软件设计师重点难点——流水线

      流水线这个知识点在软件设计师考试中是个重点也是个难点，考查的频率比较高。之所以说流水线是个难点，有两方面的原因：一方面是需要理解流水线的理论，了解其工作原理，计算方式；另一方面是在软考当中，对于流水线的相关计算，标准并不是完全统一的，这一点在后面我们将详细介绍。
　　流水线是指在程序执行时多条指令重叠进行操作的一种准并行处理实现技术。各种部件同时处理是针对不同指令而言的，它们可同时为多条指令的不同部分进行工作，以提高各部件的利用率和指令的平均执行速度。
　　指令流水线是将指令执行分成几个子过程，每一个子过程对应一个工位，我们称为流水级或流水节拍，这个工位在计算机里就是可以重叠工作的功能部件，称为流水部件。
　　如图1所示，IF，ID，EX，WD分别是流水线的流水部件。

　　流水线要求所有的流水级部件必须在相同的时间内完成各自的子过程。在流水线中，指令流动一步便是一个机器周期，机器周期的长度必须由最慢的流水级部件处理子过程所需的时间来决定。
　　那么我们为什么要提出流水线这个概念，以及流水线是如何提高系统吞吐量的呢？下面我们来看几个图，概念自然就清楚了。
　　图2是一个非流水线结构系统执行指令时空图。

　　我们从图2中可以看到，任意一个系统时间都有大量的设备处于空闲状态，如第一个时间段有ID，EX，WB空闲，则第二个时间段有IF，EX，WB空闲。

我们再来看采用了流水线结构的时空图3。

　　显然，采用流水线可以大大提升系统资源的利用率，以及整个系统的吞吐量。
　　流水线的操作周期取决于基本操作中最慢的那个。例如：一个3段流水线，各段的执行时间分别为t，2t，t。则最慢的一段为2t，所以流水线操作周期为2t。
　　流水线的执行时间公式为：
　　第1条指令的执行时间+（指令条数-1）*流水线操作周期
　　
　　例题1
　　若每一条指令都可以分解为取指、分析和执行三步。己知取指时间t取指＝4△t，分析时间t_分析＝3△t，执行时间t_执行＝5△t。如果按串行方式执行完100条指令需要 （1） △t。如果按照流水方式执行，执行完100条指令需要 （2） △t。
　　供选择的答案
　　（1）A. 1190        B.1195        C. 1200        D.1205
　　（2）A. 504         B.507         C. 508         D.510
　　试题分析
　　本题考查的是计算机系统指令流水线方面的基础知识。根据题意可以看到，在此流水线中按串行方式执行完100条指令要用1200△t。采用流水方式执行，执行的总时间的关键取决于最长的执行时间，所以执行完100条的时间为：4Δt＋3Δt＋5Δt＋（100－1）*5Δt = 507Δt。
　　试题答案
　　C  B

例题2
　　现采用4级流水线结构分别完成一条指令的取指、指令译码和取数、运算，以及送回运算结果4个基本操作，每步操作时间依次为60 ns，100 ns，50 ns和70 ns。该流水线的操作周期应为  A  ns。若有一小段程序需要用20条基本指令完成（这些指令完全适合于流水线上执行），则得到第一条指令结果需  B  ns，完成该段程序需  C  ns。
　　在流水线结构的计算机中，频繁执行  D  指令时会严重影响机器的效率。当有中断请求发生时，采用不精确断点法，则将  E  。
　　供选择的答案
　　A：①50             ②70             ③100             ④280
　　B：①100            ②200            ③280             ④400
　　C：①1400           ②2000           ③2300            ④2600
　　D：①条件转移       ②无条件转移     ③算术运算        ④访问存储器
　　E：①仅影响中断反应时间，不影响程序的正确执行
　　   ②不仅影响中断反应时间，还影响程序的正确执行
　　   ③不影响中断反应时间，但影响程序的正确执行
　　   ④不影响中断反应时间，也不影响程序的正确执行
　　试题分析
　　本题主要考查对流水线技术的掌握。
　　对于CPU来说，流水线技术实际上是一种以增加硬件换取性能的方式：把一条指令分解成多条更小的指令，由不同的处理单元来处理，在理想的满负荷运行状态下，执行一条指令的时间虽然没有减少，但是由于多个处理单元同时工作，在同一时间上可以执行不同指令的不同部分，从而使得总体的执行时间大大减少。流水线的操作周期取决于基本操作中最慢的那个。这里最慢的是100 ns，所以操作周期是100 ns。在流水线中，其实每一条指令的执行时间并没有减少，而第一条指令的执行并没有体现流水线的优势，它在4个操作周期后才能执行完成，这以后每个操作周期都能完成一条指令的执行。
　　影响流水线效率的重要因素有条件转移指令和中断，因为它们打断了流水线，使得流水线不得不重新装载。

不精确断点法实现简单，但是要等到流水线内的指令完成之后再响应中断。
　　试题答案
　　A．③    B．④    C．③    D．①    E．②

　　上面的两个例题，都是软考当中出现过的真题。我们可以看出，两个题在计算流水线时间方面，标准并不是统一的。
　　在例题1中：
　　4Δt＋3Δt＋5Δt＋（100－1）*5Δt = 507Δt。
　　而在例题2中：
　　100ns+100ns+100ns+100ns+（20－1）*100ns=2300ns
　　这两种计算方法，都是在套用公式：“第1条指令的执行时间+（指令条数-1）*流水线操作周期”，而对于“第1条指令的执行时间”的理解并不相同。在例题1中，第1条指令的执行时间是将指令执行时的几个阶段所需时间相加得到，而在例题2中，认为每一个阶段所需时间都是流水线的周期时间。其中前者是流水线的理论计算方法，而后者是我们在设计硬件流水线时，常用的方式。两种计算方法，从理论上来讲，都是正确的，但考试时，只有一个是正确答案。那么我们应该怎么做呢？由于每次考试中，无论认可的是哪种计算方式，都只会把这种计算方式的正确答案放入选项中，而不会将两个正确答案都放入，所以我们在用一种方式不能得到正确选项时，应采用另一种方式进行计算，来得到正确答案。