Instruction-Level Pipelining

Posted 2023-02-18 菜菜粥

The speed of execution programs is influenced by many factors

• One way to improve performance is to use faster circuit technology to build the processor and the main memory.
  通过用效率更高的电路技术来构建处理器和内存，提高性能，
• Another way is that more than one operation can be performed at the same time.
  在相同的时间内，让更多的操作，被执行

程序执行（有很多的fetch-excete指令组成）

指令

clock   1         2          3         4
     Fetch1     Exec1
                Fetch2      Exec2
                            Fetch3    Exec3

分析：

• 没有用 pipelining，执行这段程序需要6个时钟单位
• 使用后，执行这段程序，只要4个时钟单位
• 这是因为后一条指令可以和前一条指令同时进行（当然 each separate hardware unit has
  individual control logic 如果指令之间相互影响，那么这里也就不可以同时进行了
  还有就是每个微操作的时间要差不多， 否则就会产生等待，同样效果也是不佳的）
• 为什么不是起头并进，因为bus总线，每次只能一条指令使用的，这是cpu和计算机的结构限制，如果你用多总线，那么成本，复杂性，都会增加好多

要求

• The pipeline consists several sequential stages.（因为跳转执行的情况，效果不是很好，这也是为什么c语言要尽量小用goto语句，因为你要重复重新的构建流水线，这样效率就低了）
• Each stage is implemented by special hardware unit.
• The required time of implement the operation of each stage is same.

指令流水线的时空图 x轴表示时间 y轴表示 m条指令，每条指令n个微操作

• Fill time：从开始执行第一条指令，到最后一条指令的执行执行，为什么，是这样，因为你只有判断到后面没有指令了，才能确定是不是full time（构建时间），所以区间是这样子，和Drain time 不对称
• Drain time：从 第一条指令的末尾，到程序的结束的这段时间是，排空时间
• Total time： 这个当然就是程序执行所有的时间
• Throughput rate：每一个时钟周期，执行的指令的条数 （吞吐率）
• Speedup ratio： 没用了pipeinling的程序执行时间/用pipeinling的程序执行时间（加速率）
• Efficiency： 没用pipeinling的总时间/ 总区域的时间（相当于用长方形包住区域 每条指令加上等待时间）.

Suppose we have a m-stage pipeline, the clock cycle time is ∆t, that is, it takes ∆t time per stage. Assume also we have n instruction to process.
- Fill time: m ∆t
- Drain time: (m-1) ∆t
- Total time: T= (n+m-1) ∆t
- Throughput rate： n / 【(n+m-1) ∆t】
- Speedup ratio： n*m*∆t/【(n+m-1) ∆t】 显然>=1
- Efficiency：E = n*m*∆t/（m*T） 即 Throughput rate 乘上一个 ∆t