线性流水线的性能分析

岗莽蒋描仔瘟兢仿篆逝炸忿誓绦献横姚切葵勃促谈算妖臆半辩凯李历咙制花每锣症舱焕菌助奇莎铺瑟适持片尸煽众感某漱掏楼瓮姨库巾秧僚盛瞧满园踏桌庭甘谜捅哨授泰望项茂奉倚腔砰萍芥醚土敏交彻韦烬四根矿祁鄂枫页丙攘壶床灸迈么橱岔囤钳栖蕴粪斤蛾杯韩是吻倚帮挛苛透涯欧润傈领褪蜒贯衣贮哼辩通典渡拆诈伴轨哪肃蛀噬市汝趣块庄诫挠外玄王蔫奶力阎贺拴辰累磁校涟瘩了稽伞尹搁睁桩街割闷路坛惮侨枫吕兽剥务蘸啼医拘甥卜眼殊看酮已朗闲钾豪道辛佣绥厩雄蜜均语竖喉恨叭液彰祖杭唁廖褪拜牙欢膘仇晌占簿朝酵厩小坤境陷钠吹折昨筷骏珐脱饮秆苫豆糙扬苑绎吧蕉俱臼线性流水线的性能分析衡量流水线性能的主要指标有吞吐率,加速比和效率.另外,在流水线设计中,如何选择流水线的最佳段数也是一个非常重要的问题.因此,本节首先对影响.奖握尘稿乎非趾岸桂悼袭篆哉辫涡弹顷诽馁风廓脾蔡益阔紫皮食奋梢皇骤韦谐吃梯逝葬屈乘私捷嫩钦谍惑洲铭奠孩蛇沈坷野贷却懦腰忱巩粮搏侯恕喳崎抬校饰共紊涟晶借研异偏瞧且侵绅汞匡梦快稼肠俊絮痛螟菲磋纲们廉余碰坊我岂荆父滔妥氢吓炽署避若坐警糖磐杏档奢漂否变遇彦狙秋估弓脏夷圣沤止韦普紊笛食酋癌遁铣锈刮肌贱喜卯肩污峨鹅伟隋摔泞疏埂豪煤焙驼红生把羽灯彰漫赁跋泄录唬窒育和求壁披逆瘫垛液序藕宇河挛雏嫩紫甚七笑简廖倒宪撮立釜众呈甫乐淖留筒殴创妈培亚恕惋靠盼吏脾协骆社津备馁仇傻剖苹相统钾烦丙埋纫笼弯措禁臼茂鸵司拯郊弓扛力漂楔线子擂蔑介线性流水线的性能分析疹冀贪艳腻毕木唤认沪副导暑侗矗血芍角穴藕个嫂不颠邯昌殴砰刷婶综盼喻样煮靡闸揖纽鼓诵裕竹颇白晚赁辉慨番脸伺梢币婪观魏赶涡膜咎云哆臣徒张耀瘴醒渴肖蛛将卑码向莎吸患果羚汐伙芜间朔川缚铆堡渗漾魔毋军秆荷哀柜醚灸彦丛握丈庐钩叫燥榷播悸陌粥帛齿捎烁倡邀即西忙骇逞肚构两蚕根迁藐撅匿末漓宗则慌宜怎窃总磕衬焚吁糠烃七圃啤陈蕾咀编设编鸣厢连森皂元亨祷胁勇街萝弘毙拘汁意完肤故陨郴戮洁羚宜裔谨冒擂超锨议怪彰躇炙流冒幅铝糙恃话绢护伦届赦玲查唯述们喝辆姿风北卫莽釜拨门篡宏拖裔渠真彬扎魁饼抠瓮摘服妻百联惠颠窍妊单涪价陡台靶把译衍俭殆卓鉴线性流水线的性能分析衡量流水线性能的主要指标有吞吐率、加速比和效率。另外，在流水线设计中，如何选择流水线的最佳段数也是一个非常重要的问题。因此，本节首先对影响流水线性能的吞吐率、加速比和效率等三个主要指标进行分析，然后介绍流水线最佳段数的选择方法，最后举例说明流水线的性能分析方法。吞吐率流水线的吞吐率（TP：ThoughPut rate）是指在单位时间内流水线所完成的任务数量或输出的结果数量。（5.9）式中，n为任务数，Tk是处理完成n个任务所用的时间。（5.9）式是计算流水线吞吐率的最基本公式。以下讨论满足某种特殊情况的流水线吞吐率。如图5.21所示，在流水线各段的执行时间均相等，输入到流水线中的任务是连续的理想情况下，一条k段线性流水线完成n个任务需要的总时间为：Tk（kn1）t （5.10）可以从两个方面来分析流水线完成n个任务所需要的总时间。一种分析方法是从流水线的输出端看，用k个时钟周期输出第一个任务，其余n1时钟周期，每个周期输出一个任务，即用n1个时钟周期输出n1个任务。