# Pipeline

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### Clock Cycle Time


Clock Cycle Time又稱為時脈週期，代表電腦裡面計時器一個Cycle的時間。在上一回的內容中，我們將CPU組裝起來，這時候所有的零件連接在一起，代表要做完所有步驟才會輪到下一個指令，所以一個Cycle的時間就要訂成最長的指令時間，也就是說假設每個指令需要的時間為：
|指令類型|時間|
|--|--|
|R-type|400ps|
|Load word|600ps|
|Store word|550ps|
|Branch|350ps|
|Jump|200ps|

那麼我們就要挑最長的600ps當作一個Cycle的時間。

那麼每600ps我們就只能完成一個指令，太慢了。

## Pipeline

假設現在有四個人要洗衣服，步驟有洗衣服 30min、烘衣服 40min、摺衣服 20min，如果大家輪流做，並且全部做完才輪到下一個人，那麼就會發生：

不僅時間會拖很久，中間洗衣機及烘衣機都會有很大的時間處於閒置狀態，如果我們能夠讓機器在閒置的時候就交給下一個人使用，那麼時間軸就會變成：

如此一來就可以大幅減少時間，這就是Pipeline的觀念，將過程拆成多個Stage來執行，前一個Stage結束後就交給下一個指令進行該Stage。

## MIPS Stage

對於MIPS我們拆成5個Stage，分別為
|Stage縮寫|全名|作用|
|-|-|-|
|IF|Instruction Fetch|取得指令|
|ID|Instruction Decode & Register Read|指令解碼和讀取Register|
|EX|Execution or Address Calculation|執行或位址運算|
|MEM|Data Memory Access|記憶體讀取|
|WB|Write Back|寫回Register|

以下用5個Stage劃分了Datapath：

由於每個階段做完不會剛好能馬上進行下一階段，可能發生該Stage已經做完但下一個Stage尚未執行完，所以我們需要在中間加入Pipeline Register來暫時存取前一個結果，加上去後的結果如下圖：

如此一來我們能夠更快速的執行多個指令，並且一個Cycle的時間也可以取最久的步驟即可，不用取所有的過程，用數字來討論的話就是：

> 假設每個步驟的時間為：
> |IF|ID|EX|MEM|WB|
> |-|-|-|-|-|
> |300ps|400ps|350ps|500ps|100ps|
>
> 如此一來我們的Cycle Time要取500ps，那麼執行一個指令過了五個步驟後，耗費時間為：
> 500 x 5 = 2500ps
> 假設我們用原先一個Cycle執行一個指令，以R-type來說，不會用到MEM部分，所需時間為：
> 300 + 400 + 350 + 100 = 1150ps
>
> 雖然看起來Pipeline比較久，不過如果把指令數量放大來看，假設兩邊都有N個R-type指令：
> 對於Pipeline來說，除了最前面4個Cycle沒有完成指令外，後面每個Cycle各完成了一個指令，時間為：500 x 4 + 500 x N (ps)
> 對於沒有Pipeline來說，時間為1150 x N (ps)
> 假設N趨近無限大，Pipeline速度會是Non-Pipeline的兩倍以上。

## Control Unit

對照前面的圖會發現今天的圖片還沒有Control Unit，接下來就要討論到了。
|上一篇的datapath|今天的|
|-|-|
|||

Control Unit要注意的是，在Control Unit判斷的事項，可能在後面的Stage才會用到，比如說Register, Memory是否要寫入，ALUop的值是多少等等，所以這些Control bits也要塞進去Pipeline Register中，一個Stage一個Stage的傳下去，最後的結果會像是這樣：

## What's next?

夠難了吧~不過這還不夠，因為Pipeline還會有另一個問題等著我們去解決，那就是Hazard。這部分就留到下一個部分再來煩惱ㄅ，就這樣ㄅㄅ。

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|--|--|
| [Build a CPU](https://hackmd.io/@dZfCcN4hT8aUuDPv3B8CWQ/SJjc9CPyF) |[Hazard](https://hackmd.io/@dZfCcN4hT8aUuDPv3B8CWQ/rk7NPf2kK)|