文章目录
- 指令流水的定义
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- 1. 顺序执行方式：总耗时T = n×3t = 3nt
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- 优缺点
- 2. 一次重叠执行方式：总耗时T = 3t + (n-1)×2t = (1+2n)t
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- 优缺点
- 3. 二次重叠执行方式：总耗时T = 3t + (n-1)×t = (2+n)t
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- 注意：
- 流水线的表示方法
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- 1. 指令执行过程图
- 2. 时空图
- 流水线的性能指标
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- 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。
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
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
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
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
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
主要用于分析流水线的性能
流水线的性能指标有以下三个标准：
- 吞吐率
- 加速比
- 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：
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：
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：
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
