单周期、多周期、流水线控制性能比较 Single-Cycle EXecution Tok=350+250+350+350+250=1550ps IF RegI alU mEm Reg CPI=1, but long clock cycle Each instruction 1550 ps IFRegI ALU MEM Reg Each instruction=1550 ps IF RegI ALU MEM Reg lulti-Cycle Execution: Toock=350 ps Each instruction= 1550 ps-+ F Regalo|MEM| Reg Average CPI=5×02+4×0.1+4×04+3×0.3=39 350ps" 350ps 350ps IF Regl ALu Reg Load =5 cycles 350ps 350ps 350ps 350ps Reg ALU ALU =4 cycles 350ps350ps350ps Pipelined execution Branch=3 cycles→ IFReg ALU MEMReg cock=350ps=max(350,250) 350ps Reg ALU MEM Reg One instruction completes each cycle 350psIFReg ALU Reg Average CPI=1 350ps 350ps 350ps350ps 350ps ignore time to fill pipeline 中国科学技术大学 chapter 12
单周期、多周期、流水线控制性能比较 • 假设5段指令执行流水线 • 某一程序段假设： – 20% load, 10% store, 40% ALU, and 30% branch • 比较三种执行模式的性能 中国科学技术大学 chapter03.12
流水线的性能分析 基本度量参数:吞吐率,加速比,效率 吞吐率:在单位时间内流水线所完成的任务数量或输 出结果的数量。 TP n:任务数 Tk:处理完成n个任务所用的时间 中国科学技术大学 chaptero3. 13
吞吐率：在单位时间内流水线所完成的任务数量或输 出结果的数量。 基本度量参数：吞吐率，加速比，效率 TK n TP = n：任务数 Tk：处理完成n个任务所用的时间 流水线的性能分析 中国科学技术大学 chapter03.13
流水线技术提高系统的任务吞吐率 1.各段时间均相等的流水线 各段时间均相等的流水线时空图 空间 1 2 3 n 123 n-1 n 2 3 k·△t (n-1)·△ 时间 (单位:△t) T 中国科学技术大学 chapter03.14
1. 各段时间均相等的流水线 – 各段时间均相等的流水线时空图 S1 S2 S3 S4 空间 时间 1 （单位：△t） 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 n-1 n-1 n-1 n-1 n n n n … … … … … … … … k·△t (n-1)·△t Tk 流水线技术提高系统的任务吞吐率 中国科学技术大学 chapter03.14
吞吐率 流水线完成n个连续任务所需要的总时间为 (假设一条k段线性流水线) T=k△t+(m1)△t=(+m1)△t 流水线的实际吞吐率 (k+n-1)△ 最大吞吐率流水线在连续流动达到稳定状态后 所得到的吞吐率。 m n(k+n-1)t△t n-1 n n-1 TP= TP k+n-1 max 中国科学技术大学 15
– 流水线完成n个连续任务所需要的总时间为 （假设一条k段线性流水线） Tk＝kΔt＋(n-1)Δt＝(k＋n-1)Δt – 流水线的实际吞吐率 k n t n TP + − = ( 1) (k n ) t t n TP n = + − = → 1 1 max lim ➢ 最大吞吐率:流水线在连续流动达到稳定状态后 所得到的吞吐率。 吞吐率 S4 1 2 3 4 5 .. .. .. n-1 n S3 1 2 3 4 5 .. .. .. n-1 n S2 1 2 3 4 5 .. .. .. n-1 n S1 1 2 3 4 5 .. .. .. n-1 n 中国科学技术大学 15 max 1 TP k n n TP + − =
TP与Tpn的关系 最大吞吐率与实际吞吐率的关系 TP= k+n-1 a流水线的实际吞吐率小于最大吞吐率,它除了与 每个段的时间有关外,还与流水线的段数以及 输入到流水线中的任务数n等有关。 只有当>时,才有TP≈ TP 中国科学技术大学 chapter03. 16
– 最大吞吐率与实际吞吐率的关系 max 1 TP k n n TP + − = ❑ 流水线的实际吞吐率小于最大吞吐率，它除了与 每个段的时间有关外，还与流水线的段数k以及 输入到流水线中的任务数n等有关。 ❑ 只有当n>>k时，才有TP≈TPmax。 TP与Tpmax的关系 中国科学技术大学 chapter03.16