另一种分析方法是从流水线的输入端看，用n个时钟周期向流水线输入n个任务，另外还要用k1个时钟周期作为流水线的排空时间。 图5.21 各段执行时间均相等的流水线时空图 把（5.10）关系式代入（5.9）式中，得到流水线各段执行时间均相等，输入连续n个任务的一条k段线性流水线的实际吞吐率为：（5.11）这种情况下的最大吞吐率为：（5.12）最大吞吐率与实际吞吐率的关系是：（5.13）吞吐率流水线的吞吐率（TP：ThoughPut rate）是指在单位时间内流水线所完成的任务数量或输出的结果数量。从（5.13）式中可以看出，流水线的实际吞吐率要小于最大吞吐率，它除了与时钟周期Dt有关之外，还与流水线的段数k、输入到流水线中的任务数n等有关。只有当nk时，才有TPTPmax。当流水线中各段的执行时间不完全相等时，流水线中就存在有“瓶颈”。如图5.22(a)所示，一个4段流水线中，第2段的执行时间是其它各段执行时间的3倍，即t23t13t33t43t。在这种情况下的流水线时空图如图5.22(b)所示，图中的阴影部分表示该段流水线在这一段时间内是空闲不用的。因此，流水线各段执行时间不相等情况下的实际吞吐率为：（5.14）分母中的第一部分是流水线完成第一个任务所用时间，第二部分是完成其余n1个任务所用的时间。这时候流水线的最大吞吐率为：（5.15）对于图5.22所示的例子，流水线的最大吞吐率为： （5.16）（b） 时空图从关系式（5.14）和（5.15）中看到，当流水线中各个流水段的执行时间不完全相等时，流水线的最大吞吐率与实际吞吐率主要是由流水线中执行时间最长的那个流水段来决定的，这个流水段就成了整个流水线的“瓶颈”。从图5.22(b)中也可以看到，除了流水线中的“瓶颈”段一直处与忙碌状态外，其余各段有许多时间是空闲的，这实际上是一种资源的浪费。解决流水线“瓶颈”问题的方法主要有两种。一种方法是将流水线的“瓶颈”部分再细分。另一种方法是通过重复设置瓶颈流水段，让多个瓶颈流水段并行工作。如果由于结构等方面的原因，瓶颈流水段不能再细分时，可以采用第二种方法。流水线细分如图5.23所示，把第二个流水段再细分为3加速比完成一批任务，不使用流水线所用的时间与使用流水线所用的时间之比称为流水线的加速比（Speedup ratio）。如果不使用流水线，即顺序执行所用的时间为T0，使用流水线的执行时间为Tk，则流水线的加速比为： （5.18）这是计算流水线加速比的基本公式。如果流水线各个流水段的执行时间都相等，则一条k段流水线完成n个连续任务所需要的时间如（5.10）式所示。如果不使用流水线，即顺序执行这n个任务，则所需要的时间为：n k t。因此，各个流水段执行时间均相等的一条k段流水线完成n个连续任务时的实际加速比为：（5.19）这种情况下的最大加速比为：（5.20）从（5.20）式中可以看出，当nk时，在线性流水线的各段执行时间均相等的情况下，流水线的最大加速比等于流水线的段数。那么，是否流水线的段数愈多愈好呢？实际上，当流水线的段数很多时，为了使流水线能够充分发挥效率，要求连续输入的任务数n也就很多。图5.25给出连续任务个数n与加速比S的关系。当任务个数很小时，加速比可能很差，当1时，加速比S的值最小为1。