指令流水

原理

為提高處理器執行指令的效率，把一條指令的操作分成多個細小的步驟，每個步驟由專門的電路完成。

例如一條指令要執行要經過3個階段：取指令、解碼、執行；每個階段都要花費一個時鐘周期，如果沒有採用流水線技術，那么這條指令執行需要3個時鐘周期；如果採用了指令流水線技術，那么當這條指令完成“取指”後進入“解碼”的同時，下一條指令就可以進行“取指”了，這樣就提高的指令的執行效率。

要使流水線具有良好的性能，必須設法使流水線能暢通流動，即必須做到充分流水，不出現斷流。

然而在實際流水中會出現三種相關：資源相關、數據相關、控制相關，這三個相關使流水線充分流水很難實現。

資源相關是指當指令在重疊執行過程中，不同指令爭用同一功能部件產生資源衝突時產生的。

通常，大多數機器都是將指令和數據保存在同一存儲器中，且只有一個訪問口，如果在某個時鐘周期內，流水線既要完成某條指令對運算元的存儲器訪問操作，又要完成另一條指令的取指操作，這就會發生訪存衝突。這就是結構相關。

解決訪存衝突的一個辦法停頓，另一種是設定兩個獨立的存儲器分別存放運算元和指令，以免取指令和取運算元衝突。

數據相關是指令在流水線中重疊執行時，當後繼指令需要用到前面的指令產生的結果時發生的。

控制相關是當流水線遇到轉移指令引起的。統計表明，轉移指令約占總指令的四分之一左右，比起數據相關，它會使流水線喪失更多的功能。

流水線性能通常用吞吐率、加速比和效率三項指標衡量。