流水线工作原理

流水线工作原理

必须等上条指令执行结束，才能确定下条指令的地址，造成时间损失3.影响指令流水效率加倍的因素(1)执行时间>取指时间(2)条件转移指令对指令流水的影响

解决办法

？取指令部件指令部件缓冲区执行指令部件猜测法24.指令的六级流水六级流水14个时间单位串行执行6×9＝54

个时间单位完成一条指令6个时间单位COFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFI指令1指令2指令3指令4指令5指令6指令7指令8指令91234567891011121314t注释3二、流水线性能1.吞吐率单位时间内流水线所完成指令或输出结果的数量

最大吞吐率

实际吞吐率连续处理n条指令的吞吐率为设m

段的流水线各段时间为ΔtTpmax=Δ1tTp=m

·Δ

+(n-1)·

Δ

ntt42.加速比Sp

m

段的流水线的速度与等功能的非流水线的速度之比

设流水线各段时间为Δt

完成n条指令在m

段流水线上共需

T=m

·

+(n-1)·

ttΔΔ

完成n条指令在等效的非流水线上共需

T

′=nm

·tΔSp

=

m

·+(n-1)·

nm·=nmm

+n-1

ΔtΔΔtt

则5由于流水线有建立时间和排空时间因此各功能段的设备不可能一直处于工作状态

流水线中各功能段的利用率3.效率

mΔt31245312453124531245………………………………n-1nn-1nn-1nn-1nT时间S空间空间S4S3S2S1(n-1)Δt6m(m

+n-1)Δt

=mnΔt

流水线各段处于工作时间的时空区流水线中各段总的时空区

效率=3.效率

mΔt31245312453124531245………………………………n-1nn-1nn-1nn-1nT时间S空间空间S4S3S2S1(n-1)Δt流水线中各功能段的利用率7举例用一条5个功能段的浮点加法器流水线计算[分析]首先需要考虑的是，10个数的的和最少需要做几次加法。每个功能段的延迟时间均相等，流水线的输出端和输入端之间有直接数据通路，而且设置有足够的缓冲寄存器。要求用尽可能短的时间完成计算，画出流水线时空图，并计算流水线的实际吞吐率、加速比和效率。我们可以发现，加法的次数是不能减少的：9次；于是我们要尽可能快的完成任务，就只有考虑如何让流水线尽可能充满，这需要消除前后指令之间的相关。由于加法满足交换率和结合率，我们可以调整运算次序如以下的指令序列，我们把中间结果寄存器称为R，源操作数寄存器称为A，最后结果寄存器称为F，并假设源操作数已经在寄存器中，则指令如下：8大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流9I1： R1←A1+A2I2： R2←A3+A4I3： R3←A5+A6I4： R4←A7+A8I5： R5←A9+A10I6： R6←R1+R2I7： R7←R3+R4I8： R8←R5+R6I9： F←R7+R8这并不是唯一可能的计算方法。假设功能段的延迟为Δt。时-空图如下，图中的数字是指令号。1032141111222233334444555556666677777888889999921Δt部件m15432R1=A1+A2R2=A3+A4R3=A5+A6R4=A7+A8R5=A9+A10R6