04 流水线的基本概念、流水线的性能指标

目录

基本概念

流水线的段（级）

流水线的瓶颈

时空图

流水线的分类

按用于计算机系统的等级划分

按所完成的功能划分

按是否具有反馈回路分

按任务流入和流出的顺序是否相同划分

性能指标

吞吐率

最大吞吐率

实际吞吐率

流水线瓶颈问题

解决办法

加速比

效率

实际效率

最大效率

效率与其他性能指标的关系

通过时空图计算效率

影响（多功能）流水线性能的原因

流水线的额外开销

增加流水线的段数（深度）可以提高流水线的性能

---

1. 基本概念

   1. 流水线的段（级）

      1. 流水线中的子过程及其功能部件

   2. 流水线的瓶颈

      1. 执行时间最长的段

   3. 时空图

   4. 流水线的分类

      1. 按用于计算机系统的等级划分

         1. 部件级
            1. 一个功能对应一个部件
         2. 处理机级
            1. 更细化，比如取值指令对应一个部件
         3. 处理机间流水线
            1. 一个处理机只执行一个功能，比如一个计算机只执行一个加法指令

      2. 按所完成的功能划分

         1. 单功能流水线
         2. 多功能流水线
            1. 各段通过不同的连接，从而实现不同功能的流水线
            2. 静态流水线
            3. 动态流水线

      3. 按是否具有反馈回路分

         1. 线性流水线
         2. 非线性流水线
            1. 同一任务可能多次通过同一个段

      4. 按任务流入和流出的顺序是否相同划分

         1. 顺序流水线
            1. 流入和流出完全相同
         2. 乱序流水线
            1. 可以不同

2. 性能指标

   1. 吞吐率

      1. 用TP表示
         1. 任务树（n）除以处理完所有任务所需要的时间（Tk）

      2. 最大吞吐率

         1. TPmax=1/△t

      3. 实际吞吐率

         1. TP=n/((k+n-1)△t)

      4. 流水线瓶颈问题

         1. 解决办法

            1. 减小瓶颈的执行时间
            2. 重复设置瓶颈段
               1. 比如，乘法运算占用的时间特别长，是加法运算的10倍，就可以在计算机中再增加9个一共10个乘法计算器，这样乘法计算的速度就提高了10倍，和加法运算所占用的时间一样的多

   2. 加速比

      1. 实际加速比
         1. S=n*k/(k+n-1)
      2. 最大加速比
         1. Smax=k

   3. 效率

      1. 用E表示
      2. 设备的实际使用时间与整个运行时间的比值

      3. 实际效率

         1. E=n/(n+k-1)

      4. 最大效率

         1. Emax=1

      5. 效率与其他性能指标的关系

         1. 当流水线各段时间相等时，流水线的效率与吞吐率成正比

      6. 通过时空图计算效率

         1. E=（n个任务实际占用的时空区面积）/（时空区的总面积）

      7. 影响（多功能）流水线性能的原因

         1. 多功能流水线在执行某一种运算时，总有一些段是空闲的
         2. 静态流水线在执行功能切换时，要等前一种运算全部流出流水线后才能进行后面的运算
         3. 运算之间存在着关联，后面有些运算要用到前面运算的结果
         4. 流水线的工作过程有建立与排空部分

      8. 流水线的额外开销

         1. 流水寄存器存在建立时间和传输延迟
         2. 时钟偏移开销
            1. 时钟信号到达各流水寄存器的时间不是完全相同的

      9. 增加流水线的段数（深度）可以提高流水线的性能

         1. 当流水线的段数特别小的时候，小到和时钟频率一样的时候，流水线的性能就无法再提高了，因为一个时钟频率已经没有多余时间再去执行其他的段了
      10. 冲突问题