔线的周期为多少？100条指令全部执⾏完毕需要执⾏的时间是多少？ 分析：上⾯已经说过，流⽔线的周期为花费时间最长的阶段所花费的时间，所以流⽔线的周期就是2ns。

根据理论公式，T=（1+2+1）+（100-1）*2=4+99*2=202ns 根据实践公式，T=（3+100-1）*2=204ns 在这⾥，需要注意的是，因为流⽔线的理论公式和实践公式的结果不⼀样，但是在考试过程中可能都会考到，所以，在应⽤时，先考虑理论公式，后考虑实践公式。

软件设计师计算机体系结构考点：流水线技术【考法分析】本考点涉及的考查形式有：（1）流水线相关理论概念；（2）流水线相关计算。

【要点分析】1.流水线理论概念（1）流水线是指在程序执行时多条指令重叠进行操作的一种准并行处理实现技术。

各种部件同时处理是针对不同指令而言的，它们可同时为多条指令的不同部分进行工作，以提高各部件的利用率和指令的平均执行速度。

（2）流水线建立时间：1条指令执行时间。

（3）流水线周期：执行时间最长的一段。

2、流水线相关计算：（1）流水线执行时间（理论公式）：（t1+t2+..+tk）+（n-1）*∆t。

（2）流水线执行时间（实践公式）：k*∆t +（n-1）*∆t。

（3）流水线吞吐率：TP = 指令条数/ 流水线执行时间。

（4）流水线最大吞吐率1 / ∆t。

（5）流水线加速比：顺序执行时间/流水线执行时间。

【备考点拨】吞吐率：单位时间内流水线处理机流出的结果。

对指令而言就是单位时间内执行的指令数。

如果流水线子过程所用的时间不一样，则吞吐率P应为（最长子过程的倒数）。

流水线开始工作，需要经过一段时间才能达到最大吞吐率。

【相关考题】1.下列关于流水线方式执行指令的叙述中，不正确的是（）。

A.流水线方式可提高单条指令的执行速度B.流水线方式下可同时执行多条指令C.流水线方式提高了各部件的利用率D.流水线方式提高了系统的吞吐率2.流水线的吞吐率是指单位时间流水线处理的任务数，如果各段流水的操作时间不同，则流水线的吞吐率是（）的倒数。

A. 最短流水段操作时间B. 各段流水的操作时间总和C. 最长流水段操作时间D. 流水段乘以最长流水段操作时间。

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。

第3章流水线技术1. 流水技术有哪些特点？（1）流水过程由多个相联系的子过程组成，每个过程称为流水线的“级”或“段”。

（2）每个子过程由专用的功能段实现。

（3）各个功能段所需时间应尽量相等。

（4）流水线需要有“通过时间”，在此之后流水过程才进入稳定工作状态，每一个时钟周期(拍)流出一个结果。

（5）流水技术适合于大量重复的时序过程，只有在输入端能连续地提供任务，流水线的效率才能充分发挥。

2. 按照流水线所完成的功能来分，流水线可分为哪两类？（1）单功能流水线：只能完成一种固定功能的流水线。

（2）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。

3. 按照同一时间内各段之间的连接方式来分，流水线可分为哪两类？（1）静态流水线：在同一时间内，流水线的各段只能按同一种功能的连接方式工作。

（2）动态流水线：在同一时间内，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。

4. 按照流水的级别来分，流水线可分为哪三类？（1）部件级流水线（运算操作流水线）：把处理机的算术逻辑部件分段，以便为各种数据类型进行流水操作。

（2）处理机级流水线（指令流水线）：把解释指令的过程按照流水方式处理。

（3）处理机间流水线（宏流水线）：由两个以上的处理机串行地对同一数据流进行处理，每个处理机完成一项任务。

5. 按照数据表示来分，流水线可分为哪两类？（1）标量流水处理机：处理机不具有向量数据表示，仅对标量数据进行流水处理。

（2）向量流水处理机：处理机具有向量数据表示，并通过向量指令对向量的各元素进行处理。

6. 按照流水线中是否有反馈回路来分，流水线可分为哪两类？（1）线性流水线：流水线的各段串行连接，没有反馈回路。

（2）非线性流水线：流水线中除有串行连接的通路外，还有反馈回路。

7. 在5段流水线中，一条指令的执行需要几个时钟周期？它们分别是什么？一条指令的执行需要5个时钟周期。