指令流水线——基本概念与性能指标

浅浅的花香味﹌ 2022-10-07 08:57 160阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  指令流水的定义
 *   *  1. 顺序执行方式：总耗时T = n×3t = 3nt
     *   *  优缺点
     *  2. 一次重叠执行方式：总耗时T = 3t + (n-1)×2t = (1+2n)t
     *   *  优缺点
     *  3. 二次重叠执行方式：总耗时T = 3t + (n-1)×t = (2+n)t
     *   *  注意：
 *  流水线的表示方法
 *   *  1. 指令执行过程图
     *  2. 时空图
 *  流水线的性能指标
 *   *  1. 吞吐率
     *  2. 加速比
     *  3. 效率：

# 指令流水的定义 #

一条指令的执行过程可以分成多个阶段（或过程）。  
根据计算机的不同，具体的分法也不同。

*  **取指**：根据PC内容访问主存储器，取出一条指令送到IR中。
 *  **分析**：对指令操作码进行译码，按照给定的寻址方式和地址字段中的内容形成操作数的有效地址EA，并从有效地址EA中取出操作数。（特点：每个阶段用到的硬件不一样。）
 *  **执行**：根据操作码字段，完成指令规定的功能，即把运算结果写到通用寄存器或主存中。

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设取指、分析、执行3个阶段的时间都相等，用t表示 ，按以下几种执行方式分析n条指令的执行时间

## 1. 顺序执行方式：总耗时T = n×3t = 3nt ##

![在这里插入图片描述][20210617103145784.png]  
传统冯·诺依曼机采用顺序执行方式，又称串行执行方式。

### 优缺点 ###

优点：控制简单，硬件代价小。  
缺点：执行指令的速度较慢，在任何时刻，处理机中只有  
一条指令在执行，各功能部件的利用率很低。

## 2. 一次重叠执行方式：总耗时T = 3t + (n-1)×2t = (1+2n)t ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTUyNTI3Mg_size_16_color_FFFFFF_t_70]

### 优缺点 ###

优点：程序的执行时间缩短了1/3，各功能部件的利用率明显提高。  
缺点：需要付出硬件上较大开销的代价，控制过程也比顺序执行复杂了

## 3. 二次重叠执行方式：总耗时T = 3t + (n-1)×t = (2+n)t ##

![在这里插入图片描述][20210617103537874.png]

与顺序执行方式相比，指令的执行时间缩短近2/3。这是一种理想的指令执行方式，在正常情况下，处理机中同时有3条指令在执行。

### 注意： ###

也可以把每条指令的执行过程分成4个或5个阶段，分成5个阶段是比较常见的做法。

# 流水线的表示方法 #

通过指令执行过程图与时空图的方式进行表示

## 1. 指令执行过程图 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTUyNTI3Mg_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
主要用于分析指令执行过程以及影响流水线的因素

## 2. 时空图 ##

空间：不同的阶段所对应的不同的硬件资源

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTUyNTI3Mg_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
主要用于分析流水线的性能

# 流水线的性能指标 #

流水线的性能指标有以下三个标准：

1.  吞吐率
2.  加速比
3.  效率

我们分别来看：

## 1. 吞吐率 ##

吞吐率是指在单位时间内流水线所完成的任务数量，或是输出结果的数量。

设任务数为n；处理完成n个任务所用的时间为`Tk`

则计算流水线吞吐率（`TP`）的最基本的公式为 `TP = n/Tk`。

理想情况下，流水线的时空图如下：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTUyNTI3Mg_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

一条指令的执行分为k个阶段，每个阶段耗时△t ，一般取`△t =一个时钟周期`

## 2. 加速比 ##

加速比：完成同样一批任务，不使用流水线所用的时间与使用流水线所用的时间之比。

设`T0`表示不使用流水线时的执行时间，即顺序执行所用的时间；`Tk`表示使用流水线时的执行时间

则计算流水线加速比（S）的基本公式为 `S = T0/Tk`

理想情况下，流水线的时空图如下：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTUyNTI3Mg_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
一条指令的执行分为k个阶段，每个阶段耗时△t ，一般取△t =一个时钟周期

## 3. 效率： ##

效率：流水线的设备利用率称为流水线的效率。

在时空图上，流水线的效率定义为完成n个任务占用的时空区有效面积与 n个任务所用的时间与k个流水段所围成的时空区总面积之比。

理想情况下，流水线的时空图如下：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTUyNTI3Mg_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]

一条指令的执行分为k个阶段，每个阶段耗时Dt ，一般取Dt =一个时钟周期

[20210617103145784.png]: /images/20221005/9afba32c0f4840d0b6fb6ae625ea0d0e.png
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