流水线的通用原理

• 流水线化的一个特性：提高了系统的吞吐量

计算流水线

• 在现代逻辑设计中，电路延迟以微微秒或皮秒(\(10^{-12}\)秒)为单位来计算
• 吞吐量的计算公式：(\(吞吐量=\frac{1000ps}{执行一条指令的延迟}\cdot\frac{1}{1ns}\)\)
  • 单位：每秒千兆条指令（GIPS）
• 对比顺序执行和流水线执行：
  • 顺序执行：
    • 吞吐量=\(\frac{1000 }{300 + 20} \approx 3.12GIPS\)
  • 流水线：
    • 吞吐量=\(\frac{1000}{100 + 20} \approx 8.33GIPS\)
    • 代价：增加了一些硬件，以及延迟的少量增加

流水线操作的详细说明

- 减缓时钟不会影响流水线的行为 - 信号传播到流水线寄存器的输入，但是直到时钟上升时才会改变寄存器的值 - 如果时钟运行的太快，则会发生灾难性的后果： - 值可能会来不及通过组合逻辑，因此当时钟上升时，寄存器的输入还不是合法的值

流水线的局限性

不一致的划分

• 运行时钟的速率是由最慢的阶段的延迟限制的
  • 这样的设计会使其他阶段出现空闲

流水线过深，收益反而下降

• 即使提高了吞吐量，但是由于延迟的增大，单位时间内能执行完成的指令数量并没有得到增加
• 寄存器更新引起的延迟问题
• 并且，吞吐量存在上限

带反馈的流水线系统

• 相邻的指令之间存在数据相关：
• 指令控制流造成的顺序相关：

这两种情况构成了后续的加载/使用数据冒险和控制冒险