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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＝（k＋n－1）△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n－1时钟周期，每个周期输出一个任务，即用n－1个时钟周期输出n－1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k－1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n》k时，才有TP≈TPmax。????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△t2＝3△t1＝3△t3＝3△t4＝3△t。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n－1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n》k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ｎ＝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n＝64时，一条4段流水线的加速比为3.8