计算机流水线技术分析

　　计算机系统结构研究、分析的目的就是为了提高计算机性能，为此，我们采用了许多提高性能的设计思想和技术。流水线技术就是其中最重要的设计思想之一。流水线技术在现代的计算机系统结构中是最普遍的1种技术。

　　流水线技术的基本思想在冯·诺依曼（VonNeumann）归纳的第一台存储程序计算机中已经提出。1946年Burks等人提出的运算与输入／输出重叠操作是当今计算机中广泛使用的流水线技术的原始雏形。尽管冯·诺依曼没有在他设计的第一台计算机中实现输入／输出功能，但当磁芯存储器第一次出现，并作为主要存储介质后，流水线设计思想迅速发展。

　　流水线技术是一种将每条指令分解为多步，并让各步操作重叠，从而实现几条指令并行处理的技术。

　　流水线（pipeline）技术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。流水线的工作方式就象工业生产上的装配流水线。在CPU中由5—6个不同功能的电路单元组成一条指令处理流水线，然后将一条X86指令分成5—6步后再由这些电路单元分别执行，这样就能实现在一个CPU时钟周期完成一条指令，因此提高CPU的运算速度。经典奔腾每条整数流水线都分为四级流水，即指令预取、译码、执行、写回结果，浮点流水又分为八级流水。

　　流水线技术通过多个功能部件并行工作来缩短程序执行时间，提高处理器核的效率和吞吐率，从而成为微处理器设计中最为重要的技术之一。

　　流水线具体分类：

　　流水线功能繁杂，种类也非常多；如果按照处理级别来分类，流水线可以有操作部件级、指令级和处理机级；如果按照流水线可以完成的动作的数量来分类，又可以分为单功能和多功能流水线；如果按照流水线内部的功能部件的连接方式来分类，则有线性流水线和非线性流水线；按照可处理对象来分类，还可以有标量流水线和向量流水线。

　　1、按处理级别分：

　　功能部件级：在实现较为复杂的运算时采用

　　指令级：将一条指令执行过程分为多个阶段

　　处理器间级：每个处理器完成其专门的任务。

　　2、按完成的功能分类：

　　单功能流水线：只完成一种如乘法或浮点运算等，多用于数字信号处理器（DSP），各处理器可并行完成各自的功能，加快整机处理速度。

　　多功能流水线：在不同情况下可完成不同功能

　　3、按连接的方式分类：

　　静态流水线：同一时间内，多功能结构只能按一种功能的连接方式工作。

　　动态流水线：同一时间内，可以有多种功能的连接方式同时工作。

　　4、按处理的数据类型分类：

　　标量流水线：一般数据

　　向量流水线：矢量数据。X+Y=Z每一个代表一维数据。

　　5、流水线结构上分类：

　　线性流水线：指各功能模块顺序串行连接，无反馈回路，如前面介绍的。

　　非线性流水线：带有反馈回路的流水线。

　　ARM7处理器核使用了典型三级流水线的冯·诺伊曼结构，ARM9系列则采用了基于五级流水线的哈佛结构。通过增加流水线级数简化了流水线各级的逻辑，进一步提高了处理器的性能。ARM7的三级流水线在执行单元完成了大量的工作，包括与操作数相关的寄存器和存储器读写操作、ALU操作以及相关器件之间的数据传输。执行单元的工作往往占用多个时钟周期，从而成为系统性能的瓶颈。ARM9采用了更为高效的五级流水线设计，增加了2个功能部件分别访问存储器并写回结果，且将读寄存器的操作转移到译码部件上，使流水线各部件在功能上更平衡；同时其哈佛架构避免了数据访问和取指的总线冲突。

　　ARM7流水线技术

　　ARM7系列处理器中每条指令分取指、译码、执行三个阶段，分别在不同的功能部件上依次独立完成。取指部件完成从存储器装载一条指令，通过译码部件产生下一周期数据路径需要的控制信号，完成寄存器的解码，再送到执行单元完成寄存器的读取、ALU运算及运算结果的写回，需要访问存储器的指令完成存储器的访问。流水线上虽然一条指令仍需3个时钟周期来完成，但通过多个部件并行，使得处理器的吞吐率约为每个周期一条指令，提高了流式指令的处理速度，从而可达到O．9MIPS／MHz的指令执行速度。

　　在三级流水线下，通过R15访问PC(程序计数器)时会出现取指位置和执行位置不同的现象。这须结合流水线的执行情况考虑，取指部件根据PC取指，取指完成后PC+4送到PC，并把取到的指令传递给译码部件，然后取指部件根据新的PC取指。因为每条指令4字节，故PC值等于当前程序执行位置+8。

