什么是计算机体系结构中的流水线？

流水线定义了处理的时间重叠。在计算中，流水线比装配线更为空，可以用于指令处理，或者更一般的方法，用于执行任何复杂的运算。它只有在执行相同任务的序列时才能有效地使用，这与装配线非常相似。

基本流水线根据以下操作原理处理一系列任务（包括指令）：

每个任务都细分为多个连续的子任务，如图所示。例如，寄存器-寄存器指令的执行可以分解为指令提取、解码、执行和写回。

与每个子任务相关的流水线阶段执行所需的运算。

每个阶段都可访问大致相同的时间量来实现所需的子任务。

所有流水线阶段的工作方式都像装配线一样，即通常从前一阶段接收输入，并将输出传递给下一阶段。

最后，可以认为基本流水线是时钟驱动的，换句话说，它是同步的。这表示每个阶段在时钟周期的开始接收新的输入，每个阶段都有一个时钟周期可用于执行所需的运算，并且每个阶段都在后续时钟周期的开始之前将结果输出到下一阶段。

流水线的优势

  • 降低了处理器的周期时间。它可以提高指令吞吐量。流水线不会降低执行一条指令所需的时间。相反，它可以提高可以同时处理的指令数量，并降低完成指令之间的延迟（称为“吞吐量”）。

  • 如果使用流水线，CPU 算术逻辑单元（ALU）可以设计得更快，但更复杂。

  • 流水线通过多个阶段的乘积提高了相对于非流水线内核的执行速度（假设时钟频率也提高了相似的倍数），并且代码针对流水线执行进行了优化。

  • 流水线CPU的时钟频率通常高于RAM时钟频率（截至2008年的技术，RAM 的工作频率与CPU频率相比较低），从而提高了计算机的整体性能。

更新于：2023年10月31日

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