寫(xiě)在前面
流水線技術(shù)是計(jì)算機(jī)中的一種相當(dāng)重要的技術(shù)纸泡。簡(jiǎn)單的說(shuō)漂问，流水線技術(shù)的出現(xiàn)使得計(jì)算機(jī)能夠支持并行計(jì)算，能夠并行執(zhí)行任務(wù)女揭。盡管流水線技術(shù)非常重要蚤假，但是很多小伙伴對(duì)流水線技術(shù)還是一知半解，甚至很多小伙伴根本不知道什么是流水線技術(shù)吧兔，今天磷仰，我們就一起來(lái)說(shuō)說(shuō)什么是流水線技術(shù)。
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流水線概念
流水線是指在程序執(zhí)行時(shí)境蔼，多條指令重疊進(jìn)行操作的一種準(zhǔn)并行處理的實(shí)現(xiàn)技術(shù)灶平。各種部件同時(shí)處理是針對(duì)不同指令而言的伺通，它們同時(shí)為多條指令的不同部分進(jìn)行工作，以提高各部件的利用率和指令的平均執(zhí)行速度逢享。
流水線的相關(guān)參數(shù)計(jì)算包括：流水線執(zhí)行時(shí)間計(jì)算罐监、流水線吞吐率、流水線加速比瞒爬、流水線效率弓柱。
在計(jì)算機(jī)中，對(duì)于指令的操作主要分為三個(gè)部分：取指疮鲫、分析和執(zhí)行吆你。如下所示。
如果執(zhí)行取值俊犯、分析和執(zhí)行各需要1ms的話妇多，則串行執(zhí)行三條指令的時(shí)間總共需要9ms。這是因?yàn)橐粭l執(zhí)行的操作需要經(jīng)過(guò)取指燕侠、分析和執(zhí)行三個(gè)步驟者祖，每個(gè)步驟需要1ms，執(zhí)行一條指令的時(shí)間為3ms绢彤，則串行執(zhí)行三條指令的時(shí)間為9ms七问。我們可以用下圖來(lái)表示這個(gè)過(guò)程。
在上圖的表示中茫舶，貌似執(zhí)行三條指令使用9ms是沒(méi)啥問(wèn)題的械巡。但是，如果我們把圖形改造一下饶氏，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的問(wèn)題讥耗。我們使用下面的圖形來(lái)表示執(zhí)行三條指令的情況。
此時(shí)疹启，我們發(fā)現(xiàn)古程，在上圖執(zhí)行指令操作的過(guò)程中，有很多空白的格子喊崖，而空白的格子表示在執(zhí)行執(zhí)行的過(guò)程中有空余的時(shí)間片資源沒(méi)有利用起來(lái)挣磨。很顯然，沒(méi)有必要等待指令1完全執(zhí)行完畢后再執(zhí)行指令2荤懂，同樣的茁裙，沒(méi)有必要等待指令2完全執(zhí)行完畢后再執(zhí)行指令3。而且势誊，我們發(fā)現(xiàn)按照上圖執(zhí)行完三條指令需要9ms時(shí)間呜达。
此時(shí)，如果將空余的時(shí)間片利用起來(lái)粟耻，則可以使用下圖來(lái)表示查近。
此時(shí)眉踱，在執(zhí)行三條指令的過(guò)程中，取指操作對(duì)指令1執(zhí)行完取指后霜威，馬上對(duì)指令2進(jìn)行取指谈喳，然后又馬上對(duì)指令3進(jìn)行取指；分析操作同樣是對(duì)指令1執(zhí)行完分析后戈泼，馬上對(duì)指令2進(jìn)行分析婿禽，然后又馬上對(duì)指令3進(jìn)行分析；執(zhí)行操作也是對(duì)指令1執(zhí)行完畢后大猛，馬上對(duì)指令2進(jìn)行執(zhí)行操作扭倾，然后又馬上對(duì)指令3進(jìn)行執(zhí)行操作。期間挽绩，將空余的時(shí)間片資源充分的利用起來(lái)了膛壹。而且，我們發(fā)現(xiàn)唉堪，充分利用空余的時(shí)間片后模聋，執(zhí)行三條指令的時(shí)間由原來(lái)的9ms變?yōu)楝F(xiàn)在的5ms。
從另一個(gè)角度唠亚，我們發(fā)現(xiàn)執(zhí)行完第一條指令時(shí)链方，需要3ms，執(zhí)行完第二條指令時(shí)灶搜，只需要在執(zhí)行完第一條指令的基礎(chǔ)上增加1ms祟蚀。同樣的，執(zhí)行完第三條指令時(shí)割卖，只需要在執(zhí)行完第二條指令的基礎(chǔ)上增加1ms暂题。以后每增加一條指令，只需要增加1ms的時(shí)間便可以執(zhí)行完此條指令究珊。
這就是計(jì)算機(jī)中的流水線技術(shù)。接下來(lái)纵苛，我們就說(shuō)說(shuō)流水線技術(shù)的相關(guān)計(jì)算問(wèn)題剿涮。
