挑战408——组成原理(26)——指令流水线

好像。。。。有段时间没有更新了吧。。

指令流水线

前面介绍的总线结构数据通路,单周期通路,多周期通路,多周期通路都只能串行执行指令,在串行的方式下,CPU总是执行完一条指令后才取出下一条指令执行。这样一来就不能充分利用执行部件的并行性。
假设一条指令的执行过程可以分为多个阶段(或者称之为过程),假设分为两段:取指令和执行指令。那么在串行的方式下,各个指令按顺序执行:
挑战408——组成原理(26)——指令流水线_第1张图片
但是在并行下,指令可以这样执行:
挑战408——组成原理(26)——指令流水线_第2张图片
这样,并行的方式大大的缩短了指令周期。
计算机种指令的处理过程可以分为以下的5个阶段:

  1. 取址(FI)
  2. 指令译码(DI)
  3. 计算操作数地址(CO)
  4. 取操作数(FO)
  5. 执行指令(CI)
  6. 写操作数(WO)

指令要采用线性流水线方式那么必须将指令分割成若干个独立的子任务,并且每个子任务需要由独立的功能部件完成。
我们通常使用时空图的表示方法,直观的描述流水线的工作过程。在时空图种,横坐标表示时间,也就是输入到流水线的各个任务在流水线种所经过的时间。当流水线种各流水段的执行时间都相等的时候,横坐标就可以被分割成相等长度的时间段。而纵坐标表示空间,对应各个执行部件。下面用时空图来描述一下串行执行和并行执行两种方式:
在串行的方式下
挑战408——组成原理(26)——指令流水线_第3张图片
当t = 8 ∆t 的时候,执行了两条指令。虚线与I1围成的空白位置是未被利用的。
在并行方式下
挑战408——组成原理(26)——指令流水线_第4张图片
此时,我们可以像俄罗斯方块那样移动I2,填补空缺。同样的,分析上图,当t = t4 的时候,I1刚刚好执行完毕,t1 = t5 的时候I2执行完毕,t = 8 ∆t 的时候,此时执行了5条指令。
由此可见,流水线的方式,成倍的提高了计算机的速度。但是这里注意,线性流水线能提高执行效率(即某段时间内能执行更多指令),但不能减少每个任务的执行时间(即图中的纵坐标)。

指令流水线的性能指标

衡量流水线性能的主要指标有吞吐率,加速比,效率。

  1. 吞吐率 :表示单位时间内流水线所完成的任务数量或者是输出的结果数量。
    在这里插入图片描述
    其中,n是任务数,Tk是处理完成n各任务所用的时间。一条k段线性流水线能在k + n - 1个时钟周期中完成n个任务,用∆t 表示时钟周期,那么实际的吞吐率为:
    在这里插入图片描述
    当n趋于无穷的时候,Tp趋于1/∆t。
  2. 加速比:完成一项任务,不适用流水线所用的时间与使用流水线所用的时间的比值。即:
    在这里插入图片描述
    即T0表示顺序执行,Tk表示流水执行,当各段执行时间相等的时候,则有:
    S = (kn∆t)/(k+n-1)∆t 即
    在这里插入图片描述
    易知,当n趋于无穷的时候,S的最大值为k。
  3. 效率:流水线上的设备利用率,在时空图上表现为:
    在这里插入图片描述
    若各段执行时间相等,那么分子便是n个任务i实际占有的有效面积。当n趋于无穷的时候,E的最大值为1/

流水线中的主要影响因素

流水线中存在一些相关(或者说冲突)的情况?它使得下一条指令无法在设计的时钟周期内执行。这些相关会降低流水线的性能。
目前主要的冲突有:资源冲突(结构相关),数据冲突(重点),控制冲突。
具体分析,见下篇。。。

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