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知识路径： > 计算机系统基础知识 > 硬件基础知识 > 计算机系统的组成、体系结构分类及特性 > CISC/RISC、流水线操作、多处理机、并行处理 > 计算机体系结构 >
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被考次数：7次
被考频率：中频率
总体答错率：43%
知识难度系数： 
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考试要求：掌握
相关知识点：6个
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流水线是指将一个较复杂的处理过程分为m个复杂程度相当、处理时间大致相等的子过程，每个子过程由一个独立的功能部件来完成，处理对象在各子过程连成的线路上连续流动，在同一时间，m个部件同时进行不同的操作，完成对不同对象的处理。
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流水处理技术是在重叠、先行控制方式的基础上发展起来的。
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（1）指令控制方式。指令控制方式有顺序方式、重叠方式和流水方式三种。
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①顺序方式。顺序方式是指各机器指令之间顺序串行地执行，执行完一条指令后才取下一条指令，而且每条机器指令内部的各个微操作也是顺序串行地执行。这种方式的优点是控制简单。缺点是速度慢，各部件的利用率低。
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②重叠方式。重叠方式是指在解释第K条指令的操作完成之前，就开始解释第K+1条指令，如下图所示。通常采用的是一次重叠，即在任何时候，指令分析部件和指令执行部件都只有相邻两条指令在重叠解释。这种方式的优点是速度有所提高，控制也不太复杂。缺点是会出现冲突、转移和相关等问题，在设计时必须想办法解决。
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③流水方式。流水方式是模仿工业生产过程的流水线（如汽车装配线）而提出的一种指令控制方式。流水（pipe lining）技术是把并行性或并发性嵌入计算机系统的一种形式，它把重复的顺序处理过程分解为若干子过程，每个子过程能在专用的独立模块上有效地并发工作，如下图所示。
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在概念上，“流水”可以看成是“重叠”的延伸。差别仅在于“一次重叠”只是把一条指令解释分解为两个子过程，而“流水”则是分解为更多的子过程。
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①从级别角度可分为部件级、处理机级以及系统级的流水线。
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④从流水线是否有反馈回路，可分为线性流水线和非线性流水线。
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⑤从流水线的流动顺序上，可分为同步流水线和异步流水线。
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⑥从流水线的数据表示上，可分为标量流水线和向量流水线。
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由于流水时机器同时解释多条指令，可能存在对同一主存单元或同一寄存器的“先写后读”的要求，这时就出现了相关。这种相关包括指令相关、访存操作数相关以及通用寄存器组相关等，它只影响相关的两条或几条指令，而且至多影响流水线的某些段推后工作，并不会改动指令缓冲器中预取到的指令内容，影响是局部的，所以称为局部性相关。解决局部性相关有推后法和通路法两种方法。推后法是推后对相关单元的读，直至写入完成。通路法设置相关专用通路，使得不必先把运算结果写入相关存储单元，再从这里读出后才能使用，而是经过相关专用通路直接使用运算结果，以加快速度。
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转移指令（尤其是条件转移指令）与它后面的指令之间存在关联，使之不能同时解释。执行转移指令时，可能会改动指令缓冲器中预取到的指令内容，从而会造成流水线吞吐率和效率下降，比局部性相关的影响要严重得多，所以称为全局性相关。
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解决全局性相关有三种方法：猜测转移分支、加快和提前形成条件码、加快短循环程序的处理。
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条件转移指令的两个分支中，一个分支是按原来的顺序继续执行下去，称为转移不成功分支；另一个分支是按转移后的新指令序列执行，称为转移成功分支。许多流水机器都猜选转移不成功分支，若猜对的机率很大，流水线的吞吐率和效率就会比不采用猜测法时高得多。
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尽早获得条件码以便对流水线简化条件转移的处理。例如，一个乘法运算所需时间较长，但在运算之前就能知道其结果为正或为负，或者是否为0，因此，加快单条指令内部条件码的形成，或者在一段程序内提前形成条件码，对转移问题的顺利解决是很有好处的。
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由于程序中广泛采用循环结构，因此流水线大都采用特殊措施以加快循环程序的处理。例如，使整个循环程序都放入指令缓冲存储器中，对提高流水效率和吞吐率均有明显效果。流水的中断处理和转移一样，也会引起流水线断流。一般情况下，中断出现的概率要比条件转移出现的概率低得多，因此只要处理好断点现场保护及中断后的恢复，尽量缩短断流时间即可。
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RISC中采用的流水技术有三种：超流水线、超标量以及超长指令字。
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①超流水线技术。超流水线（super pipeline）技术是RISC采用的一种并行处理技术。它通过细化流水、增加级数和提高主频，使得在每个机器周期内能完成一个甚至两个浮点操作。其实质是以时间换取空间。超流水机器的特征是在所有的功能单元都采用流水，并有更高的时钟频率和更深的流水深度。由于它只限于指令级的并行，所以超流水机器的CCPI（Clock Cycles Per Instruction，每个指令需要的机器周期数）值稍高。
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②超标量技术。超标量（super scalar）技术是RISC采用的又一种并行处理技术，它通过内装多条流水线来同时执行多个处理，其时钟频率虽然与一般流水接近，却有更小的CCPI。其实质是以空间换取时间。
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③超长指令字技术。超长指令字（Very Long Instruction Word，VLIW）技术由LIW发展而来。VLIW和超标量都是20世纪80年代出现的概念，其共同点是要同时执行多条指令，其不同在于超标量依靠硬件来实现并行处理的调度，VLIW则充分发挥软件的作用，而使硬件简化，性能提高。VLIW有更小的CPI值，但需要有足够高的时钟频率。
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吞吐率是指单位时间里流水线处理机流出的结果数。对指令而言，就是单位时间里执行的指令数。如果流水线的子过程所用时间不一样，则吞吐率p应为最长子过程所用时间的倒数，即：
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流水线开始工作，须经过一定时间才能达到最大吞吐率，这就是建立时间。若m个子过程所用时间一样，均为Δt0，则建立时间T0=mΔt0。
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