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知识路径： > 计算机系统知识 > 计算机硬件知识 > 计算机系统组成和主要设备的基本工作原理 > CISC/RISC、流水线操作、多处理机、并行处理基本概念 > 计算机的系统结构 >
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相关知识点：9个
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计算机中的流水线是把一个重复的过程分解为若干个子过程，每个子过程与其他子过程并行进行。由于这种工作方式与工厂中的生产流水线十分相似，因此称为流水线技术。流水线技术是一种非常经济、对提高计算机的运算速度非常有效的技术。采用流水线技术只需增加少量硬件就能把计算机的运算速度提高几倍，成为计算机中普遍使用的一种并行处理技术。从本质上讲，流水线技术是一种时间并行技术。
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一条指令的执行过程可以分为多个阶段（或子过程），具体分法随计算机不同而不同。下图（a）中把一条指令的执行过程分成以下3个阶段：
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（1）取指令。按照指令计数器的内容访问主存储器，取出一条指令送到指令寄存器。
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（2）指令分析。对指令操作码进行译码，按照给定的寻址方式和地址字段中的内容形成操作数的地址，并用这个地址读取操作数。
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（3）指令执行。根据操作码的要求，完成指令规定的功能，即把运算结果写到通用寄存器或主存中。
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若假定上图（a）中取指令、分析指令和执行指令的时间相同，均为t，则完成n条指令所需时间T1为：
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若将一条指令的各个操作步与其后指令（一条或若干条）的各个操作步适当重叠执行，即形成指令执行的流水线，若假定上图（b）中取指令、分析指令和执行指令的时间相同，均为t，则完成n条指令所需时间T2为：
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传统的串行执行方式，优点是控制简单，节省设备。主要的缺点有两个：一是处理机执行指令的速度很慢，只有当上一条指令全部执行完毕后下一条指令才能够开始执行，即在任何时刻，处理机中只有一条指令在执行；二是功能部件的利用率很低，如取指令时主存是忙碌的，而指令执行部件是空闲的。而执行指令时指令执行部件是忙碌的，而主存又是空闲的。
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采用重叠执行方式后带来了两个优点：一是程序的执行时间大大缩短；二是功能部件的利用率明显提高。主存基本上可以处于忙碌状态，其他功能部件的利用率也得到提高。但是为此需要付出一定的代价，即需要增加一些硬件，控制过程也变得复杂一些。指令重叠执行方式实际上就是指令流水线，指令流水线是多条指令并行执行的一种实现技术。
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