申論題

管線（Pipeline）的說明

管線（Pipeline）是一種用於提升處理器效能的技術，它將指令的執行過程分解成若干個獨立的階段，每個階段可以同時處理不同指令的不同部分。這樣一來，處理器可以在同一時間內處理多條指令，從而提高指令的吞吐量。這種技術類似於生產線，將每個工作步驟劃分為不同的工作站，並且各個工作站可以同時進行工作，從而提高整體生產效率。

例如，一個典型的指令管線可以分為以下五個階段：

1. 指令擷取（Instruction Fetch, IF）：從記憶體中讀取指令。
2. 指令解碼（Instruction Decode, ID）：解析指令並準備執行。
3. 執行運算或計算位址（Execution or Address Calculation, EX）：執行指令中的運算或計算記憶體位址。
4. 主記憶體存取（Memory Access, MEM）：訪問記憶體（讀取或寫入數據）。
5. 結果寫回暫存器（Write Back, WB）：將計算結果寫回暫存器。

管線改善處理器指令執行速率的計算

假設一個不具管線的處理器執行一條指令分五個執行階段，且每階段所需時間如下：

• 指令擷取（Instruction Fetch）：7ns
• 指令解碼（Instruction Decode）：7ns
• 執行運算或計算位址：8ns
• 主記憶體存取：7ns
• 結果寫回暫存器：7ns

不具管線的處理器總執行時間為這五個階段的總和： 7+7+8+7+7=36ns7 + 7 + 8 + 7 + 7 = 36 \text{ns}7+7+8+7+7=36ns

如果引入管線技術，每個執行階段需要多耗時 1ns，那麼每個階段的時間變為：

• 指令擷取（Instruction Fetch）：8ns
• 指令解碼（Instruction Decode）：8ns
• 執行運算或計算位址：9ns
• 主記憶體存取：8ns
• 結果寫回暫存器：8ns

在管線結構中，每個階段同時進行，因此每個指令的執行時間為最長的階段時間： 最長階段時間=9ns\text{最長階段時間} = 9 \text{ns}最長階段時間=9ns

假設有 nnn 條指令，那麼不具管線的處理器需要的總時間為： 36n ns36n \text{ ns}36n ns

具管線的處理器，由於每個階段同時進行，總時間為： 9n+27 ns9n + 27 \text{ ns}9n+27 ns

當 nnn 足夠大時，27 ns 可以忽略不計，則具管線的處理器每個指令的平均執行時間約為 9 ns。

所以，處理器指令執行速率的改善比率為： 36/9=4

即，管線技術使處理器指令執行速率改善了約 4 倍。