计组（六）流水线技术

从时间和空间两个方面描述流水线的工作过程，横坐标表示时间，纵坐标表示各流水段。

注意纵坐标表示各流水段，不是各任务，比如下图就不是时空图。

按功能多少：

多功能流水线按流水线的连接特性分类

这点可以用时空图来解释：见题6.10

按照流水线使用的级别分类：

按照流水线中是否有反馈回路分类：

按照输出端任务的流出顺序与输入端任务的流入顺序是否一致：

三项性能指标：吞吐率、加速比和效率

S P = T 顺 T 流 SP=\dfrac{T_顺}{T_流} SP=T流​T顺​​

T 顺 T_顺 T顺​：

当各段时间均为△t 的 m 段流水线，顺序完成 n 个任务,则： T 顺 = n m Δ t 0 T_顺 = nm \Delta t_0 T顺​=nmΔt0​

当各段时间不相等的 m 段流水线，顺序完成 n 个任务，则： T 顺 = n ∑ i = 1 m Δ t i T_顺 = n\displaystyle \sum^{m}_{i=1} \Delta t_i T顺​=ni=1∑m​Δti​

计算

假设流水线各段的时间相等，均为 Δ t 0 \Delta t_0 Δt0​，则： T P m a x = 1 Δ t 0 TP_{max} = \dfrac{1}{\Delta t_0} TPmax​=Δt0​1​

假设流水线各段时间不等，第i段时间为 Δ t i \Delta t_i Δti​ ，则： T P m a x = 1 m a x { Δ t 0 } TP_{max} = \dfrac{1}{max\{\Delta t_0\}} TPmax​=max{Δt0​}1​

最大吞吐率取决于流水线中最慢一段所需的时间，该段成为流水线的瓶颈。

那么消除瓶颈的方法：

实际吞吐率 T P = n T 流 水 TP=\dfrac{n}{T_{流水}} TP=T流水​n​，n表示任务的个数

这么理解：前半段红线是 ( n − 1 ) Δ t 0 (n-1)\Delta t_0 (n−1)Δt0​，后半段是流水线的深度 m Δ t 0 m\Delta t_0 mΔt0​

例：各段时间相等的流水线。

当△t＝1ns，m＝3，完成 100 个任务。流水线执行，则只需T流水= 3ns＋99ns＝102ns。实际吞吐率TP＝100/(102ns)＝980.39MIPS（单位换算：100÷102*1000）

例：各段时间不等的流水线。

假定某流水线有 5 段，其中 4 段的时间为 1ns，只有 1 段的时间为 2ns。若利用 此流水线完成 100 个任务，流水线执行所用时间为 T流水＝6ns＋99×2ns＝204ns，实际吞吐率为 TP＝100／204ns＝490.19MIPS。

E = n 个 任 务 占 用 的 时 空 区 m 个 段 总 的 时 空 区 = T 顺 m × T 流 E=\dfrac{n个任务占用的时空区}{m个段总的时空区}=\dfrac{T_顺}{m\times T_流} E=m个段总的时空区n个任务占用的时空区​=m×T流​T顺​​

当各段时间均为△t 的流水线 E = n Δ t 0 m Δ t 0 + ( n − 1 ) Δ t 0 E=\dfrac{n\Delta t_0}{m\Delta t_0+(n-1)\Delta t_0} E=mΔt0​+(n−1)Δt0​nΔt0​​

当各段时间不相等的 m 段流水线 E = n ∑ i = 1 m Δ t i m [ ∑ i = 1 m Δ t i + ( n − 1 ) Δ t m a x ] E=\dfrac{n\displaystyle \sum_{i=1}^{m}\Delta t_i}{m[\displaystyle \sum_{i=1}^{m}\Delta t_i+(n-1)\Delta t_{max}]} E=m[i=1∑m​Δti​+(n−1)Δtmax​]ni=1∑m​Δti​​

特殊排布的流水线（如动态流水线）

（1）TP=1000÷100025ns

错在没有分清静态流水线和动态流水线，如下错误答案。