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第七讲 流水线技术引论流水线的基本性能n 流水线增大了 CPU的指令吞吐量 -即单位时间完成指令的条数n 流水线技术经常对流水线附加一些控制，因而增加了开销，随之单条指令执行时间略有加长流水线基本性能 例考察非流水线机器。假设其时钟周期为10ns， ALU和分支操作需要 4个时钟周期，存储器操作需要 5个时钟周期，以上操作的比例相应为 40%， 20%，40% 假设由于存在时钟偏移和启动时间，时钟周期增加了 1ns，并忽略其他的影响，求该流水线的加速比。在非流水线的机器上，指令的平均执行时间：指令平均执行时间 =时钟周期 X 平均 CPI=10ns X (40%+20%) X 4 + 40% X5=44ns在流水线方式下，时钟周期为 11ns，即指令的平均时间。speedup=44ns/11ns=4流水线级数选择 优点n 在理想情况下，即流水线处理器中可连续执行的指令条数 k - 时，流水线处理器的性能加速比为流水线的级数，因此流水线处理器的性能取决于流水线级数的选取 。n 若流水线级数选取得越大，则对于给定的逻辑通路，流水级就分得越细，每一级的逻辑通路就越短，时钟周期就越快，处理器的性能也就越高。 流水线级数选择 缺点n 随着流水线级数的增加，由于指令流的断流所产生的延迟就增加了，这样将会逐渐掩去由于流水级的增加所带来的性能增益；n 在每一个流水级中，除了实现操作的逻辑通路具有一定的传输延迟外，还需要有固定的锁存开销时间，包括：锁存建立、锁存传输和时钟偏斜 流水线级数选择 -流水线中时钟周期的组成 流水线级数选择n 若逻辑通路过分地细化，虽然逻辑通路的传输时间可分摊到各流水级中，但由于锁存开销时间是固定的，锁存开销时间将会成为决定流水线时钟周期的主要因素。n 另外，随着流水线级数的增加，流水线中各级所需的锁存硬件开销也将逐渐增大；n 同时由于流水线级数的增加，处理器的时钟频率也将加快，处理器所需的功耗也将逐渐增高。n 因此存在一个根据所实现处理器的性能、价格目标，选取满足设计目标的最佳流水线级数的问题。 流水线级数选择 -最佳流水线长度Larson和 DavidsonLarson73提出了一个求解使所实现的处理器的性能达到最大的最佳流水线级数的模型，该模型的建立是基于处理器的逻辑通路长度 L、锁存开销时间 t、连续执行指令数 k。则最佳流水线长度 nmax：式中的 nmax 的意义为：当流水线级数增加时，处理器的性能将随着流水线级数的增加而逐渐增加
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