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1、国家精品资源共享课程：计算机体系结构,第三章：流水线技术,国防科技大学计算机学院主讲人： 教授,第三章 流水线技术,3.1 流水线基本概念3.2 MIPS基本流水线3.3 流水线中的相关3.4 实例分析：MIPS R40003.5 向量处理机,本章内容,三项性能指标：吞吐率、加速比和效率1.吞吐率是衡量流水线速度的重要指标吞吐率是指单位时间内流水线所完成的任务数或输出结果的数量。最大吞吐率TPmax是指流水线在达到稳定状态后所得到的吞吐率。设流水线由m段组成，完成n个任务的吞吐率称为实际吞吐率，记作TP。,3.2.3 流水线性能分析,（1）最大吞吐率假设流水线各段的时间相等，均为t0，则：TP
2、max = 1/t0假设流水线各段时间不等，第i段时间为ti ，则：TPmax = 1/maxti 最大吞吐率取决于流水线中最慢一段所需的时间，该段成为流水线的瓶颈消除瓶颈的方法细分瓶颈段重复设置瓶颈段（时空图）,（2）实际吞吐率若各段时间相等（假设均为t0），则完成时间T流水 = mt0+(n-1)t0（说明）时空图,若各段时间不等（假设第i段为ti），则完成时间时空图T = ti+(n-1)tj这里，tj=maxti ,2. 加速比加速比是指流水线速度与等功能的非流水线速度之比。根据定义可知，加速比S = T非流水/T流水若流水线为m段，每段时间均为t0，则T非流水 = nmt0，T流水
3、= mt0 + (n-1)t0 S,3.效率效率指流水线的设备利用率。由于流水线有通过时间和排空时间，所以流水线的各段并非一直满负荷工作，E1若各段时间相等，则各段效率也相等，即e1 = e2 = e3 = = nt0/T流水 (解释)整个流水线效率,当nm时，E1,3.效率从时-空图上看，效率就是n个任务所占的时空区与m个段总的时空区之比根据这个定义，可以计算流水线各段时间不等时的流水线效率,n 个任务占用的时空区E m 个段总的时空区,4. 吞吐率、加速比和效率的关系E = nt0/T流水=mnt0/(T流水m)= S/m效率是实际加速比S与最大加速比m之比。E = nt0/T流水= (n
4、/T流水) t0=TPt0当t0不变时，流水线的效率与吞吐率呈正比。为提高效率而采取的措施，也有助于提高吞吐率。,例3.1 在静态流水线上计算AiBi ，问吞吐率、加速 比、效率各是多少？解：(1) 确定适合流水处理的计算过程 (2) 画时-空图 (3) 性能计算吞吐率TP = 7/20t0加速比 S = 34t0/20t0 = 1.7效率E(4436)/(820)0.21,5. 流水线性能分析实例,上述方案性能不高！静态多功能流水线在对某种功能进行处理时，总有某些段处于空闲状态功能切换增加了前一种功能的排空时间和后一种功能的通过时间需要把输出回传到输入（相关）能否通过动态流水线改进其性能？举
5、例I举例II 这样行不行？ 正确方案,例3.3 在MIPS的非流水实现和基本流水线中，5个功能 单元的执行时间：10/8/10/10/7ns。流水线 额外开销为1ns，求相对于非流水指令实现而言， 基本MIPS流水线的加速比是多少？解： T非流水 = 10 + 8 + 10 + 10 + 7 = 45 T流水 = 10 + 1 = 11 加速比S = 45/11 4.1注： 流水线额外开销包括：流水寄存器的延迟（建立 时间和传输延迟）以及时钟扭曲,6. 有关流水线性能的若干问题流水线并不能减少（而且一般是增加）单条指令的执行时间，但能够提高吞吐率增加流水线的深度可以提高流水线性能流水线深度受限于流水线的延迟和额外开销需要用高速锁存器作为流水线寄存器Earle锁存器指令之间存在的相关，限制了流水线的性能,Earle锁存器1965年由J.G.Earle发明优点对时钟扭曲不敏感（相对而言），一般是两级门延迟，避免了数据通过锁存器时可能产生的时钟扭曲在锁存器中可以执行两级逻辑运算，而不会增加锁存器的延迟时间，可以隐藏锁存器产生的额外开销,谢谢！,
