嵌入式基礎(chǔ)知識(shí)-流水線

提到流水線，最先想到的可能是流水線車(chē)間中的產(chǎn)品制造過(guò)程。

工業(yè)上的流水線，又稱(chēng)裝配線，指每一個(gè)生產(chǎn)單位只專(zhuān)注處理某一個(gè)片段的工作，以提高工作效率及產(chǎn)量。

在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中，也有流水線的概念，其核心原理也是和工業(yè)上的流水線一致。

1 計(jì)算機(jī)中的流水線概念

流水(pipelining)，或流水技術(shù)，是指把并行性（或并發(fā)性）嵌入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，它可以把重復(fù)的順序處理過(guò)程分解為若干子過(guò)程，每個(gè)子過(guò)程能在專(zhuān)用的獨(dú)立模塊上有效地并發(fā)工作。

其特點(diǎn)歸納包括：

一條流水線通常由多個(gè)流水段組成每段由專(zhuān)用功能部件，各部件順序連接，不斷流各段時(shí)間時(shí)間盡量短、并盡量一致，不一致時(shí)最慢子過(guò)程稱(chēng)為瓶頸流水線的操作周期，為其最耗時(shí)的那段（瓶頸）所需的時(shí)間使用流水線，可同時(shí)指向多條指令，提高了各部件的利用率和系統(tǒng)的吞吐率

2 嵌入式ARM中的五級(jí)流水線

嵌入式處理器設(shè)計(jì)中，通常用到五級(jí)流水線（如ARM9）：

取指（IF）：從存儲(chǔ)器中取出指令，將其放入指令流水線譯碼（ID）：對(duì)指令進(jìn)行譯碼解碼執(zhí)行（EX）：利用邏輯運(yùn)算單元進(jìn)行運(yùn)算的執(zhí)行訪存（MEM）：在需要的情況下，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的訪問(wèn)回寫(xiě)（WB）：將指令產(chǎn)生的結(jié)果，回寫(xiě)到寄存器中，包括任何從存儲(chǔ)器中讀取的數(shù)據(jù)

3 流水線實(shí)例分析

3.1 實(shí)例1

某三級(jí)流水線，操作步驟包括：取指、分析、執(zhí)行，每級(jí)的執(zhí)行時(shí)間為5、2、3，求從頭到尾執(zhí)行完100條指令所需的時(shí)間

5+2+3+5x99=505

3.2 實(shí)例2

某三級(jí)流水線，操作步驟包括：取指、分析、執(zhí)行，每級(jí)的執(zhí)行時(shí)間為4、2、3，求從頭到尾執(zhí)行完100條指令所需的時(shí)間

4+2+3+4x99=405

4 總結(jié)

本篇介紹了計(jì)算機(jī)與嵌入式領(lǐng)域中的流水線概念，并通過(guò)實(shí)例分析了流水線的處理時(shí)間該如何計(jì)算。