1、5. 2.2流水線處理機的主要性能衡世流水線處理機性能的指標主要是吞吐率(丁巳Throughput R觸 c)和效率(牛Effi- ciency) 0 1.吞吐率吞吐系是流水線單位時間里能流出的任務數(shù)或結果數(shù)。在上節(jié)中的圖5. 14的流水線例子中，各個子過程經過的時間都是4?滿負荷后.流 水線每隔 上解釋完一條指令，其最大吞吐率TP“為1/Mo實際上，各個子過程進行的工作不相同，所經過的 時間也就不一定相同，所以前述在子過程間設置了接口鎖存器.讓各鎖存器都受同-時鐘脈沖同步。 時鐘脈沖周期直接影響流水線的最大吞吐率，總希望它越小越好。如果各個子過程所需的時間分別 為&、沁時鐘周期應當為沁A/4

2、,即流水線的最大吞吐率TP 1 I Az2t 企、Ar4它受限于流水線中最慢子過程所需要的時間。稱流水線中經過時間最長的子過程為瓶頸子過程。例如有-個 4段的指令流水線如圖5.19 (a)所示，其中1、3、4段的經過時間均為4八只 有2段的經過時間為3&。，因此瓶頸在2段，由于它造成整個流水線最大吞吐率只有1/(33。)， 其時一空圖如圖5.19 (6)所示。即使給此流水線每隔4。流入一條指令，也會因 來不及處理而被 堆積在2段.致使流水線仍然只能以每隔才解釋完一條指令。圖5 19赧大吞吐率取決于瓶頸段的時間為了提高流水線的最大吞吐率.首先要找出瓶頸，然后設法消除此瓶頸。消除瓶頸的一種辦法 是

3、將瓶頸子過程再細分.例如將2段再細分成21、22、23三個于段，如圖5. 20 (“所示。讓各子 段經過時間都減少到卜。，這樣，最大吞吐率就可提高到1/Af(.o圖5. 20 (小是將瓶頸子過程再細 分后的時一空圖。然而，并不是所有于過程都能再細分的。假如2段已不能再細分了.則可以通過重復設置多套(例如此例用三套瓶頸段并聯(lián).讓它們交叉進行，如 圖5.21(a)所示。每隔輪流給其中一個瓶頸段分配任務，使它們仍可每隔解釋完一條指令，相應的 時一空圖如圖5.21(6)所示。這種辦法需要解決好在各并行子過程之間的任務分配和同步控制.比起 瓶頸子過程再細分控制要復雜、設備最要多一些。2(a)空何43 (

4、23 2221空何43 (23 222111(h)時間圖5.20瓶頸產過代梅細分圖5.21瓶頸子過程并聯(lián)以上講的都是流水線連續(xù)流動時能達到的最大吞吐率。由于流水開始時總要有一段立時間， 加上種種原因使流水線不能連續(xù)流動，經常是流一段時間，停一段時間，因此水線的實際吞吐率 TP總比最大吞吐率TP“要小。設一皿段流水線的各段經過時間均為3，則第條指令從流入到流出需要T%的流水建立時 間，之后每隔&。就可以流出一條獵令，其時一空圖如圖5. 22所示(這里協(xié)=4)V這樣，完成” 個任務的解釋共需時間T二瞰。+(”一 1!&0。在這段時間里，流；線的實際吞吐率TP 2 1 =加&0 + (”-1& (

5、+ 加一 1 j + 皿圖5.22從時一空圖分析實際的吞吐率可以看出，不僅實際的吞吐率總是小于最大的吞吐率，而且只有當”龍時，才能使實際即吞吐 率接近于理想的最大吞吐率如果用加速比（Speedup Ratio, Sp）表示流水線方式相兀非流水線順 序串行方式速度提高的比值，那么，非流水線順序串行方式工作，連續(xù)完成；個任務需要的時間， 因此，流水線方式工作的加速比g . 卜0_ 祝p+ （” 一 1）M +、n可見，線性流水線且各段時間相同時，僅當加時，即連續(xù)流入的任務數(shù)”遠比流水線刁過程數(shù)加 多得多時，其加速比才能趨于最大值，為流水線的段數(shù)加。一般，廠家在機器手冊中提供的吞吐率都指的是最大吞吐

6、事.因此，如果只是讓子丈程進一 步細分，增大刃來縮短3。，卻未能在軟件、算法、語言編譯、程序設計上采取彳施.保證連續(xù)流 動的任務數(shù)“能遠遠大于子過程數(shù)祝，則實際苣吞吐率將大大低于手冊耳給出的最大吞吐率.極端 情況”=1時，由于加的增大，鎖存器數(shù)也增多，從而實際上增J任務從流入到流出的流水線通過 時間，以至于使其速度反而比順序串行的還要低。如果線性流水線各段經過的時間4,不等，其中瓶頸段的口寸間為，則完成個任9所能達到的實 際吞吐率 其加速比.n 9Sp一為-畝;5二 i）:i-12.效率流水線的效率是指流水線中的設備實際使用時間占整個運行時間之比也稱流水線設備的時 間利用率。由于流水線存在有建

7、立時間和排空時間（最后一個任務流入到流出的時間），在連續(xù)完 成個任務的時間里，各段并不總是滿負荷工作的。如果是線性流水線，且各段經過時間相同，如圖5 22那樣，則在了時間里.流水線各段的效率都相同，均為即整個流水線的效率整個流水線的效率式中，分母山T是時一空圖中m個段和流水總時間T所圉成的總面積.分子加 3則是時一空圖 中”個任務實際占用的總面積。因此從時一空圖上看，效率實際上就是”個 任務占用的時一空區(qū) 面積和勿個段總的時一空區(qū)面積之比。顯然，與吞吐率類似.只有當對于線性流水且每段經過時間相等時，流水線的效率是正加時，7才趨近于1。同時還可看出對于線性流水且每段經過時間相等時，流水線的效率是正比干吞吐率的.即n)TP - U當然，對于非線性流水或線性流水但各段經過的時間不等時這種成正比的關系就不存在， 此時應該通過畫出實際工作時的時一空圖才能分別求出吞吐率和效率。但至少可說明，一般情況 下，為提高效率 威少時一空圖中空白區(qū)所采取的措施同樣也會對提高吞吐率帶來好處。正因為如 此，在圖5. 17的多功能流水線中，動態(tài)流水