计算机体系结构中的流水线

流水线技术是指将一个顺序过程分解为子操作，每个子操作在专用段中执行，该段与其他所有段同时运行。

流水线技术最重要的特点是，可以在不同的段中同时进行多个计算。通过将寄存器与流水线中的每个段关联起来，可以实现计算的重叠。寄存器提供每个段之间的隔离，以便每个段可以同时处理不同的数据。

流水线组织的结构可以通过为每个段包含一个输入寄存器，然后接一个组合电路来简单地表示。

让我们考虑一个结合乘法和加法的例子，以便更好地理解流水线组织。

结合乘法和加法运算是用一系列数字完成的，例如

     Ai* Bi + Ci for i = 1, 2, 3, ......., 7

要对这些数字执行的运算被分解为子操作，每个子操作要在流水线中的一个段内实现。

在流水线的每个段中执行的子操作定义为

R1  ← Ai,  R2 ← Bi		Input Ai, and Bi
R3 ← R1 * R2, R4 ← Ci	    Multiply, and input Ci
R5 ← R3 + R4			Add   Ci to product

以下框图表示流水线的组合和子操作在每个段中执行的情况。

寄存器 R1、R2、R3 和 R4 保存数据，组合电路在特定段中运行。

给定段中组合电路生成的输出将作为下一个段的输入寄存器应用。例如，从框图中我们可以看到寄存器 R3 用作组合加法器电路的输入寄存器之一。

一般来说，流水线组织适用于计算机设计的两个领域，其中包括

1. 算术流水线
2. 指令流水线

我们将在后面的部分中讨论这两个内容。

我们将在下面简要讨论这些内容，以提供一个总体思路。

1. 算术流水线

算术流水线是一种技术成形的处理流水线，旨在加速算术运算的实现。它是通用处理器图的一个理想部分，特别专注于提高数学计算的整体性能。

组成部分

• 加法阶段：在此阶段，流水线执行加法运算。它是一个关键的数学运算，通常被分解成子部分以进行有效处理。
• 乘法阶段：对于更复杂的数学运算，包括乘法，流水线中涵盖了一个密集级别。乘法由一系列部分积组成，算术流水线可以简化此设备。
• 除法阶段：除法是另一个可以利用流水线的算术运算。除法涉及多个步骤，将方法分解为流水线范围可以增强执行的总体速度。

优点

• 算术运算中的并行性：算术流水线通过将复杂的运算分解成小部分来利用并行性。这允许并发执行几个算术运算，从而大大提高了吞吐量。
• 优化的资源利用率：流水线结构允许最佳地使用处理资源。当一个算术运算位于乘法阶段时，另一个运算可能位于加法阶段，从而最大程度地提高了处理器的性能。
• 增强的计算速度：通过将算术运算分解成更小、可行的阶段，计算的总体速度得到提高。这在数学计算是主要组成部分的程序中尤其关键，例如医学计算或图像处理。

2. 指令流水线

指令流水线是处理器结构的一个关键组成部分，旨在促进多个命令的并发执行。它将指令的执行分解成不同的阶段，允许独特跨度同时处理独特的指令。

组成部分

• 指令提取 (IF)：第一阶段涉及从内存中提取指令。程序计数器用于决定下一个方法的地址。
• 指令解码 (ID)：在此阶段，提取的指令被解码，以确定要完成的操作并理解所涉及的操作数。
• 执行 (EX)：此阶段发生指令的实际计算或操作。它可能包括数学或逻辑运算。
• 内存访问 (MEM)：如果指令需要访问内存，则此阶段是分析数据或写入内存的地方。
• 写回 (WB)：最后阶段包括再次将结果注册到报告或内存中，并完成这些结果的执行。

优点

• 提高吞吐量：指令流水线允许命令通过处理器连续流动，从而增强了整体吞吐量。当一个指令处于执行阶段时，另一个指令可能处于解码阶段，从而提高了资源利用率。
• 更快的程序执行：通过重叠指令的执行，减少了执行一系列命令所需的时间。这种结果导致更快的软件执行，这是增强计算机系统整体性能的重要因素。
• 有效的资源管理：指令流水线允许通过允许流水线的各个级别同时运行来实现对资源的有效控制。这有助于命令的良好且精简的执行。

结论

简而言之，流水线是处理器布局的基石，通过并行性提供了一种系统有效的方法来增强整体性能。其应用范围从简单的实践流水线到现代 CPU 中看到的现代超标量架构。流水线技术的演进，加上存储器层次结构和 ILP 的改进，继续增强计算机系统的能力，推动计算能力的界限。将来，流水线的原理很可能对继续探索更快、更可信的计算结构至关重要。