【软考学习5】流水线基本概念、周期执行时间、吞吐率、加速比和效率的计算 |
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在这里插入图片描述一、流水线基本概念 在学习流水线之前,必须掌握 并行 的概念,即明白什么是 并行。 其中,并行和我们常说的并发是不同的,需要理解这两个概念。 并行指的是:两个或两个以上的事件在同一时刻发生。 并发指的是:两个或两个以上的事件在同一时间间隔发生。 一条计算机指令在执行时,可以分为以下三个步骤: 取址:根据控制器的要求,从存储器中取出某条指令送到指令寄存器。分析:对指令进行译码,和取操作数操作。执行:把操作结果写到通用寄存器中。如果不使用流水线,执行三条指令,则需要 9 个单位的执行时间,如下图所示。 在这里插入图片描述如果使用了流水线,则只需要 5 个单位的时间,如下图所示。 在这里插入图片描述这就是流水线的魅力。 流水线的概念,就是在程序执行时,多条指令重叠进行操作的一种准并行处理技术,可以提高各部件的利用率。 比如一个软件公司接了 10 个外包项目,这些项目需要有前端、后端、算法、UI、软件测试、需求调研、项目经理等等。 如果按顺序做下来,必定有工人是空着的,如项目在前期调研阶段,前端开发就处于空闲状态,这就造成了资源浪费。 如果流水线投入使用,在 A 项目的前期调研阶段完成后,马上开启 B 项目的前期调研阶段;同理对于前端开发人员来说,A 项目的前端开发完成后,马上开启 B 项目的前端开发阶段,这样就可以提高工人的利用率,降低人力成本。 在这里插入图片描述二、 流水线周期和执行时间的计算流水线固然优秀,但不同的流水线的提速情况也不一样,所以需要认真评估每一条流水线,确保将其完善到极致。 首先是 流水线周期,指的是流水线执行过程中最长的一段。 比如一条指令取值 3 纳秒,分析 4 纳秒,执行 1 纳秒,那么这条指令的流水线周期为 4 纳秒。 接下来是流水线执行时间的计算问题,如果有 100 条执行需要执行,每条指令取值 3 纳秒,分析 4 纳秒,执行 1 纳秒,那么使用流水线后需要多少时间? 在这里插入图片描述流水线执行时间有两个计算公式,分别是理论公式和实践公式。 首先可以确定流水线周期为 4 纳秒。 理论公式的计算方法为:指令全部的执行时间 + (n - 1)x 流水线周期。 也就是 (3 + 4 + 1) * (100 - 1) * 4,算出来答案为 404。 实践公式的计算方法为:(K + N - 1) x 流水线周期,其中 k 指的是工序数,题目中工序为取址、分析、执行,工序数为 3。 那么答案就是:(3 + 100 - 1)* 4 ,算出来答案为 408。 在软考中优先使用理论公式,若没有理论公式答案的选项,则使用实践公式替代。 三、流水线吞吐率计算流水线 吞吐率,指的是单位时间内,流水线所完成的指令数量。 也就是说,吞吐率 = 指令条数 / 流水线执行时间。 另外对于流水线的最前、最后资源浪费情况,只要流水线足够长,就可以忽略,所以还有一个 最大吞吐率 的概念。 最大吞吐率 = 1 / 流水线周期。 还是以之前样例作为演示,如下图所示。 如果有 100 条执行需要执行,每条指令取值 3 纳秒,分析 4 纳秒,执行 1 纳秒,那么流水线吞吐率为多少? 在这里插入图片描述流水线吞吐率 = 100 / 404。 最大流水线吞吐率 = 1 / 4。 四、流水线加速比不同的流水线会给生产带来不同的加速比例,所以有一个 流水线加速比 的概念,计算公式如下: 流水线加速比 = 不使用流水线执行时间 / 使用流水线执行时间 还是之前的这个例子,有 100 条执行需要执行,每条指令取值 3 纳秒,分析 4 纳秒,执行 1 纳秒。 在这里插入图片描述如果不使用流水线,所用时间为单条指令周期(3 + 4 + 1) x 指令条数(100) = 800。 使用流水线答案是 404,在第二章节已做计算。 所以流水线加速比为 800 / 404。 五、流水线效率计算流水线还有一个效率的概念,流水线效率指的是 流水线效率。 在时空图上,流水线的效率 = 被占用的时空格 / 总的时空格。 还是之前的这个例子,有 100 条执行需要执行,每条指令取值 3 纳秒,分析 4 纳秒,执行 1 纳秒。 在这里插入图片描述总的时空格 = 指令工序数 x 指令全部的执行时间 = 3 x 404 = 1212。 被占用的时空格 = (3 + 4 + 1) * 100 = 800。 所以流水线效率 = 800 / 1212。 |
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