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在软考中 , 涉及到 流水线技术 的相关题型 :
- 流水线执行时间计算
- 流水线吞吐率计算
- 流水线加速比计算
一、流水线吞吐率计算
1、流水线吞吐率概念
流水线吞吐率 ( TP , Though Putrate ) 是指 单位时间 内流水线所完成的 指令或任务数 , 是衡量流水线性能的重要指标之一 ;
流水线吞吐率 计算公式 为 :
吞吐率 T P = 指令条数 流水线执行时间 \rm 吞吐率 TP = \cfrac{指令条数}{流水线执行时间} 吞吐率TP=流水线执行时间指令条数
流水线 最大 吞吐率 计算公式 为 :
T P m a x = lim n → ∞ n ( k + n − 1 ) t = 1 t TP_{max} = \lim_{n \to \infty}\cfrac{n}{(k + n - 1)t} = \cfrac{1}{t} TPmax=n→∞lim(k+n−1)tn=t1
- t t t 是 流水线周期 ;
- n n n 是 执行的指令条数 ;
- k k k 是 一条指令 所需的步骤数 ;
- ( k + n − 1 ) t (k + n - 1)t (k+n−1)t 是 流水线指令执行的 总时间 , 如果 n 无穷大 , 则 k − 1 k - 1 k−1 可以忽略 ;
2、流水线吞吐率示例
一条指令执行需要经过 取指 / 分析 / 执行 三个步骤 , 流水线周期 是 上述三个步骤中最长的一段时间 , 如 : 取指 1 ms , 分析 2 ms , 执行 3 ms , 则 流水线周期是 3 ms ;
指令完整的执行时间是 1 + 2 + 3 = 6 1 + 2 + 3 = 6 1+2+3=6 ms ;
如果要串行执行 10 条指令 , 则需要花费 10 × 6 = 60 10 \times 6 = 60 10×6=60 ms ;
如果按照流水线方式执行 , 则执行 10 条指令所需的时间为 :
( 1 + 2 + 3 ) + ( 10 − 1 ) × 3 = 6 + 27 = 33 (1 + 2 + 3) + (10 - 1) \times 3 = 6 + 27 = 33 (1+2+3)+(10−1)×3=6+27=33 ms
流水线吞吐率 计算公式 为 :
吞吐率 T P = 指令条数 流水线执行时间 \rm 吞吐率 TP = \cfrac{指令条数}{流水线执行时间} 吞吐率TP=流水线执行时间指令条数
指令条数为 10 条 , 流水线执行时间为 33 ms , 则吞吐率为 T P = 10 33 m s \rm TP = \cfrac{10}{33 ms} TP=33ms10
流水线 最大 吞吐率 计算公式 为 :
T P m a x = lim n → ∞ n ( k + n − 1 ) t = 1 t TP_{max} = \lim_{n \to \infty}\cfrac{n}{(k + n - 1)t} = \cfrac{1}{t} TPmax=n→∞lim(k+n−1)tn=t1
上述指令的 流水线周期是 3ms , 则该流水线的 最大吞吐率为 : T P m a x = 1 3 m s \rm TP_{max} = \cfrac{1}{3ms} TPmax=3ms1
二、流水线加速比计算
1、流水线加速比概念
流水线加速比 是指 完成同样一批任务时 , " 不使用流水线执行指令的时间 " 与 " 使用流水线执行指令的时间 " 之比 ;
流水线加速比 计算公式为 :
流水线加速比 = 不使用流水线执行指令的时间 使用流水线执行指令的时间 流水线加速比 = \cfrac{不使用流水线执行指令的时间}{使用流水线执行指令的时间} 流水线加速比=使用流水线执行指令的时间不使用流水线执行指令的时间
2、流水线加速比示例
一条指令执行需要经过 取指 / 分析 / 执行 三个步骤 , 流水线周期 是 上述三个步骤中最长的一段时间 , 如 : 取指 1 ms , 分析 2 ms , 执行 3 ms , 则 流水线周期是 3 ms ;
指令完整的执行时间是 1 + 2 + 3 = 6 1 + 2 + 3 = 6 1+2+3=6 ms ;
如果要串行执行 10 条指令 , 则需要花费 10 × 6 = 60 10 \times 6 = 60 10×6=60 ms ;
如果按照流水线方式执行 , 则执行 10 条指令所需的时间为 :
( 1 + 2 + 3 ) + ( 10 − 1 ) × 3 = 6 + 27 = 33 (1 + 2 + 3) + (10 - 1) \times 3 = 6 + 27 = 33 (1+2+3)+(10−1)×3=6+27=33 ms
执行 10 条指令 ,
- 不使用流水线 , 需要消耗 60ms 时间 ;
- 使用流水线 , 需要消耗 33 ms 时间 ;
流水线加速比 计算公式为 :
流水线加速比 = 不使用流水线执行指令的时间 使用流水线执行指令的时间 流水线加速比 = \cfrac{不使用流水线执行指令的时间}{使用流水线执行指令的时间} 流水线加速比=使用流水线执行指令的时间不使用流水线执行指令的时间
将上面的数值代入到上述公式 :
流水线加速比 = 不使用流水线执行指令的时间 使用流水线执行指令的时间 = 60 33 流水线加速比= \cfrac{不使用流水线执行指令的时间}{使用流水线执行指令的时间} = \cfrac{60}{33} 流水线加速比=使用流水线执行指令的时间不使用流水线执行指令的时间=3360