計算機指令-流水線和吞吐率

• 2021 年 6 月 28 日
• 筆記

流水線

我們把計算機的一條指令抽象成三個步驟（實際不止這些）

 現在向計算機發送三條指令A,B,C，如果不採用流水線的方式傳輸，那麼在每個機器周期中的執行步驟如下圖所示（我們假設每個步驟都會耗費一個機器周期）：

採用流水線的方式傳輸如下圖所示：

 對比上面兩張圖，我們可以看出，流水線是一種准並行處理技術：

第1個機器周期：處理A指令的取指步驟

第2個機器周期：處理A指令的分析步驟，同時也在處理B指令的取指步驟

以此類推，我們可以看出，同一機器周期只允許處理不同的步驟，不能處理相同的步驟，這樣在保證指令安全的同時也可以加快處理速度，提升了效率，這就是流水線帶來的好處

吞吐率

流水線理解了，吞吐率就好說了，這裡的吞吐率指的是流水線的吞吐率，簡單理解吞吐率就是通過數值來反應計算的處理速度，先列個公式：吞吐率 = 指令條數 / 流水線時間

指令條數：需要計算吞吐率的指令的總數

流水線時間：這裡的流水線時間指的並不是一個指令流水線花費的時間，而是跑完公式中指定的指令條數所需要的時間，對比上面兩個圖，一條指定所需要耗費的流水線時間是3個機器周期，而跑完ABC三條指令耗費的流水線時間是5個機器周期，對於流水線時間，有個計算公式：一條指令流水線所需要耗費的時間   + （指令條數 – 1）* 一條流水線中最耗時的步驟時間

吞吐率一般分為實際吞吐率和最大吞吐率，下面我從兩個案例來分別講述：

　　實際吞吐率

 　　　按照上面的公式，指令條數為8條，流水線時間=（1+2+3+1） + （8-1） * 3=28，結果就顯而易見是C了 

　  最大吞吐率

 　　我們列個一元二次方程，設最大吞吐率為y，指令條數為x，按照上面的公式y=x /（（2+1+3+1+2） + （x-1）* 3），簡化下就是y=x / （3x + 6）=1 / 3 – 2 / （3x-6），x為正整數，當x趨於無窮大的時候，y的最大值為1/3

 大家想要更加詳細的了解其中的原理，可以參考：//blog.csdn.net/yi_zz/article/details/7479912

用通俗易懂的語言闡述複雜的概念，學無止境，共勉前進！！！