什麼是計算機體系結構中的流水線？

流水線定義了處理的時間重疊。在計算中，流水線比裝配線更為空，可以用於指令處理，或者更一般的方法，用於執行任何複雜的運算。它只有在執行相同任務的序列時才能有效地使用，這與裝配線非常相似。

基本流水線根據以下操作原理處理一系列任務（包括指令）：

每個任務都細分為多個連續的子任務，如圖所示。例如，暫存器-暫存器指令的執行可以分解為指令提取、解碼、執行和寫回。

與每個子任務相關的流水線階段執行所需的運算。

每個階段都可訪問大致相同的時間量來實現所需的子任務。

所有流水線階段的工作方式都像裝配線一樣，即通常從前一階段接收輸入，並將輸出傳遞給下一階段。

最後，可以認為基本流水線是時鐘驅動的，換句話說，它是同步的。這表示每個階段在時鐘週期的開始接收新的輸入，每個階段都有一個時鐘週期可用於執行所需的運算，並且每個階段都在後續時鐘週期的開始之前將結果輸出到下一階段。

流水線的優勢

  • 降低了處理器的週期時間。它可以提高指令吞吐量。流水線不會降低執行一條指令所需的時間。相反，它可以提高可以同時處理的指令數量，並降低完成指令之間的延遲（稱為“吞吐量”）。

  • 如果使用流水線，CPU 算術邏輯單元（ALU）可以設計得更快，但更復雜。

  • 流水線透過多個階段的乘積提高了相對於非流水線核心的執行速度（假設時鐘頻率也提高了相似的倍數），並且程式碼針對流水線執行進行了最佳化。

  • 流水線CPU的時鐘頻率通常高於RAM時鐘頻率（截至2008年的技術，RAM 的工作頻率與CPU頻率相比較低），從而提高了計算機的整體效能。

更新於：2023年10月31日

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