计算机体系结构PPT教学课件-第三章流水线
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6 流水线处理机及其设计6.1 引 言流水线(pipeline)是一种能够使多条指令重叠操作的处理机的实现技术,它已成为现代处理机设计中最为关键的技术。
流水线技术并不是处理机设计领域所独有的。
早在计算机还没有出现之前,流水线技术已被广泛应用于工业生产中了。
尤其是现在,几乎所有的现代化工厂的生产线都采用流水线技术。
一件产品往往需要几道工序才能完成。
每道工序只完成生产过程中的一小部分操作,即送往下——道工序。
如果单从——件产品从开始到完成来看,生产所需要的时间,与非流水线相比,似乎并没有缩短。
但从整体来看,产品的出产率却大大提高了。
流水线处理机也是这样,单条指令的执行时间没有缩短,但每个时钟周期都会有一条指令执行完毕。
试想,非流水线多周期处理机执行一条指令平均要花费大约4个时钟周期。
假设执行1万条指令,就要用4万个时钟周期。
而流水线处理机执行一条指令可能需要5个时钟周期,但由于多条指令,例如5条,可以重叠操作,总体上,平均每条指令所花费的时间大致为1个时钟周期,总共只需要大约1万个时钟周期。
这就是所谓的“吞吐率”的提高。
流水线处理机把一条指令的执行分成几个步骤,或称级(stages)。
每一级在一个时钟周期内完成。
在每个时钟周期,处理机启动执行一条指令。
如果处理机的流水线有m 级,则同时可重叠执行的指令总条数将为m ,每条指令处在不同的执行阶段。
如果分级分得好的话,那么每—级都没有时间上的浪费。
这是最理想的情况。
流水线处理机在这种理想的情况下,与非流水线处理机的性能加速比为/np np p mp I CPI T CPI S m I CPI TCPI m⨯⨯===⨯⨯其中,I 为一个程序被执行的总的指令条数。
它在流水线处理机和非流水线处理机中是相等的。
CPI 是每条指令总体平均所需的时钟周期数。
CPI np 是非流水线处理机的CPI ,CPI n 是流水线处理机的CPI 。
因为流水线处理机把一条指令的执行时间理想地分成了阴级,有m 条指令在同时(重叠)执行,则CPI p =CPI np /m 。