在软考中 , 涉及到 流水线技术 的相关题型 :

• 流水线执行时间计算
• 流水线吞吐率计算
• 流水线加速比计算

一、流水线吞吐率计算

---

1、流水线吞吐率概念

流水线吞吐率 ( TP , Though Putrate ) 是指 单位时间 内流水线所完成的 指令或任务数 , 是衡量流水线性能的重要指标之一 ;

流水线吞吐率 计算公式 为 :

$$\mathrm{吞吐率}\mathrm{TP}=\frac{\mathrm{指令条数}}{\mathrm{流水线执行时间}}$$

流水线 最大 吞吐率 计算公式 为 :

$$T{P}_{max}=\underset{n\to \infty }{\lim }\frac{n}{(k+n-1)t}=\frac{1}{t}$$

• $t$ 是 流水线周期 ;
• $n$ 是 执行的指令条数 ;
• $k$ 是 一条指令 所需的步骤数 ;
• $(k+n-1)t$ 是 流水线指令执行的 总时间 , 如果 n 无穷大 , 则 $k-1$ 可以忽略 ;

2、流水线吞吐率示例

一条指令执行需要经过 取指 / 分析 / 执行 三个步骤 , 流水线周期 是 上述三个步骤中最长的一段时间 , 如 : 取指 1 ms , 分析 2 ms , 执行 3 ms , 则 流水线周期是 3 ms ;

指令完整的执行时间是 $1+2+3=6$ ms ;

如果要串行执行 10 条指令 , 则需要花费 $10\times 6=60$ ms ;

如果按照流水线方式执行 , 则执行 10 条指令所需的时间为 :

$(1+2+3)+(10-1)\times 3=6+27=33$ ms

流水线吞吐率 计算公式 为 :

$$\mathrm{吞吐率}\mathrm{TP}=\frac{\mathrm{指令条数}}{\mathrm{流水线执行时间}}$$

指令条数为 10 条 , 流水线执行时间为 33 ms , 则吞吐率为 $\mathrm{TP}=\frac{10}{33ms}$

流水线 最大 吞吐率 计算公式 为 :

$$T{P}_{max}=\underset{n\to \infty }{\lim }\frac{n}{(k+n-1)t}=\frac{1}{t}$$

上述指令的 流水线周期是 3ms , 则该流水线的 最大吞吐率为 : $\mathrm{T}{\mathrm{P}}_{\max }=\frac{1}{3ms}$

二、流水线加速比计算

---

1、流水线加速比概念

流水线加速比 是指 完成同样一批任务时 , " 不使用流水线执行指令的时间 " 与 " 使用流水线执行指令的时间 " 之比 ;

流水线加速比 计算公式为 :

$$流水线加速比=\frac{不使用流水线执行指令的时间}{使用流水线执行指令的时间}$$

2、流水线加速比示例

一条指令执行需要经过 取指 / 分析 / 执行 三个步骤 , 流水线周期 是 上述三个步骤中最长的一段时间 , 如 : 取指 1 ms , 分析 2 ms , 执行 3 ms , 则 流水线周期是 3 ms ;

指令完整的执行时间是 $1+2+3=6$ ms ;

如果要串行执行 10 条指令 , 则需要花费 $10\times 6=60$ ms ;

如果按照流水线方式执行 , 则执行 10 条指令所需的时间为 :

$(1+2+3)+(10-1)\times 3=6+27=33$ ms

执行 10 条指令 ,

• 不使用流水线 , 需要消耗 60ms 时间 ;
• 使用流水线 , 需要消耗 33 ms 时间 ;

流水线加速比 计算公式为 :

$$流水线加速比=\frac{不使用流水线执行指令的时间}{使用流水线执行指令的时间}$$

将上面的数值代入到上述公式 :

$$流水线加速比=\frac{不使用流水线执行指令的时间}{使用流水线执行指令的时间}=\frac{60}{33}$$