流水線，這個詞語最早出於工廠裡面，是資本家為了提高產品的產量而採用的一種技術。我們姑且不去看他的定義，我們從生活中的例子理解什麼是流水線技術
。假如我們有很多衣服要洗，現在有一台洗衣機和一台乾衣機，洗衣機用時30分鐘，乾衣機用時60分鐘。如果洗一桶衣服，如下圖所示：
很顯然，總時間 = 洗衣時間 + 乾衣時間 = 90 分鐘
那如果洗多桶衣服呢？我們對比如下兩種方案。
方案一：
很明顯，這種方案的總時間為：n*90 分鐘。
當然，我們也沒那麼傻，當乾衣機在工作的時候我們為什麼要讓洗衣機閒著呢？根據這樣的想法，我們得到方案二：
可以很容易得到，方案二所需總時間 = n* 乾衣時間 + 洗衣時間= ( n*60 + 30 )分鐘。
通過上面兩個例子的對比，我們可以清楚發現方案二的好處，明顯提公升了系統的吞吐量
，而這種提公升的背後正是流水線技術
的應用。那麼在我們的數位電路中如何應用流水線技術呢？在繼續這個問題之前，我們先了解兩個概念：延時
和吞吐量。延時
方案一洗衣服的延時
= 90分鐘
方案二洗衣服的延時=120分鐘（為什麼是120分鐘，請讀者仔細思考）
吞吐量:輸出或者輸入的處理速率。
方案一洗衣服的吞吐量= 1/(90分鐘)
方案二洗衣服的吞吐量=1/(60分鐘)（為什麼是60分鐘，請讀者仔細思考）
好，言歸正傳，再返回到電路上。如下圖所示的組合邏輯電路：
電路的延時為t，吞吐量為1/t。工作時序如下圖示意：
對於上面的電路，當h執行計算的時候，f和g是處於閒置狀態的，僅僅為保證各自的輸出不變，那麼我們能否讓f、g走出這種狀態而充分利用他們呢？如果讓f和g走出了閒置狀態，那麼如何保證他們的輸出不變呢？思考後，我們很容易聯想到數電中的暫存器，沒錯，通過暫存器來保證輸出的不變，於是我們得到電路如下：
假定f、g、h的傳播延遲分別為15、20、25ns，我們使用的是理想的0延遲暫存器，於是我們可以得到相關的延時和吞吐量
未加暫存器： 延時45 ， 吞吐量1/45 ，加了暫存器：延時50，吞吐量 1/25。在h對xi執行計算的過程中，f和g就可以工作在輸入xi+1上，即可以接受xi+1時候的輸入，這時h的計算和f、g的接收就是並行的了。對比前面的洗衣機例子，這裡正是乙個流水線的應用，而且是乙個二階流水線，至於為什麼是二階流水線，接著往下看。
下面我們再換個角度看看流水線，也就是流水線時空圖，如下：
在談這張圖之前，我們再看乙個概念：k階流水線。
k階段流水線（「k流水線」）是乙個非迴圈電路，對應於從輸入到輸出的每一條路徑恰好有k個暫存器。因此前面的電路為啥是2階應該清楚了。通時，我們還可以知道，1、組合邏輯電路是0階流水線；2、在k階段流水線中，每個流水線階段的輸出（而不是輸入）都有乙個暫存器。好，我們接著談上面的流水線時空圖。
通過流水線時空圖，我們觀察到，當流水線每個階段都開始工作後，每乙個時鐘週期都會有乙個結果的輸出，也就是說k階段流水線的吞吐量即是時鐘頻率，而k階流水線的延時是對所有暫存器公用的時鐘週期的k倍。
同時我們也可以觀察到，所有的流水級都只花費乙個時鐘週期的時間，因此，時鐘週期必須能夠滿足最慢操作的執行需要。
因此我們可以得出
指令執行時間（流水線）=指令執行時間（非流水線）/流水線級數
即在理想情況和有大量指令的情況下，流水線所帶來的加速比與流水線的級數近似相同。例如乙個5級流水線能夠獲得的加速比接近於5。
而這樣一種技術如果用到電腦裡面豈不能提高效能啦？沒錯，我們現在的電腦裡面跑的cpu
就用到了流水線技術，通過這樣的一種技術，提高了指令的吞吐率，從而帶來了效能的提高。注意：流水線所帶來的效能提高是通過增加指令的吞吐率，而不是減少單條指令的執行時間實現的。為什麼呢？這就好像洗衣服，幹衣服用的時間沒變，但是最終的產出卻是增加了的道理一樣。
文章出處：
ARM ARM流水線技術
處理器按照一系列步驟來執行每一條指令，典型的步驟如下 1 從儲存器讀取指令 fetch 2 解碼以鑑別它屬於哪一條指令 decode 3 從指令中提取指令的運算元 這些運算元往往存在於暫存器 reg 中 4 將運算元進行組合以得到結果或儲存器位址 alu 5 如果需要，則訪問儲存器以儲存資料 mem...
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目錄 一條經典的5段流水線 一條指令的執行過程分為以下5個週期 取指令週期 if 指令解碼 讀暫存器週期 id 執行 有效位址計算週期 ex 儲存器訪問 分支完成週期 mem 寫回週期 wb 體系結構 流水線 流水線相關 流水線衝突 以程式計數器 pc中的內容作為位址，從儲存器中取出指令並放入指令暫...
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