流水線計(jì)算
關(guān)于流水線計(jì)算，我們先來(lái)看一個(gè)圖攻人。
在上圖中取试，我們可以看出，執(zhí)行完第一條指令時(shí)怀吻，需要3ms時(shí)間瞬浓，執(zhí)行完第二條指令時(shí)，只需要在執(zhí)行完第一條指令的基礎(chǔ)上增加1ms蓬坡；執(zhí)行完第三條指令時(shí)猿棉，只需要在執(zhí)行完第二條指令的基礎(chǔ)上增加1ms磅叛。以此類(lèi)推，執(zhí)行完第n條指令時(shí)萨赁，只需要在執(zhí)行第n-1條指令的基礎(chǔ)上增加1ms弊琴。說(shuō)到這里，不知道小伙伴們有沒(méi)有思考這樣一個(gè)問(wèn)題杖爽，流水線技術(shù)的這種規(guī)律就涉及到一個(gè)非常重要的概念敲董，叫作 流水線周期。
流水線周期為執(zhí)行時(shí)間最長(zhǎng)的一段慰安，上圖中的流水線周期為1ms
流水線的計(jì)算公式為：
1條指令執(zhí)行時(shí)間 + （指令條數(shù) -1）* 流水線周期
流水線的理論公式如下所示腋寨。
(t1 + t2 + ... + tk) + (n-1) * △t
其中t1,t2...tk表示執(zhí)行一條指令的每個(gè)步驟分別需要的時(shí)間，n為指令的條數(shù)化焕，△t為流水線周期萄窜。
流水線的實(shí)踐公式如下所示耸采。
k*△t + (n-1) * △t
其中掐禁，k為執(zhí)行一條指令的步驟數(shù)，n為指令的條數(shù)冯痢，△t為流水線周期元莫。
這里赖阻，給小伙伴們舉一個(gè)例子。
例如踱蠢，一條執(zhí)行的執(zhí)行過(guò)程可以分解為取指火欧，分析和執(zhí)行三步，在取指時(shí)間t取指=3△t茎截，分析時(shí)間分析=2△t苇侵，執(zhí)行時(shí)間t執(zhí)行=4△t的情況下，若按照串行方式執(zhí)行企锌，則10條指令全部執(zhí)行完需要多少△t榆浓？若按照流水線方式執(zhí)行，流水線周期為多少△t撕攒？使用流水線方式時(shí)陡鹃，執(zhí)行完10條指令需要多少△t？
（1）串行方式比較簡(jiǎn)單抖坪，就是將每條指令的執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行累加萍鲸。
（3△t + 2△t + 4△t） * 10 = 90△t。
（2）在執(zhí)行一條指令的過(guò)程中擦俐，取指為3△t脊阴，分析為2△t，執(zhí)行為4△t。根據(jù)流水線中對(duì)于流水線周期的定義：流水線周期為執(zhí)行時(shí)間最長(zhǎng)的一段嘿期，所以品擎，流水線周期為4△t。
（3）使用流水線方式時(shí)秽五，執(zhí)行完10條指令需要的時(shí)間可以使用如下方式進(jìn)行計(jì)算孽查。
這里，我們分別計(jì)算下理論時(shí)間和實(shí)踐時(shí)間坦喘。
- 理論時(shí)間
(3△t + 2△t + 4△t) + (10-1) * 4△t = 45△t盲再。
- 實(shí)踐時(shí)間
3 * 4△t + (10-1) * 4△t = 48△t。
超標(biāo)量流水線
關(guān)于超標(biāo)量流水線瓣铣，我們可以使用下圖來(lái)表示答朋。
在超標(biāo)量流水線中，有一個(gè)概念叫作度棠笑。度表示在超標(biāo)量流水線中梦碗，由幾條流水線組成。例如上面的圖中蓖救，超標(biāo)量流水線由兩條流水線組成洪规，所以，度為2循捺。此時(shí)的超標(biāo)量流水線可以同時(shí)進(jìn)行2個(gè)操作斩例。也就是說(shuō)，可以同時(shí)執(zhí)行兩個(gè)取指操作从橘，可以同時(shí)執(zhí)行兩個(gè)分析操作念赶，也可以同時(shí)執(zhí)行兩個(gè)執(zhí)行操作。
如果此時(shí)有10條指令需要執(zhí)行恰力，使用以上超標(biāo)量流水線的話叉谜，只需要10 / 2 = 5 條指令的時(shí)間。
流水線吞吐率計(jì)算
流水線的吞吐率（TP）是指在單位時(shí)間內(nèi)流水線所完成的任務(wù)數(shù)量或輸出的結(jié)果數(shù)量踩萎。計(jì)算流水線吞吐流程的最基本的公式如下所示停局。
流水線最大吞吐率計(jì)算公式如下所示。
流水線的吞吐率計(jì)算問(wèn)題相對(duì)來(lái)說(shuō)還是比較簡(jiǎn)單的香府。
好了翻具，今天就到這兒吧，我是冰河回还，大家有啥問(wèn)題可以在下方留言，一起交流技術(shù)叹洲，一起進(jìn)階柠硕，一起牛逼~~
