系统架构师【操作系统：流水线】

怼烎@ 2022-12-11 13:40 249阅读 0赞

## 一.简介 ##

流水线技术把一个任务分解为若干顺序执行的字任务，不同的子任务由不同的执行机构负责执行，而这些机构可以同时并行工作，任一任务只占用其中一个执行机构，这样就可以实现多个任务的重叠执行，以提高工作效率。

## 二.流水线周期 ##

流水线应用过程中，会将需要处理的工作分为N各阶段，最耗时的那一段所消耗的时间为流水线周期。如：使用流水线技术执行100条指令，每条指令取址2ms，分析4ms，执行1ms，则流水周期为4ms。

## 三.计算流水线执行时间 ##

延续上面的场景，将一个任务的执行过程可分为N各阶段，假设每个阶段完成时间为t，则完成该任务所需的时间为Nt。若以传统的方式，则完成k各任务所需的时间是kNt；而使用流水线技术执行，且花费的时间是Nt + (k - 1)t。也就是说，除了第1个任务需要完整的时间外，其他都通过并行执行以节省大量时间。所以流水线的执行时间可通俗的表达为：流水线执行时间 = 第1条指令的执行时间 + （n - 1）\* 流水线周期  
备注：n为需要执行的任务数量。  
而实际上，真正的流水线处理时，考虑到处理的复杂性，会将指令的每个阶段的时间统一为指令中最长的阶段时间，即1条指令的执行时间为：4ms + 4ms + 4ms = 12ms。（考试时次要考虑）

## 四.流水线的吞吐率 ##

流水线的吞吐率TP是指在单位时间内流水线所完成的任务数量换货输出的结果数量。也称平均吞吐率、实际吞吐率。计算流水线吞吐率的最基本的公式如下：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI3NjAwNzIz_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

## 五.流水线的加速比 ##

在流水线中，因为在同一时刻，有多个任务在重叠执行，虽然完成一个任务的时间与单独执行该任务相近，但是从整体上看完成多个任务所需的时间则大大减少。

完成同样一批任务，不使用流水线所用的时间与使用流水线所用的时间之比称为流水线的加速比。如果不使用流水线，即顺序执行所用的时间为T0，使用流水线的执行时间Tk，则计算流水线加速比的基本公式如下：  
![在这里插入图片描述][20201001181704158.png_pic_center]  
如果流水线各个流水段的执行时间都相等Dt，则一条k段流水线完成n各连续任务所需要的时间为(k+n-1)Dt。如果不使用流水线，即顺序执行者n个任务，则所需要的时间为nkDt。因此，各个流水线段执行时间均相等的一条k段流水线完成n各连续任务时的实际加速比为：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI3NjAwNzIz_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

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