Pipelines verbessern die CPU -Leistung durch Überlappung der Ausführung mehrerer Anweisungen. Anstatt darauf zu warten, dass eine Anweisung vollständig abgeschlossen ist, bevor die nächste Start beginnt, unterteilt eine Pipeline die Ausführung der Anweisungen in kleinere Stufen. Unterschiedliche Anweisungen können gleichzeitig in verschiedenen Ausführungsstadien erfolgen. Dies ist analog zu einer Montagelinie in einer Fabrik; Jede Stufe führt eine bestimmte Aufgabe in der Anweisung aus, und die Anweisungen fließen gleichzeitig durch die Stufen.
Hier ist eine Aufschlüsselung, warum dies zu Leistungssteigerungen führt:
* Anstiegsdurchsatz erhöht: Der Hauptvorteil ist die Möglichkeit, einen neuen Anweisungen in jedem Taktzyklus auszustellen, auch wenn jede Anweisung mehrere Taktzyklen benötigt. Dies erhöht die Anzahl der pro Zeiteinheit verarbeiteten Anweisungen erheblich.
* Verbesserte Nutzung der CPU -Ressourcen: Die Pipeline hält verschiedene Komponenten der CPU beschäftigt. Während eine Anweisung seine arithmetische Operation in der ALU durchführt, kann eine andere Anweisung die nächste Anweisung aus dem Speicher abrufen, und ein anderes könnte das Ergebnis in ein Register schreiben. Dies maximiert die Ressourcennutzung.
* reduzierte durchschnittliche Anweisungsausführungszeit (wenn nicht individuell): Während die Zeit für die Ausführung einer * einzelnen * Anweisung weitgehend gleich bleiben kann (oder aufgrund des Overhead of Pipeline -Stadien sogar geringfügig zunehmen), wird die * durchschnittliche * Zeit für die Ausführung einer * Sequenz * von Anweisungen aufgrund der überlappenden Ausführung stark reduziert.
Pipelines sind jedoch nicht ohne ihre Einschränkungen:
* Pipeline -Gefahren: Dies sind Situationen, die den reibungslosen Anweisungsfluss durch die Pipeline stören können. Die Haupttypen sind:
* Datengefahren: Ein Anweisungen benötigt Daten, die noch nicht durch eine frühere Anweisung erstellt wurden.
* Kontrollgefahren: Ein Zweiganweis verändert den Fluss des Programms und gibt einige Anweisungen in der Pipeline irrelevant.
* Strukturgefahren: In der Hardware fehlen die Ressourcen, um mehrere Anweisungen gleichzeitig in der Pipeline auszuführen (z. B. nur ein Speicherzugriff gleichzeitig).
Diese Gefahren erfordern Techniken wie Weiterleitung, Stalling (Einfügen von Blasen) und die Vorhersage der Verzweigung, um ihre negativen Auswirkungen auf die Leistung zu mildern. Trotz dieser Herausforderungen überwiegen die Vorteile der Pipelination in Bezug auf den erhöhten Durchsatz bei weitem die Kosten bei den meisten modernen CPUs. Es werden hoch entwickelte Techniken ständig entwickelt, um die Pipeline -Leistung weiter zu optimieren und Gefahren effektiver zu bewältigen.
