计算机指令-流水线和吞吐率

流水线

我们把计算机的一条指令抽象成三个步骤（实际不止这些）

 

 现在向计算机发送三条指令A,B,C，如果不采用流水线的方式传输，那么在每个机器周期中的执行步骤如下图所示（我们假设每个步骤都会耗费一个机器周期）：

采用流水线的方式传输如下图所示：

 

 对比上面两张图，我们可以看出，流水线是一种准并行处理技术：

第1个机器周期：处理A指令的取指步骤

第2个机器周期：处理A指令的分析步骤，同时也在处理B指令的取指步骤

以此类推，我们可以看出，同一机器周期只允许处理不同的步骤，不能处理相同的步骤，这样在保证指令安全的同时也可以加快处理速度，提升了效率，这就是流水线带来的好处

 

吞吐率

流水线理解了，吞吐率就好说了，这里的吞吐率指的是流水线的吞吐率，简单理解吞吐率就是通过数值来反应计算的处理速度，先列个公式：吞吐率 = 指令条数 / 流水线时间

指令条数：需要计算吞吐率的指令的总数

流水线时间：这里的流水线时间指的并不是一个指令流水线花费的时间，而是跑完公式中指定的指令条数所需要的时间，对比上面两个图，一条指定所需要耗费的流水线时间是3个机器周期，而跑完ABC三条指令耗费的流水线时间是5个机器周期，对于流水线时间，有个计算公式：一条指令流水线所需要耗费的时间   + （指令条数 – 1）* 一条流水线中最耗时的步骤时间

吞吐率一般分为实际吞吐率和最大吞吐率，下面我从两个案例来分别讲述：

　　实际吞吐率

　　

 　　　按照上面的公式，指令条数为8条，流水线时间=（1+2+3+1） + （8-1） * 3=28，结果就显而易见是C了 

　　

　  最大吞吐率

　　

 　　我们列个一元二次方程，设最大吞吐率为y，指令条数为x，按照上面的公式y=x /（（2+1+3+1+2） + （x-1）* 3），简化下就是y=x / （3x + 6）=1 / 3 – 2 / （3x-6），x为正整数，当x趋于无穷大的时候，y的最大值为1/3

 

 大家想要更加详细的了解其中的原理，可以参考：https://blog.csdn.net/yi_zz/article/details/7479912

用通俗易懂的语言阐述复杂的概念，学无止境，共勉前进！！！