体系结构笔记------流水线概述
Pipeline
流水线技术是指将一重复的时序过程分解为若干子过程，每个子过程都可有效地在其专用功能段上与其它子过程同时执行，这种技术称为流水技术。
这里重复的时序过程与子过程就是指将指令过程进行划分，指令划分之后的若干子过程之间并无相关与依赖，可以保证不同指令的不同子过程之间同时执行。
由于进行了过程划分，流水线的速度受制于最慢流水站的速度（指令划分的子过程中用时最长的）。
流水线无法缩短单个指令的执行时间，但是多个指令的指令流水是并行处理，可以提高吞吐率（单位时间内完成的任务数量）。
时空图
从时间和空间两个方面描述流水线的工作过程。
横坐标表示时间，纵坐标表示流水段。
特点：流水过程由多个相关的子过程组成，这些子过程称为流水线的“级”或“段”。段的数目称为流水线的“深度”。
每个子过程由专用的功能段实现，各功能段的时间应基本相等，通常为1个时钟周期。
流水线需要经过一定的通过时间才能稳定。
流水技术适合于大量重复的时序过程。
大致分类
操作功能
单功能流水线：只能完成一种固定功能的流水线。
多功能流水线：可以进行不同的连接，从而可以完成不同的功能。
通过对子过程的拆分重组可以实现不同功能的扩充。
连接方式
这个分类的前提是对多功能流水线进行的。
静态流水线：在同一时间内，流水线的各段只能按同一种功能的连接方式工作。
动态流水线：在同一时间内，当某些段正在实现某种运算时，另一些段却在实现另一种运算，同时执行多种功能。
流水级别
部件级：又叫运算操作流水线，把处理机的算术逻辑部件分段，使得各种数据类型的操作能够进行流水。
处理机级：又叫指令流水线，是把解释指令的过程按照流水方式处理。
处理机间：又叫宏流水线，是由两个以上的处理机串行地对同一数据流进行处理，每个处理机完成一项任务。
数据类型
标量流水处理机：仅对标量数据进行流水处理。
向量流水处理机：是指处理机具有向量数据表示，并通过向量指令对向量的各元素进行处理。
是否含有反馈回路
线性流水线：流水线的各段串行连接，没有反馈回路。
非线性流水线：除有串行连接的通路外，还有反馈回路。
流水线调度问题（非线性流水线）
确定什么时候向流水线注入新的输入，从而使新输入的数据和先前操作的反馈数据在流水线中不产生冲突，此即所谓流水线调度问题。
流入流出顺序
按照输出端任务流出顺序与输入端任务流入顺序是否相同划分。
乱序流动流水线也可称为无序流水线、错序流水线；
性能描述
吞吐率
吞吐率是指单位时间内流水线所完成的任务数或输出结果的数量(指令数)。
最大吞吐率
最大吞吐率TPmax ，是指流水线在达到稳定状态后的吞吐率。
最大吞吐率取决于流水线中最慢一段所需的时间。
假设流水线各段的时间相等，均为△t0
TPmax = 1/△t0
假设流水线各段时间不等，第i段时间为△ti
TPmax = 1/max{△ti }
实际吞吐率
实际吞吐率肯定比最大吞吐率小
实际吞吐率：完成的指令数/流水时间（n/T流水）
加速比
使用加速比来描述流水线的性能。大致定义为：
未使用流水前n个任务的使用时间 / 使用流水线后的用时
理想中的加速比为流水站数（划分的子过程数）
实际情况中无法达到这一效果，主要原因是流水线在流水站之间的速度不匹配，并且运算之间存在关联，需要通过填充或排空来保证运行与数据安全。
流水效率
效率指流水线对设备的利用率。
从时空图上看，效率就是n个任务所占的时空区与m个段总的时空区之比。
即浅色的矩形与深色部分的比值。
E=n个任务占用的时空区/m个段总的时空区
性能小结
流水线并不能减少（而且一般是增加）单条指令的执行时间，但能够提高吞吐率；
增加流水线的深度通常可以提高流水线性能；
流水线深度受限于流水线的延迟和额外开销；