利用流水线技术降低系统功耗

流水线特别适合于操作顺序执行的场合。假设一个系统需要重复大量相同或相似的动作，而这个动作又可以分解为4个操作，那么这就很适合用流水线来实现，其时空图如图1所示。

从图1可以看出，从3t开始，流水线完成第一个操作，开始输出结果。此后，每隔1t时间，完成一个操作。从第一个操作进入流水线到第一个操作完成，流出流水线这段时间称之为流水线的建立时间。图1中流水线的建立时间即为4t。

流水线技术实际上是电路设计中用面积换取速度策略的一种体现形式。相对于并行结构，流水线由于只需要增加一些寄存器，因此减少了面积，增加了控制复杂度。由于能以较低的代价换取较高的性能，如今已广泛地应用于计算机、电子、通信设计等领域，成为体系结构里非常重要的研究方向。

采用流水线技术，经过一定的变换，还可以降低系统的功耗。图2是两种不同的系统设计方案。在图2(a)中，假设系统的翻转率Swl为a，总的负载电容Ceffl为CL，系统时钟频率Frel为F，电源电压Vccl为V。这样，根据电子系统的功耗公式有P1
     =aCLFV2。而在图2(b)中，采用流水线技术，通过在组合逻辑之间插入一级寄存器，将六的组合逻辑分割 成了两个小的组合逻辑。这样，总的负载电容Ceff2会变大，约为1.2CL；按照要求，操作系统的时钟频率不变，Fre2仍然是F．而由于寄存器之间的组合逻辑大小变成了图2(a)中的一半，允许的延迟时间却没变，因此可以将电源电压Vcc2降低到0.6Vcc，系统的翻转率Sw2由工作环境决定，仍然为a。因此图2(b)的功耗为：P2=a1.2CL×F×(0
     6V)2=0.432aCLFV2=0.432P1。即图2(b)的功耗为图2(a)的43.2％，功耗降低了56.8％。

这种降低功耗方法的实质是通过采用流水线技术，增加少量的面积，实现了并行处理。那么在满足维持相同的时钟频率基础上，就可以降低系统的电源电压。而由于系统的功耗是与电源电压的平方成正比的，因此可以达到降低功耗的目的。