并行处理（时间并发性）。
根据子过程划分，相应的流水线也要划分出相应的段，每一个
段称为流水节拍、流水步、流水步骤、流水阶段、流水段、功能段
等。一个流水阶段与另外一个流水阶段相连接形成流水线。过程从
流水线的一端进入，经过流水线的处理，从流水线的另一端进出。
流水线技术是一种非常经济而又有效的技术，已成为计算机中普遍
（1）静态流水线（Static Pipelining） 静态流水线是指在同一段时间内，多功能流水线只能按一种方
式连接，实现一种功能。只有当按照这种连接流入的所有处理的对 象都流出流水线之后，多功能流水线才能重新进行连接以实现其他 功能。如图3.6所示中的8段多功能流水线如果按照图3.7所示的时 空图工作，那么就是一种静态流水线。
对阶
尾数加
规格化
输出
六功能段线性单功能流水线的连接图
（2）多功能流水线（Multifunction Pipelining） 多功能流水线是指流水线的各段可以实现不同的连接，在不同
的时间内，或在同一时间内，通过. 不同的连接方式实现不同的9处理
输入
输入 求阶差 对阶 尾数加 规格化
尾数乘 累加 输出
动态流水线是指在同一段时间内，多功能流水线中的各段可以
实现多种连接，同时执行多种功能。当然，任何一个功能段只能参
定点乘法
输出
浮点加法
.
TI-ASC计算机的多功能流水线
输入 求阶差 对阶 尾数加 规格化 尾数乘 累加 输出
浮点点积 10
2. 按多功能流水线在同一时间内各段连接方式分类 在多功能流水线中，按照在同一时间内是否可以实现多种连接 ，来同时执行多种功能的要求，把多功能流水线分为静态流水线和 动态流水线。
使用的一种并行处理技术。采用流水线技术只需要增加少量的硬件，
就能够把处理机的运算速度提高几. 倍。
5
三、流水线的表示方法
流水线的表示方法有三种：连接图、时空图和预约表，其中时
空图用于表示线性流水线，预约表用于表示非线性流水线，而连接
图则均可表示。
1. 连接图
四个流水段的指令流水线的连接图如图所示，其实质是将带执
每一个流水段。
.
6
取指令 线性指令流水线的连接图
译码
取指令
译码
非线性指令流水线的连接图
执行 执行
保存结果 保存结果
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
四功能段指令流水线时空图
.
7
3. 预约表 预约表是一种最常用、能直观描述某过程非线性流水线工作状 态的表示方法， 四个流水段的指令流水线的预约表如图3.4所示。 其实质是利用一张表，行表示时间即非线性流水线的段数，列表示 空间既任务通过非线性流水线的时间，表中用“×”表示行对应流 水段在列对应时间段要被使用。一行中可以有多个“×”，表明同 一个任务在不同时间重复使用了同一个流水段；一列中有多个 “×”则表明任务在同一时间使用了多个流水段。
控制简单，节省设备。执行指令速度慢，功能部件的利用率低。 （2）一次重叠方式。一次重叠执行方式是指在任何时刻，处理 机中至多只有二条指令在同时执行。执行n条指令所需要的时间为 T=(2n+1)t。
时间缩短了近一半，功能部件利用率高。需要增加一些硬件， 控制过程也复杂一些。
（3）二次重叠方式。二次重叠执行方式是指在任何时刻，处理 机中至多可以有三条指令在同时执行。执行n条指令所需要的时间 为T=(n+2)t。
时间缩短了近2/3，提高指令的. 执行速度。付出更高的代价3 。
取 指k 分 析k 执 行k 取指k+1 分析k+1 执行k+1
顺序执行方式
取指k
分析k
一次重叠执行方式
执行k 取指k+1 分析k+1 执行k+1
取指k+2 分析k+2 执行k+2
取指k
二次重叠执行方式
分析k
执行k
取指k+1 分析k+1 执行k+1
取指k+2 分析k+2 执行k+2
.
4
二、什么是流水线
计算机中的流水线与工厂中的生产流水线十分相似，它是指把
一个重复的过程分解为若干个子过程，一个过程的子过程可以与其
它过程的不同的子过程并行进行，实现不同过程在时间上重叠进行
的工作方式。实现流水线的技术方法称为流水线技术。从本质上讲，
流水线技术是一种时间并行技术，是通过时间重叠的技术途径实现
.
11
空间
浮点加
定点乘
输出
1 2 … n-1 n
1…
累加
1 2…
尾数乘
1 2 3…
规格化
1 2 … n-1 n
尾数加
1 2 … n-1 n
对阶
Hale Waihona Puke 1 2 … n-1 n求阶差
1 2 … n-1 n
输入
1 2 … n-1 n
1 2 3 4 … 时间
静态流水线的时空图
.
12
（2）动态流水线（Dynamic Pipelining）
行时间的各流水段按照流水线的执行顺序从左到右排列，并用带箭
头的直线把它们连接起来。
2. 时空图
时空图是一种最常用、能直观描述线性流水线工作过程的表示
方法，四个流水段的指令流水的时空图如图所示。其实质是利用平
面直角坐标系的第一象限。横坐标表示时间，即是输入到流水线的
各个任务在流水线中所经过的时间。纵坐标表示空间，即流水线的
×
×
×
×
×
四功能段非线性指令流水线预约表
.
8
四、流水线的分类
从不同的角度，可以把流水线分成多种不同类型，以反映流水线在某一 方面的结构、特点或性能。
1. 按流水线的功能多寡分类 （1）单功能流水线（Unifunction Pipelining） 单功能流水线是指只能完成一种固定功能的流水线。
输入
示阶差
.
1
第一节 流水线的基本概念
一、多条指令的执行方式 二、什么是流水线 三、流水线的表示方法 四、流水线的分类 五、流水线的特点
.
2
一、多条指令的执行方式
一条指令的执行过程可以分为多个阶段，通常分为取指令、分 析指令、执行指令三个阶段。现假设三个阶段所需要的时间均为t。
（1）顺序方式。顺序执行方式是指在任何时刻，处理机中只有 一条指令在执行。执行n 条指令所需要的时间为T=3nt。
第二章 流 水 线 技 术
流水线是计算机体系结构设计中普遍应用的技术。本章介绍流水 线的基本概念、表示方法、和分类，讨论流水线实现的基本结构、 线性流水线的性能与非线性流水线的调度策略，分析流水线的相关 及其处理方法。
第一节 流水线的基本概念 第二节 处理机实现流水线的基本结构 第三节 线性流水线的性能及其分析 第四节 流水线的相关及其处理 第五节 非线性流水线的调度