　　ARM9流水线技术

　　ARM9系列处理器的流水线分为取指、译码、执行、访存、回写。取指部件完成从指令存储器取指；译码部件读取寄存器操作数，与三级流水线中不占有数据路径区别很大；执行部件产生ALU运算结果或产生存储器地址(对于存储器访问指令来讲)；访存部件访问数据存储器；回写部件完成执行结果写回寄存器。把三级流水线中的执行单元进一步细化，减少了在每个时钟周期内必须完成的工作量，进而允许使用较高的时钟频率，且具有分开的指令和数据存储器，减少了冲突的发生，每条指令的平均周期数明显减少。

　　流水线技术提高了处理器的并行性，与串行CPU相比大大提高了处理器性能。通过调节指令序列的方法又能够有效地避免流水线冲突的发生，从而提高了流水线的执行效率。

　　1.流水线深度（级数）增加所带来的影响。

　　ARM7采用3级流水线，ARM9采用5线流水线，ARM10采用6级流水线，但是随着流水线深度的增加，指令的吞吐量提高了，每一段的工作量被消减了，使得处理器可以工作在更高的频率，同时也改善了性能，但系统延时(latency)也增加了，这是因为在内核执行一条指令前，需要更多的周期来填充流水线。并且，时钟频率的增加，指令执行周期也相应缩减了，这就要求减小指令执行周期的时间，也就对硬件设计带来了更大的要求。所以，流水线深度并不是越深越好。

　　2.流水线执行特点

　　ARM流水线的一条指令只有在完全通过”执行”阶段才被处理。这句话很重要，也就是说，当处理器开始取第四条指令时，第一条指令才完成执行。我们如果不考虑流水线的设计，只看它的原理，其实是很简单的，他的复杂之处在于发生流水线冒险时，如何保证其工作得仍然很好。

　　流水线冒险一般分为控制冒险和数据冒险，而数据冒险一般可分为阻塞(即下一条指令依赖于前一条指令的结果)、分支和跳转、异常（异常和中断）。由于ARM是硬件flush流水设计的，当发生冒险时，会暂停取指，然后清流水，(MIPS解决冒险通常依赖于编译器，比如插入一条NOP指令及重新排列指令序列)。

　　流水线性能指标：

　　衡量一种流水线处理方式的性能高低的书面数据主要由吞吐率、效率和加速比这三个参数来决定。

　　吞吐率

　　指的是计算机中的流水线在特定的时间内可以处理的任务或输出数据的结果的数量。流水线的吞吐率可以进一步分为最大吞吐率和实际吞吐率。它们主要和流水段的处理时间、缓存寄存器的延迟时间有关，流水段的处理时间越长，缓存寄存器的延迟时间越大，那么，这条流水线的吞吐量就越小。因为，在线性流水线中，最大吞吐率Tpmax=流水线时钟周期△T/1=max（T1,...Ti,..Tm）+T1/1，而其中，m是流水线的段数，i是特定过程段执行时间。如果，一条流水线的段数越多，过程执行时间越长，那么，这条流水线的理论吞吐率就越小。

　　由此，要对于流水线的瓶颈部分的处理主要在于减少流水段的处理时间。实现的方法一般有两种：

　　1、把瓶颈部分的流水线分拆，以便任务可以充分流水处理。流水段的处理时间过长，一般是由于任务堵塞造成的，而任务的堵塞会导致流水线不能在同一个时钟周期内启动另一个操作，可以把流水段划分，在各小流水段中间设置缓存寄存器，缓冲上一个流水段的任务，使流水线充分流水。假如X流水段的处理时间为3T，可以把X流水段再细分成3小段，这样，每小段的功能相同，但是处理时间已经变成3T/3=T了。

　　2、在瓶颈部分设置多条相同流水段，并行处理。对付流水段的处理时间过长，还有另外一种方法，那就是把瓶颈流水段用多个相同的并联流水段代替，在前面设一个分派单元来对各条流水段的任务进行分派。仍然假设瓶颈流水段的处理时间是△3T，那么经过3条并联流水段的同时处理，实际需要的时间只是△T。这样，就达到了缩短流水段处理时间，但这种方法比较少以采用，因为要3段相同的流水段并联，成本较高，而且，分派单元会比较麻烦处理。

　　加速比

　　是指某一流水线如果采用串行模式之后所用的时间T0和采用流水线模式后所用时间T的比值，数值越大，说明这条流水线的工作安排方式越好。

　　效率

　　使用效率：指流水线中，各个部件的利用率。由于流水线在开始工作时存在建立时间；在结束时存在排空时间，各个部件不可能一直在工作，总有某个部件在某一个时间处于闲置状态。用处于工作状态的部件和总部件的比值来说明这条流水线的工作效率。

　　小编结语：

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