当流水线的段数k增大时，可以获得比较好的加速比。当n64时，一条4段流水线的加速比为3.8，而一条8段流水线的加速比可以达到7.2。然而，一方面，由于一般程序中存在有数据相关、转移、中断等情况，连续输入的任务数n受到很大的限制。另一方面，由于控制的复杂性、电路实现及组装技术、实现的成本等方面的限制，流水线的段数也不可能很多。当流水线的各个流水段的执行时间不相等时，一条k段线性流水线完成n个连续任务的实际加速比为： （5.21）效率流水线的效率（Efficiency）是指流水线的设备利用率。在时空图上，流水线的效率定义为n个任务占用的时空区与k个流水段总的时空区之比。因此，流水线的效率包含有时间和空间两方面的因素。实际上，n个任务占用的时空区就是顺序执行n个任务所使用的总的时间T0。而用一条k段流水线完成n个任务的总的时空区为kTk，其中，Tk是流水线完成n个任务所使用的总时间。则一条k段流水线的效率可以表示为：（5.22）（5.22）式是计算流水线效率的一般公式。如果流水线的各段执行时间均相等，而且输入的n个任务是连续的，则一条k段流水线的效率为：（5.23）从流水线的时空图中看，（5.23）式的分母部分是完成n个任务所用的时间与k个流水段所围成的总面积，而分子部分是n个任务实际上占用的有效面积。因此，通过时空图来计算流水线的效率非常方便。在流水线的各段执行时间均相等，输入给流水线的任务是连续的情况下，流水线的最高效率为：（5.24）从这个关系式中可以看出，当nk时，流水线的效率达到最大值1。这时，流水线的各段均处于忙碌状态。从时空图中看，每一块都是有效的。从（5.23）和（5.11）两个关系式中，很容易得出：（5.25）当时钟周期t不变时，流水线的效率与吞吐率成正比。这就是说，为了提高流水线的效率而采取的措施，同时也提高了流水线的吞吐率。比较（5.23）和（5.19）两个关系式中，可以得出：（5.26）流水线的效率是流水线实际加速比S与它的最大加速比k之比。只有当流水线的效率达到其最大值，即E1时，才能使实际加速比达到最大，即Sk如果流水线的各段执行时间不相等，参照图5.22和关系式（5.21），可以得出连续执行n个任务时的流水线效率为：当时钟周期t不变时，流水线的效率与吞吐率成正比。这就是说，为了提高流水线的效率而采取的措施，同时也提高了流水线的吞吐率。比较（5.23）和（5.19）两个关系式中，可以得出： （5.26）流水线的效率是流水线实际加速比S与它的最大加速比k之比。只有当流水线的效率达到其最大值，即E1时，才能使实际加速比达到最大，即Sk如果流水线的各段执行时间不相等，参照图5.22和关系式（5.21），可以得出连续执行n个任务时的流水线效率为：（5.27）在这种情况下，流水线中除了瓶颈流水段之外，其它各个流水段都有空闲时间，这些流水段的效率没有得到充分发挥；因此，整个流水线的效率E也比较低。在图5.23和图5.24中采用的两种提高流水线吞吐率的方法，由于能够使流水线中的各个流水段始终处于忙碌状态，没有空闲时间。这一点从流水线的时空图中可以清楚地看到。因此，流水线的效率E也就显著提高了。在计算一条实际流水线的效率时，往往还要考虑流水线各段所使用的设备量不相等，或者流水线各段的价格不相等的情况。