計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)：大話流水線

1、大話流水線,0401020504010208,順溜的2級(jí)流水線,2009年央視有部熱播大?。何业男值芙许樍?。劇中順溜是一個(gè)神槍手，里面有一個(gè)場(chǎng)景，當(dāng)鬼子來襲擊部隊(duì)時(shí)，順溜向團(tuán)長(zhǎng)建議，給自己配2個(gè)人裝彈，自己專門負(fù)責(zé)打槍。,從直觀的思維來看，有人幫順溜裝彈，則順溜有更多的時(shí)間來射殺鬼子，下面我們?cè)俑鼑?yán)格地從數(shù)學(xué)的角度來分析順溜消滅鬼子的效率。,假設(shè)：,1.順溜槍法命中率100%， 一槍斃命，裝彈的人槍法 太差，命中率幾乎為0 2.子彈射擊流程：先上膛， 再射擊 3.上膛需要花費(fèi)5秒鐘 4.射擊需要花費(fèi)5秒鐘,從假設(shè)可知：如果順溜采 用原來的作戰(zhàn)方案，即一 人一槍，自己打自己的， 射出一顆子彈需要

2、10秒鐘，那么1分鐘順溜可以消滅6個(gè)鬼子。我們?cè)賮砜纯错樍锾岢龅淖鲬?zhàn)方案：順溜在射擊的同時(shí)，戰(zhàn)友給另一支槍上膛，順溜射擊完后，立即拿起另一支槍射擊，這樣就給順溜節(jié)省了上膛的時(shí)間，相當(dāng)于順溜5秒鐘就完成一次射擊，1分鐘順溜可以消滅12個(gè)鬼子。,我們用圖來描述這2種作戰(zhàn)方案：,原始方案：,順溜的方案,從順溜方案的圖上，我們可以看到：當(dāng)順溜在打出第一發(fā)子彈的同時(shí)，第二發(fā)子彈正在上膛，當(dāng)順溜在打出第二發(fā)子彈的同時(shí)，第三發(fā)子彈正在上膛，子彈就如同流水一樣，在各個(gè)環(huán)節(jié)流動(dòng)，最后一次流 動(dòng)到了小鬼子的身上，這個(gè)過程被形象的稱為流水線。 這種流水線的方案使得順溜的,射擊效率提升了一倍，雖然浪費(fèi)了另外的人給順溜

3、裝彈，但是并不是每個(gè)人都是順溜這樣的神槍手，因此浪費(fèi)專人上膛是完全值得的。,順溜流水線的深入分析,流水線被劃分成了2個(gè)節(jié)拍，也就是2級(jí)流水線，于是我們引出了流水線的第一個(gè)問題：流水線級(jí)數(shù)。,眾所周知，Intel處理器的流水線級(jí)數(shù)要遠(yuǎn)高于ARM、DSP等嵌入式處理器，那么流水線級(jí)數(shù)更多，有什么好處呢？,還是以順溜來舉例子，假設(shè)順溜將射擊的流水線劃分成4個(gè)步驟：上膛1、上膛2、射擊1、射擊2 四步，由于整個(gè)過程需要10秒，那么每一個(gè)小步驟需要2.5秒。,從圖我們可以看出，現(xiàn)在順溜每2.5秒就可以射出一顆子彈，于是一分鐘可以消滅24個(gè)敵人，射擊效率提高了一倍。如果換成計(jì)算機(jī)的術(shù)語，那就是處理器的工作

4、頻率可以提升一倍?，F(xiàn)在大多數(shù)嵌入式處理器的工作頻率在1G Hz 左右徘徊，Intel處理器的工作頻率早已跳過了3G Hz，這和流水線的級(jí)數(shù)有密切的關(guān)系?？偠灾?，在不考慮其他因素的情況下，流水線級(jí)數(shù)越多，工作效率越高。,射擊的4級(jí)流水線,再回到順溜的例子，細(xì)心的讀者可能會(huì)發(fā)現(xiàn)：順溜并不是要求一個(gè)人給自己上膛，而是要求兩個(gè)人。從直覺來看，順溜不僅僅是個(gè)神槍手，同時(shí)也是個(gè)快槍手，射擊的速度是上膛速度的兩倍。我們?cè)賮韽臄?shù)學(xué)的角度嚴(yán)謹(jǐn)分析一下，這也引出了流水線的第二個(gè)問題：流水線的效率問題。,從圖上我們可以看出，即使是順溜射擊得再快，也要等到戰(zhàn)友將子彈上完膛，因此順溜有一半的時(shí)間在等待，什么事情也沒有

5、做。本著能者多勞的原則，讓順溜閑著是極大的浪費(fèi)，因此我們要想辦法解決這個(gè)問題。,先修改一下上一節(jié)的假設(shè)：上膛時(shí)間為10秒，射擊時(shí)間為5秒。我們?cè)賮砜纯瓷鋼暨^程：,不規(guī)則的流水線示例,一種解決方法是將子彈上膛細(xì)分為2個(gè)步驟上膛1和上膛2，組成3級(jí)的流水線，如下圖所示：,拆分耗時(shí)較長(zhǎng)的步驟,采用這種方式后，相當(dāng)于有兩個(gè)戰(zhàn)友給順溜上膛，一個(gè)做上膛1這個(gè)步驟,另一個(gè)做上膛2這個(gè)步驟，再加上順溜，這三個(gè)人組成一個(gè)流水線，可以保證順溜5秒殺一人。,不過，很多事情是很難進(jìn)一步分拆的，例如上膛就不能分成2個(gè)步驟，那么這時(shí)候怎么辦呢？我們可以采取如下的策略：配備2個(gè)戰(zhàn)友給順溜上膛，1個(gè)10秒內(nèi)就可以有2把槍的子彈上膛了，在下一個(gè)10秒內(nèi)，順溜就可以射擊2次，因此也能保證順溜5秒殺一人。這也就是順溜要求給自己配2個(gè)人裝彈的原因。,給耗時(shí)步驟配置多個(gè)重復(fù)單元,上面這個(gè)例子，進(jìn)一步通用化，當(dāng)一個(gè)節(jié)拍的執(zhí)行時(shí)間比別的節(jié)拍長(zhǎng)時(shí)，這時(shí)候流水線的效率并不是最高，如圖