程序员考试知识点：流水线

为了帮助读者理解流水线的概念，先介绍并行性的概念。并行性是指计算机系统可以同时进行运算或操作的特性，它包括同时性与并发性两种含义，同时性指两个或两个以上的事件在同一时刻发生，并发性指的是两个或两个以上的事件在同一时间间隔发生。在计算机系统中，提高并行性的措施包括以下三种：

(1)时间重叠。也称为时间并行技术。在并行性概念中引入时间因素，即多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转时间而赢得速度。

(2)资源重复。也成为空间并行技术。在并行性概念中引入空间因素，以数量取胜的原则，通过重复设置硬件资源，大幅度提高计算机系统的性能。

(3)资源共享。一种软件方法，它是多个任务按一定时间顺序轮流使用同一套硬件设备，该方法降低了成本，同时又提高了计算机设备的利用率。

一条指令的执行过程可以分为多个阶段(或子过程)，具体分法随计算机不同而不同。采用流水线技术可以使每个子过程与其它子过程并行执行。从本质上讲，流水线技术是一种时间并行技术，只需增加少量硬件就能把计算机的运算速度提高几倍。

图1-7 指令的顺序执行与并行执行

如图1-7所示，一条指令的执行过程可以分成以下3个阶段：

(1)取指令。按照指令计数器的内容访问主存储器，取出一条指令送到指令寄存器。

(2)指令分析。对指令操作码部分进行译码，按照给定的寻址方式和地址字段中的内容形成操作数地址，并用这个地址读取操作数。

(3)指令执行。把运算结果写到通用寄存器或主存中。