概念

在现代计算机体系结构中，流水线结构是一项关键技术，用于提高计算机性能和吞吐率。本文将探讨流水线结构的基本概念，以及如何计算最大吞吐率和加速比。
什么是流水线结构？
流水线结构是一种用于并行处理任务的计算机架构。它将一个复杂的任务分解成多个阶段，并允许这些阶段同时执行，从而提高了任务的完成速度。在计算机系统中，常见的流水线包括指令流水线和数据流水线。
指令流水线的基本构成
考虑一个具有5级流水线结构的计算机系统，用于执行指令。每个指令的执行被分为以下5个阶段：

取指令（2Δt）
分析指令（1Δt）
取操作数（3Δt）
运算（1Δt）
写回结果（2Δt）

每个阶段都由独立的子部件完成，且各阶段之间是并行执行的。
最大吞吐率
最大吞吐率是指单位时间内完成的指令数。在流水线结构中，最大吞吐率通常由流水线的最慢阶段决定。在这个例子中，取操作数阶段需要最长的时间（3Δt），因此最大吞吐率可以计算为1个时钟周期（3Δt）完成一个指令。
最大吞吐率 = 1 / (3Δt)
加速比
加速比是指在使用流水线后相对于没有使用流水线的性能提升。为了计算加速比，我们需要比较在有流水线和没有流水线的情况下执行一定数量的指令所需的总时间。
在没有流水线的情况下，执行一条指令的时间是9Δt。如果连续输入10条指令，总执行时间是10倍的执行时间（无流水线）。
在有流水线的情况下，执行一条指令的时间是3Δt，而总执行时间等于完成一条指令的时间加上流水线的初始启动时间（9Δt）。
总执行时间（有流水线） = 3Δt 9 + 9Δt = 36Δt
现在，我们可以计算加速比：
加速比 = 执行时间（无流水线） / 执行时间（有流水线）
= (10 9Δt) / (3Δt * 9 + 9Δt)
= 90 / 36
= 5 /2

因此，使用了流水线结构后，性能提高了2.5倍。
结论
流水线结构是一种强大的计算机架构，用于提高计算机性能和吞吐率。通过将任务分解成多个阶段并并行执行，流水线可以显著减少任务的执行时间，从而提高计算机系统的效率。最大吞吐率和加速比是衡量流水线性能的重要指标，可用于评估流水线设计的效果。

例题

某指令流水线由5段组成，各段所需要的时间如下图所示。

upload successful

吞吐率＝需要处理的任务数/处理这些任务所需要的时间。
如港口的年货物吞吐率，就是讲1年时间内，处理了多少个集装箱。
计算流水线执行时间的理论公式是：第一条指令顺序执行时间+（指令条数-1）*周期，而周期是取各节点的最大处理时长，在本题中，周期也就是3t，需要处理的任务数是：100条指令，所以这100条指令使用流水线方式的执行时间是：（Δt+3Δt+Δt+2Δt+Δt）+（100-1）×3Δt=305Δt，所以：吞吐率=100/305Δt。