指令控制方式 - 流水线

  • 计算机组成和体系结构，主要内容摘要
  • 指令控制方式
  • 流水线
  • 流水线的计算
  • 流水线周期
  • 流水线执行完毕的时间
  • 吞吐率
  • 流水线加速比
  • 流水线效率
  • 参考地址


计算机组成和体系结构，主要内容摘要

  1. 数据的表示
  2. 计算机结构
  3. Flynn分类法
  4. CISC与RISC
  5. 流水线技术
  6. 存储系统
  7. 总线系统
  8. 可靠性
  9. 验证码

指令控制方式

  1. 顺序控制方式
    顺序串行
  2. 重叠方式
    K条指令完成之前，K+1条指令开始执行
  3. 流水方式

流水线

  1. 流水线是现代RISC核心的一个重要设计，它极大地提高了性能；
  2. 流水方式是模仿工业生产过程的流水线而提出的一种指令控制方式；
  3. 流水技术是把并行性或并发性到计算机系统里的的一种形式，它把重复的顺序处理过程分解为若干子过程，每个子过程能在专用的独立模块上有效的地并发工作。
  4. 流水线指令分为三段，分别是取指、分析和执行。

流水线的计算

流水线周期

  1. 定义：流水线周期为执行时间最长的一段。
  2. 例：取指 1ns ，分析 2ns，执行 3ns ,那么流水线周期就为 3ns

流水线执行完毕的时间

  1. 理论公式

1条指令的执行时间（取指、分析和执行三段的总时间） + （全部指令数 - 1）* 流水线周期

例：取指 1ns ，分析 2ns，执行 3ns，100条指令，那么理论执行时间是多少？

答：1+2+3 + （100 -1）* 3

  1. 实践公式

(段数 + 全部指令数 - 1) * 流水线周期
也可以理解成： 段数 * 流水线周期 + （全部指令数 - 1）* 流水线周期

段数：指的是一条指令分成多少段，一般我们会把指令分为取指、分析和执行三段，那么段数就是3；但是不排除有的指令会细分段数，所以段数可能不是3.

例：取指 1ns ，分析 2ns，执行 3ns，100条指令，那么理论执行时间是多少？

答：（ 3 + 100 -1 ）* 3

  1. 在考试中用大多数用的是理论公式，如果没有理论公式的结果就用实践公式

吞吐率

  1. 定义
    单位时间内流水线所完成的任务数量或者输出结果数量
  2. 吞吐率计算

流水线吞吐率 = 指令条数 / 流水线执行时间

  1. 指例：令条数：100，执行时间:203，问吞吐率？

答：100 / 203

  1. 最大吞吐率

流水线吞吐率 = 1 / 流水线周期

流水线加速比

  1. 定义
    完成一定任务，不使用流水线所用时间 与 使用流水线所用时间的比值
  2. 公式

加速比 = 不使用流水线所用时间 / 使用流水线所用时间

  1. 例：取指 1ns ，分析 2ns，执行 3ns，100条指令，那么加速比是多少？

答：

（1 + 2 + 3）* 100    
		 /    
		  1 + 2 + 3 + （ 100 - 1 ）* 3

流水线效率

  1. 定义
    流水线的效率是指流水线的设备利用率
    指流水线中的设备实际使用时间与整个运行时间的比值
  2. 计算公式

流水线效率 = 设备实际使用时间 / 整个运行时间
( 每条指令耗时 * 指令数量 ) / ( 流水线运行时间 * 流水线级数 )

例：

参考地址

计算机基础之流水线(七)：

https://www.bilibili.com/video/BV1Qf4y1z7Eb?p=12&spm_id_from=pageDriver

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