【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

古城微笑少年丶 2023-09-28 22:16 11阅读 0赞

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### 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。  
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如果使用了**流水线**，则只需要 `5` 个单位的时间，如下图所示。  
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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。

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### 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。

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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？  
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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。

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**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`。

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**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`。

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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。

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### 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**。

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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**。

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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][2c02a79b15ef409f9b4a813dcbcb8efc.png_pic_center]  
**流水线吞吐率 = 100 / 404**。

**最大流水线吞吐率 = 1 / 4**。

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### 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][2c02a79b15ef409f9b4a813dcbcb8efc.png_pic_center]  
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`。

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### 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][2c02a79b15ef409f9b4a813dcbcb8efc.png_pic_center]  
**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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