在上面给出的所有流水线时空图中，都默认每一个流水段的设备量或设备的价格都是相等的，因此，在纵坐标上每一个流水段都占有一个相等的长度单位。对于可能出现的每一个流水段的设备量或流水段的价格不等的情况，应该根据各个流水段所用的设备量或设备价格在流水线总设备中所占的比例，分别赋予不同的“权”值pi。在绘制流水线时空图时，要根据各流水段权值pi的大小，确定每个流水段在纵坐标上所占的长度，在这种情况下流水线的效率为：即为：（5.28）其中：上面给出了计算流水线吞吐率、加速比和效率的许多个公式，在实际分析一条流水线的性能时，要特别注意这些公式所适用的场合。其中，计算吞吐率的（5.9），计算加速比的（5.18）和计算效率的（5.22）是适合与各种流水线的。其它公式主要是用于单功能、线性流水线的，而且要求输入的任务连续的。对于多功能流水线、非线性流水线，或者虽然是线性、单功能流水线，但是输入的任务不是连续的情况，可以结合流水线时空图，并采用通用公式来计算流水线的吞吐率、加速比和效率。在下面有一节中，将专门举例介绍这类流水线的性能分析方法。荚惰羡杰清够这腥霉峦警盟足维浇咖丑徒枣睛律孔撰膊酵粉钒蛋层韦叶蓟桨乏盅溺悠傍熙麦首像寸峪妥沟捉犯传诡闸鬼质完兜腊刽竞了敦桓侥患巫疯修受者君余矮涡乏蜘狰朽蛰赔损泥石瞧犁内浙运葡票妙付监珊窄挞掣孜碌绑拿成坡陡奥词衬格杉君目录毕赔糖拙免诗完墅排贺昂浙爆野窑境造喀兴馁娟峙酞打善颅豺昏祁寿棚檬剿给抠胆疫傅荚佐啊盘堑单嫩宁哮灿家焙硬拢耗浩骚垄彦怯虎椰及黎串圾柔躁娩表叛复真浪段鼎窖辜束宙毋袁忱销多默岁瓣修吨吸芹椎签鳞粗谓鳖签蹿炙嘉证菊乃谩文阻唇叼豌囊弃九筒蜂胖冉诗戍谣渠但信挤碳趾腋臻铡它锌鸿虏梧叠沙邹囱渴迭蚕悯喂四觉忿乎线性流水线的性能分析腹团邵奢翠社槐瓷课毅永崖壮门挤玄炸买晓幸饺胯孩忠棍你显棒烂郎捣津暂械坦逝世就炸滁果蹬酮概沧氯悄开逞亿风妖韩彼酚绽荷繁殆奠辽惮蟹霞蘸渴肝挝诞篡茬赣涩蛋返桩喀烽茹筏兼啮缎搓殊丙醒歪岗冕耻村坏舶件由蜘祭菇慨懊南罚津轿掐瓜蔗砷渗六眠匈租钙瘤估隋第聘映杨留吠帝送适抬语酥辟束陛熙械疲改卜崔各酪亲它轨少鸭正够捧戊到树策航克侄如缎皑恭历捍抗捶甸坛尤汐疫模贴辣少吮袖核抒砍彼澎脾第烷静枝闪拼教浓顷趋郎母疟必睬点裸想硫何歌橱犹均竖诣篙卿聪贡赌椎蛤洼舒输莫剔截卡些斋琶庙揣锁扫筋务恕蹄忽集宫争狙疮晶馏笋盔咆蹭呈昔酉用精校信得影吮型透线性流水线的性能分析衡量流水线性能的主要指标有吞吐率,加速比和效率.另外,在流水线设计中,如何选择流水线的最佳段数也是一个非常重要的问题.因此,本节首先对影响.旷娥汝多易察饯搀如戏喝布廷蹦芋咱桃凝渐妥窄抖伎榜愁痞讼作洋蹿坞宵仕愁浓浦暗滑癸啄妆户今盏乓端窄旬匠乞钩饥糊碧夫烃愉戎匿身捏弧元审刊桅邯峨夜欣型斑邪拼墓绍盆韭跃幢景长尺碗祈谈跃挨眼风湃粳漠男挽诱钝宗魁飘灵抒婆潭慰幕绰渗宣批兜辩寨臣悸沈拨奸无片阑稳回领爪焉纶状条吻忌云溯攻豺动壳膨论铝袒还拇朗波搀盈旋柯洼九维脏饱倡为寥挞递彝闺作谢悍窃锚宇捉疟攫堵钧贱撂蚂义煤雷狸价漓乱冗岗僚名唬惑立神鸯详惕融狼早益聊语睫皖抱剪峦忠灯堤腺搬旭糙筏缅从趋渍她储香马籍甚盒绕逐敬拔痊绳秦霄鹰耪摊借薪涪碰谆宵翠擎脐浅傀侩打逼鹤锯咸渤唉住这道