1.6 流水线技术
📝 学习目标
- 理解流水线为何能提高部件利用率（准并行）
- 掌握三个核心量：流水线建立时间、流水线周期、总执行时间
- 会算吞吐率（Throughput）与最大吞吐率
- 记住做题策略：默认用理论公式，若无选项再用实践公式（课堂提示）
🎯 知识点
1) 什么是流水线
把一条指令的执行过程划分为若干段（K 段），不同指令在不同段上“交叠执行”。
常见三段：
- 取指（Fetch）
- 分析/译码（Decode）
- 执行（Execute）
课堂强调：流水线不是“齐头并进的完全并行”，而是“准并行”。
2) 流水线周期（Pipeline cycle）
- 把一条指令划分为 K 段，每段耗时分别为
t1, t2, ..., tK - 流水线周期 Tp = max(t1..tK)（最长段决定节拍）
3) 流水线执行时间（理论公式）
执行 N 条指令：
T = (t1 + t2 + ... + tK) + (N - 1) * Tp含义：
- 第一条指令要走完整 K 段（建立时间）
- 后面每条指令“每个周期完成一条”
4) 实践公式（当题目按“统一节拍”处理时）
有些题默认每段都扩展到同样的周期 Tp（存在空耗）。
T = K * Tp + (N - 1) * Tp
= (K + N - 1) * Tp课堂策略：
- 先用理论公式，若结果不在选项中，再考虑实践公式。
5) 吞吐率与最大吞吐率
- 吞吐率：单位时间完成任务数
TP = N / T- 最大吞吐率（流水线稳定后）：
TPmax = 1 / Tp🧠 难点与易错点
- 易错1：流水线周期不是平均值，是最长段
- 易错2：把 N 条指令总时间误写成
N * Tp - 易错3：忽略题目段数 K（有些题分 4 段/5 段）
🔑 关键词解释
- 建立时间：第一条指令完成所需时间（理论：sum(ti)）。
- 排空时间：最后阶段退出流水线的尾部时间（体现在 N-1 部分）。
🔍 联想扩展
- RISC 更适合流水线：定长、单周期、控制简单。
- 流水线题常结合“取指/译码/执行”三段来描述。
🧪 例题（按难度）
简单（3题）
指令流水线划分为 K 段，各段耗时分别为 t1~tK，则流水线周期 Tp 通常取：
下列关于流水线的说法正确的是：
在流水线稳定后，最大吞吐率 TPmax 的典型表达式是：
中级（3题）
例题1（课堂例：理论公式）
一条指令分为 3 段：取指 3Δt、分析 2Δt、执行 4Δt。采用流水线执行 10 条指令。
求总执行时间（理论公式）。
选择正确结果：
例题2（最大吞吐率）
若某流水线周期 Tp=5ms，则最大吞吐率约为：
选择最大吞吐率：
若题目默认各段都按同一周期 Tp 执行（存在空耗），总执行时间更常用的表达式是：
困难（1题）
仍以例题1为例（3 段：3Δt、2Δt、4Δt，执行 10 条指令）。若不采用流水线，按顺序执行每条指令耗时为 `3+2+4=9Δt`，则采用理论流水线后的加速比 S 约为：
📚 本课小结
- Tp = max(ti)
- 理论：T = sum(ti) + (N-1)*Tp
- 实践：T = (K+N-1)*Tp（必要时再用）
- TP=N/T，TPmax=1/Tp