计算系统结构-流水线与标量计算机

内容纲要

标量计算机:

标量计算机是能够执行包含单个数据元素的操作的处理器,亦即,它一次可以处理一条指令和这条指令对应的一个数据元素。在标量处理器中,指令按照顺序逐一完成,一个指令完全执行完毕后才开始下一个指令的执行。这意味着执行下一个指令之前,前一个指令的所有阶段(如取指、译码、执行、访存、写回)都必须结束。

流水线(Pipelining):

流水线是一种处理器设计技术,它将指令的执行过程分割成几个阶段,每个阶段专门做某一部分的工作。这些阶段可以并行工作,每个阶段在完成自己的工作后,将结果传递给下一个阶段,就像工业生产线上每个工人负责产品的一部分制作一样。通过这种方式,流水线允许同时处理多个指令的不同部分,增加了处理器的吞吐量,但是每个单独指令的执行时间并没有减少。

标量计算机与流水线相结合时,可以表示一种在标量数据上执行流水线技术的处理器架构。也就是说,处理器在任一时刻只处理单一数据元素上的操作,但通过流水线技术,可以并行处理多条操作的不同阶段来提高效率。比如,一个处理器可能同时在取指阶段处理第一个操作,在执行阶段处理第二个操作,在写回阶段处理第三个操作。

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